今年是人类首次阿波罗登月50周年。这一成就得益于空间技术的飞速发展。在登月前短短一段时间内，工程师便掌握了火箭推进、机载计算和空间操作技术，这在一定程度上要归功于几乎不受限制的预算。
自那些英勇壮举以来，航天工程已发展成熟，形成了一系列相互关联的技术，为令人振奋的太空科学任务、海量地球观测数据以及全球通信和导航服务网络提供支持。如今，我们已经能够让探测器在彗星上着陆，并比以往任何时候都更深入地回望过去。但未来会怎样？未来几十年，哪些新技术能够推动航天领域变革，又将如何实现？
过去几年，一条颇有前景的路径是扩大和缩小空间技术的尺度。通过一项近期启动、为期十年并得到英国皇家工程院支持的研究计划，我们团队开始探索航天器长度尺度两端的更多可能性。我们认为，这是一个在任务设计中尚未得到充分探索的领域，或能为未来带来新思路。
微型化
技术微型化使航天器的尺寸更加多样，例如用于灾害监测星座的100千克级小卫星。该星座由一组协同工作的独立卫星组成。还有小巧的30x10x10cm立方体卫星，重量只有几千克，却能搭载各种不同的有效载荷。它们常用于地球观测或低成本科学实验，因为可以有大量此类卫星作为搭载载荷，与较大的卫星一同发射。
我们的目标是将空间技术的尺度至少缩小一个数量级。首先可以从3x3cm的印刷电路板（PCB）卫星开始，再进一步研制更紧凑的设备。此类卫星的在轨演示已经开展。例如，Sprite装置虽然仅重4克，却配备了传感器、通信设备和机载数据处理能力。
这些设备已经安装在国际空间站外部。就在不久前，KickSat-2任务在地球轨道上部署了105个Sprite装置，每个成本不到100美元。部署次日便收到了这些装置发出的信号，这让人们期待它们有朝一日能在太空执行新任务。
我们的目标是制造能够在太空中自主飞行，并控制自身姿态和轨道的设备。这样一来，我们就能部署大规模传感器群，用于构建分布式传感网络，实现实时、大规模的数据采集，包括监测空间天气。展望未来，更小的设备甚至可能促成在单片硅晶圆上制造高度集成的批量卫星。
一种令人振奋的可能性，是将这类微型航天器与大型光帆结合，使其成为星际飞船——抵达其他恒星系，并在几十年内近距离研究它们。它们还可用于在彗星或小行星附近提供广泛的传感覆盖。
巨型结构
在尺寸范围的另一端，也取得了进展。国际空间站已经在使用大型可展开桁架杆，长度达30米，用于支撑其太阳能电池阵列。我们的目标是再将规模至少提升一个数量级，在轨制造大型轻质结构。这可以通过改造3D打印技术，使其能在真空和微重力环境下工作来实现。我们认为，这种方法有望制造超大型天线、能量收集器或太阳能反射器。
但我们为什么需要这种结构？以詹姆斯·韦布空间望远镜为例，它将很快取代取得巨大成功的哈勃空间望远镜。它配备了一面大型主镜，并由一块面积相当于专业网球场的遮阳罩保护，使其免受阳光照射。为了将这套设备装入阿丽亚娜5号火箭，主镜和遮阳罩都由可展开的分段组成。进入太空后，这些分段需要按照复杂的顺序逐一释放，并在恰当时刻启动，否则任务就有失败的风险。
在轨直接制造大型轻质结构的能力，可能对空间技术产生巨大影响，帮助我们绕过从地面发射脆弱结构这一高风险难题。例如，如果能通过连续制造工艺将结构支撑材料直接打印在反射膜上，就可以制造超大型反射器，直径可能达到数百米。
在极地轨道上，这类反射器可在黎明和黄昏时为未来的地面太阳能电站照明；此时电站发电量较低，但电力需求和现货价格较高。这将开创一种全新的空间服务，其产品是能源，而非信息。
它还可用于反射光线，产生工业规模的太阳能热能，以处理从近地小行星上回收的材料。例如，半径500米的反射器可截获相当于1GW的热功率，相当于地球上一座典型发电站的输出功率。
从小行星中烘取水分是一条尤其有前景的路径，因为这有助于我们在太空制造推进剂。太阳能发电可用于将水分解为氢和氧，并以此作为燃料。两者重新结合并点燃后会燃烧，产生推力推动航天器前进。未来，在轨制造推进剂有望降低人类太空探索的成本，因为不必再将燃料从地球表面一路运送到太空。
阿波罗计划展现了真正宏大的工程壮举，而未来的太空探索同样令人振奋，并能带来超越插旗和留下足迹的持久社会效益。
