去太空“打铁”？高端制造迈向星辰大海

最近，SpaceX公司负责执行运输者-14任务的猎鹰9火箭成功发射，将一颗来自英国的特殊卫星送入了轨道。它的目标既非通信，也非遥感，而是要在距离地球500公里的轨道上，尝试完成一项前所未有的任务：制造半导体芯片。太空制造时代真的要来临了吗？

重力归零 制造升级

这颗名为“锻造星1号”的卫星由英国初创企业太空锻造公司研制，是英国首个旨在测试太空制造核心技术的航天器，也是第一颗获得英国民航局颁发太空制造许可证的英国卫星，同时使得英国成为全球首个开展空间制造的国家。

火箭发射后的几小时内，卫星就成功激活并与英国加的夫太空锻造任务运营中心取得联系，成功建立在轨通信，标志着历时4年的设计与测试工作完成，也意味着天基工业制造的新篇章正式开启。

太空锻造公司发布的太空制造卫星示意图

“锻造星1号”任务旨在利用近地轨道的微重力、超洁净真空等独特环境，测试在太空中生产先进材料的可行性，并验证热防护盾、在轨气动控制，以及软件支持的包括轨道跟踪与再入测绘在内的多项返回技术。不过，锻造星1号卫星本身并不会返回地球，但其在执行任务中获得的关键数据，将为未来的太空制造任务奠定基础。

太空锻造公司之所以要不远万里将工厂搬到太空，是因为太空中的微重力、真空和超低温条件十分有利于半导体制造。

微重力环境是太空制造的核心优势。在轨道上，微重力仅为地球表面的百万分之一左右，几乎消除对流和沉淀效应，可生产出更大、更纯、缺陷更少的半导体。超真空环境下的分子密度极低，可以避免材料氧化或污染。宇宙背景温度接近绝对零度，有利于材料快速稳定成形。锻造星系列卫星的有效载荷将被精确放置在地球上方500～800公里处，位于太阳同步轨道上，可以最大限度地获取太阳照射。

太空锻造公司声称，这些在太空中制造出来的半导体晶圆，理论上可将电动汽车充电时间减半，并为量子计算机提供更稳定的基础元件。而芯片价值甚至有望“超过卫星入轨成本”。在该公司看来，在微重力环境下制造新型合金和高温合金的机会几乎是无限的。特别是氮化镓和碳化硅等第三代半导体材料，在这种极端环境中反而更容易制造出来。此外，在轨研发可以加速新药物的研发速率，提高现有药物的生产效率。

此外，太空制造更加清洁、环保。在地球上生产半导体时，需要消耗数千升超纯水和有毒化学品。而据太空锻造公司估计，在轨道上制造半导体可减少高达75%的碳排放。

开启加速 面向未来

太空制造的发展历程可追溯至20世纪60年代。苏、美两国率先探索在太空环境下进行材料加工的可行性，早期聚焦微重力对材料特性的影响及大型桁架结构制造，但因技术限制多停留于地面研究。

欧空局航天员在太空中展示金属部件的3D打印

20世纪60、70年代，美、苏两国先后完成电子束焊接试验，推动了空间焊接技术的发展，使得航天员在外太空修复航天器密封舱体成为可能。

进入21世纪后，太空制造技术的发展速度进一步加快：2012年，美国宇航局提出千米级结构在轨制造概念；2014年，国际空间站首次部署3D打印机，完成塑料零件在轨制造；2020年后，激光增材等技术进入工程验证阶段。我国自2016年起加速发展太空制造技术，2020年在国际上首次实现连续纤维复合材料的在轨增材制造，并计划在2030年完成“月壤砖”原位熔融验证，逐步从技术跟随转向并行创新。

对太空锻造公司而言，研制并发射“锻造星1号”并非其首次进行太空制造尝试。此前，“锻造星0号”于2023年1月9日，由维珍轨道公司的运载器1号火箭从康沃尔航天港发射。遗憾的是，此次发射以失败告终，“锻造星0号”未能进入轨道。

根据太空锻造公司的发展规划，未来的锻造星2号卫星将成为首款把太空制造的半导体安全运回地球的航天器。该公司还计划未来每年发射10～12颗卫星，在完成为期1～6个月的制造任务后回收利用，最终实现每年超过100次的卫星发射，使得太空工厂像地球上的半导体工厂一样实现流水线生产。目前，在北约创新基金牵头，世界基金、国家安全战略投资基金和英国商业银行地区天使计划的共同参与下，太空锻造公司获得了2260万英镑的A轮融资。

专注高端 前景广阔

那么，太空制造的发展前景如何？

未来，太空制造将彻底改变航天系统设计范式。其核心价值在于突破发射体积与质量限制，实现超大型结构（如千米级天线、空间电站）在轨建造，降低深空任务成本。同时，美国宇航局的“地外原位资源利用”计划可支撑月球/火星基地可持续发展，利用月壤制氧、将火星二氧化碳转化为燃料等技术已进入验证阶段。

实验室里的“锻造星1号”

目前，美国将太空服务组装制造列为国家战略，欧盟“月球村”计划将整合建筑与机器人技术，我国的《2021中国的航天》白皮书也明确了在轨制造能力建设目标。随着材料、机器人及人工智能的融合，太空制造将向智能化、标准化方向发展，催生太空经济新形态。

太空制造绝非简单移植地面工艺，事实上，国际空间站已开展的实验暴露出诸多挑战。2024年1月，首台金属制造工艺的3D打印机运抵国际空间站进行测试。这台180公斤重的设备不得不缩小至洗衣机大小，并被密封在一个类似保险箱的金属盒中。之所以如此，是因为其内部激光温度超1200摄氏度，必须严格控制热量，以及制造过程中产生的烟雾和其他有害物质，防止产生安全隐患。

此外，为适应微重力环境，工程师被迫放弃常用的粉末加工技术（粉末会飘散），改用金属丝材打印。打印一个9厘米尺寸的零件需要40小时，且还需每日限时4小时运行，以防噪音干扰航天员。虽然太空3D打印任务的注意事项很多，但其在太空按需生产零部件的优势，为空间站提供了应急维修能力，因此仍然是必要的。

如今，太空制造正在突破技术经济临界点。随着“锻造星1号”的成功运行，人类工业生产开始从重力束缚中解放。未来十年，近地轨道可能出现首批具备商业量产能力的太空工厂。不过，太空制造不会取代地面制造，而是专注于生产地面环境无法实现的高端产品。

当第一块全流程在轨制造的芯片通过质检，工业生产将正式进入太空时代。这不仅是制造场所的迁移，更是人类利用空间环境突破材料极限的技术革命。未来的芯片可能诞生于宇宙而非硅谷；空间站里的机械臂正组装着下一代望远镜；而某个月球基地的打印机组，正用月壤铸造新的舱段外壳。

来源/《中国航天报·飞天科普周刊》

文/林胤之

编辑/靳晴

审核/杨建 杨蕾

监制/索阿娣

本文转载自公众微信号：中国航天报

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