日前，在国家自然科学基金委员会发布“研发千米级超大型航天器”项目，引发网友关注。这是一个新的大国重器吗？它到底有什么用途？

采访专家：

焦维新（北京大学地球与空间科学学院教授）

庞之浩（全国空间探测技术首席科学传播专家）

肖 龙（中国地质大学（武汉）行星科学研究所）

在茫茫的太空中，有一座座“高楼大厦”在日夜不停地运行着，数万、数十万、甚至上百万地球人在里边工作生活着……简直是一个世外桃源，这就是未来的太空城。

▲科幻作品中计算机动画创作的巨型空间站

以上的桥段之前只出现在科幻电影中，但这些场景将可能变成现实。日前，在国家自然科学基金委员会发布的“十四五”第一批重大项目指南中，有一个尺寸超过1000米的“超大型航天结构空间组装动力学与控制”的项目，网友惊呼：中国正在研发千米级超大型航天器。这是一个新的大国重器吗？它到底有什么用途？

▲国家自然科学基金委员会发布的“十四五”第一批重大项目指南的“超大型航天结构空间组装动力学与控制”的项目

千米级的太空巨无霸

千米级大型超级航天器是个什么概念？目前，人类建造的最大航天器是国际空间站，它的体量也只是长110米、宽88米，大致相当于两个足球场大小，总质量达400余吨。而美国超级航母“福特”号全长约330米，也就是说中国未来规划建造的超大型航天器，相当于10个国际空间站或者3艘“福特”号航母那么长！

▲人类建造的最大航天器是国际空间站，它的体量也只是长110米、宽88米

相关文件显示，尺寸达千米量级的超大型航天器是未来空间资源利用、宇宙奥秘探索、长期在轨居住的重大战略性航天装备，也就是说将来它就不仅仅是进行一些相应的太空实验了，而是要成为将来在太空进行生产、生活和科研的基地，甚至成为人类探索深空的基地。

“按照目前的规划设计，这个太空站只是一个太阳能发电站。”北京大学地球与空间科学学院教授焦维新告诉记者。

焦维新说，从太阳能的利用上而言，与地球上相比，在太空建造有着无可比拟的优势。譬如在地面建造太阳能电站受到日夜转换、天气气候的影响。在地球高层空间譬如地球的同步轨道，可能一年中有99%的时间都是阳光充足的，阳光在近乎真空的环境中也不受到空气的影响，因此太阳能的吸收效率特别高。

尽管这个太空巨无霸还处于早期的论证阶段，很多太空迷们已经很有一些迫不及待了，他们都希望能够早一点儿看到太空庞然大物的面容。

太空发电如何传回地球？

如果是如此庞大的太空发电站，那么电能如何传输回地球？全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩表示，这种运行在3.6万公里高度地球同步轨道上的超级空间站，通过巨型太阳能电池阵，将太阳光转化为电能，再依靠微波或者激光传输到地面，可以全天候大规模发电。

相对于风能、水能、核能、化石能源等，太阳能毫无疑问是最清洁环保，同时是对生态最友好的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173000TW（太瓦，电量单位，1太瓦=1012瓦）。不过，由于地球大部分被海洋所覆盖，陆地上也不可能全部覆盖上太阳能电池板，因此如何利用太空太阳能已经成为各国研究的重点，而其中如何解决远距离无线传输便是最为关键的技术之一。

▲前NASA物理学家约翰曼金斯设计的“任意大型相控阵太阳能发电卫星”

目前，实现能量无线传输的主要方式有激光、超声波、射频和微波。它们有各自的适用范围。超声波和射频传输距离较短，功率容量低，使用范围有限，适合在近距离条件下使用。而激光技术或微波技术则更适合实现电能的无线远距离传输。

其中，微波无线能量传输技术具有转换效率高，传输功率容量大的优点，是现阶段最有优势的无线能量传输技术。近些年，微波无线能量传输技术发展很快，我国在这一领域也取得了重大突破。不久以前，中国电力科学研究院牵头承担的“十米级微波无线电能传输技术研究”项目，研制成功十米级微波无线电能传输样机，在国内首次实现20米距离千瓦级功率电力的隔空输送，整体传输效率达到25.5%的世界先进水平。随着该项技术的继续发展，其用于太空中的电力传输也会成为现实。

激光的优点则是方向性好、波束窄、尺寸小，可以实现中远距离的能量传输，缺点是转换效率较低、传输功率容量有限。激光无线能量传输必须要提高转换效率。

组装太空巨无霸有多难？

现在的空间站，基本上是采用几个不同的舱段对接的方式，组装到一定程度就不能再搞了，而且所有舱段都比较小比较细。

尽管太空巨无霸最开始可能只是一个太阳能电站，但是未来可以有大量的人员在里面生活和工作，在上面开展不同的生产科研活动也更加方便。

焦维新告诉记者，在近地球轨道建设这样的一个超级巨无霸，也面临着一些风险和挑战。首先，将这么大规模的设备运送到地球同步轨道，耗费巨大；其次，由于需要通过结构模块化设计、多次发射、空间组装的方式进行建造，并解决极其复杂的耦合动力学问题。因此，挑战和风险都会超乎想象。

庞之浩表示，想要建造超大型航天器，除了巨大人力和物力需求外，还必须克服海量的技术难题。目前国际空间站是人类建造的最大航天器，美国国家航空航天局曾评估称，如果20世纪70年代服役的美国“天空”实验室建造难度系数是5，苏联“和平”号空间站的难度系数为10到20，那么国际空间站则高达2500。

▲正在建设中的中国空间站

庞之浩表示，庞大工程带来的难题不仅仅停留在技术层面，还必须涉及整个项目的计划和管理。由于千米级超大型航天器的复杂程度和规模都要远超国际空间站，它的建造难度更将呈指数级增加。

“搭建国际空间站花费12年，工程量远比国际空间站更为庞大的千米级超大型航天器，就需要花费更长的建造时间，因此对核心部件的使用寿命必然会提出更高要求。”庞之浩说。

未来真的可以建成太空城市吗？

很多人在科幻电影中都看到过一些环绕地球飞行的巨型飞行器，比如《独立日》中的巨型圆盘状飞船，《流浪地球》中的环形旋转太空站等，都有着极强的视觉震撼效果， 能够容纳数十万人甚至是上百万人在上面生活。这样的场景未来有一天会变成现实吗？

单纯从人类太空技术发展的角度而言，似乎并不存在太大的问题。中国地质大学（武汉）行星科学研究所教授肖龙告诉记者，在未来更大规模的太空站或者太空基地发展是一个趋势。

▲苏联天文学家尼古拉·卡尔达舍夫（Nikolai Kardashev）设想的一级文明：利用整颗行星的能源

但是，在其空间结构变得越来越大之后，上面的生活就像一个社会网络，胶囊模式就有很大的缺陷了，各个组成单元之间的联通就必须成为要考虑的问题，这时候巨型圆盘状飞船、旋转太空站等这样的环状结构就是比较理想的选择，其结构的外在形式有些像福建的圆形土楼，因为这样的圆形或者环状结构便于设计成多个单元能够联通的结构形式，材料节省，能源供给、交通也比较方便。此外，这样的结构在力学上也是比较合理的，在太空中也有充分的结构稳定性。

但是建设这样的太空城市，也存在巨大的风险，首先就是太空垃圾、流星雨或者小行星袭击的风险，尽管可以采取防护措施，可是一旦被袭击，就是一起巨大的灾难。因为不管怎么设计，它都不会像地球等星球一样能够经受住冲击。

焦维新强调，科幻可以构想，但是人在这样的空间结构中生活，会有很大的风险。此外，还必须要面对太空超强的辐射，长时间的失重环境也是一个很大的挑战。

撰文/记者 李鹏 图文编辑/陈永杰

新媒体编辑/吕冰心 图片来源/视觉中国

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