海外观察 | 欧洲航天局技术愿景2040：“一份活文件”的雄心

洲航天局技术愿景2040：“一份活文件”的雄心

2025年6月，正在庆祝成立50周年的欧洲航天局（ESA），发布了《科技2040：欧洲航天局的愿景》（Technology 2040：A Vision For The European Space Agency）。

50年前，欧洲发射发展组织（ELDO）和欧洲太空研究组织（ESRO）合并，成立了欧洲航天局。总部设在巴黎。

第二次世界大战后，许多欧洲科学家离开西欧到美国工作。西欧科学家忧心忡忡地发现，单个的国家项目，将不能与美苏两个超级大国竞争。欧洲必须联合起来。

欧洲航天局自成立伊始，就将发展火箭技术（阿丽亚娜火箭）作为首要目标，后来又增加了伽利略定位系统等。

2002年以来，欧洲航天局加快了太空开发项目，并于2024年为打造欧洲版Space X开始积极探索。但是，囿于内外部协作等错综复杂的因素（主要是内部统合），欧洲航天局诸多的规划部署，多被认为是刻舟求剑、纸上谈兵。

此次公布的《科技2040》，是总干事约瑟夫·阿施巴赫上任第一天提出的《2025年议程》的战略延续，包括正在进行的、旨在提高效率的“转型”。

总干事希望该战略成为“一份活文件”（a living document），领导和协调全欧洲卓越的航天事业，打造更加繁荣、富于韧性、独立自主和鼓舞人心的事业。

其核心价值是卓越、负责、激励、包容、合作。

其目标是通过世界级的项目管理和主要利益相关方的密切合作，加强欧洲空间生态系统，使得欧洲航天局成为利用空间活动的典范，并不断激励来自不同背景的年轻人和子孙后代。

 图1  《科技2040：欧洲航天局的愿景》 

Part.1  2040愿景

1. 太空结构

未来的大型太空结构，将不再受发射载具尺寸的限制，可以在太空中展开、制造和组装，甚至在月球或火星表面直接建造。这些结构将极大地扩展太空活动的范围，例如，建造巨大的天线阵列，或是更像小镇的太空栖息地。

在太空中进行制造和组装，需要高度自动化和精确控制的技术，以确保结构的稳定性和可靠性。而能在太空环境中长期使用的材料，需要具备耐辐射、耐原子氧和高强度等特性。

2. 行星和天体探索

欧洲在太阳系的多个地点部署了探索机器人，从月球和火星的表面，到彗星、小行星、木星的卫星。这些活跃的地点，支持将样本返回地球进行深入研究，并利用现场资源实现成本效益更高的探索。

 图2  探索小行星的机器人Mascot 

行星表面的极端温度、辐射和尘埃环境，对仪器和设备提出了极高的要求。未来的探索需要开发能够在这些条件下工作的仪器。为实现资源的自给自足，必须开发能从月球或火星表面提取氧气、金属和其他资源的技术。

例如，将月壤转化为3D打印材料，提取冰沉积物用于生命支持和能源提取。另外，还需开发高效率、低能耗的深空通信系统，以确保数据的快速传输。

3. 太空绿洲

人类未来将在地球轨道、月球、火星乃至更远的地方居住。这些栖息地具备高效的资源管理和闭环生命支持系统，能够利用当地资源，减少对地球的依赖。

目前的栖息地远非自给自足，需要定期补充空气、水、食物和推进剂。载人地面探索仅限于在月球上停留几天。因此，需开发能在长期任务中可靠运行的生命支持系统，来确保宇航员的生命安全。此外，维持太空居民的身心健康，需要医疗系统、污染检测等多项进步。

4. 地球对太空的技术革命：超紧凑高性能卫星

未来的卫星将更加紧凑和高性能，能在更小的体积内实现更多的功能。这将极大地降低发射成本，提高任务效率。

在缩小卫星尺寸的同时，保持或提高性能是巨大的挑战。通过标准化部件，可以形成紧凑、统一的平台，以确保其在太空中的稳定运行。太阳能电池阵列和天线等部署元件，必须紧凑且可折叠才能发射。有效载荷还需将射频模拟和数字功能，集成到高度紧凑的电子设备中。

未来，还需开发能够高效集成多种功能的系统架构，以实现卫星的小型化和高性能化。

5. 遥感能力突破

 图片3  2025年7月26日，欧洲航天局发射碳遥感卫星MicroCarb 

未来的遥感技术，将大幅提升性能和灵敏度，涵盖更广泛的电磁频谱，并借助量子传感器进行更深入的探测。智能传感器能实时处理图像、灵活调整配置和感知模式，以应对海量数据的挑战。

未来几年，超宽带/多频传感器、天文光子学等传感技术的进步，以及通过引力等量子传感打开的新观测窗口，将使未来的遥感系统具备智能化和自动化数据分析的能力。

6. 高度自主系统

未来的太空任务将不再依赖地面控制中心的大量人力干预。自主航天器将具备智能决策能力，能独立完成任务并应对复杂环境。大规模卫星星座将协同工作，形成高分辨率虚拟望远镜，或组装成更大的物理结构。

太空自主性意味着航天器、机器人漫游车和其他系统，可独立于人类干预来执行任务和做出决策。但在实现更复杂的任务目标之前，仍有一些挑战需要克服，包括：通信延迟，这与深空任务特别相关；环境不确定性，我们不知道任务将处于什么条件下；复杂的物理相互作用，等等。

7. 深空生存的节能休眠系统

通过深度休眠技术，深空探测任务可在不使用时将部分系统置于低功耗状态，从而减少能源消耗，使太阳能成为深空探测的可行能源选择。

冬眠概念还需应用于航天电子设备、数据处理和遥测、电信等控制子系统。超低功耗休眠定时器，则可通过唤醒遥控或预设时间线，来激活这些子系统。

外太阳系的黑暗，限制了太阳能电池阵列的使用。这意味着深空任务需要非常大的太阳能电池阵列，来提供最低限度的电力。

8. 近地与深空旅行及通信

当前，超出地球的天基互联网已成为可能。通信和导航系统已遍布整个太阳系，为太空任务提供安全且可互操作的服务。因此，自主、低成本的太空任务正在变得可行。

 图4  欧洲航天局计划对阿丽亚娜6号火箭做升级改造，以符合载人发射所需 

传统上，太空通信依赖于预先规划的点对点通信链路。然而，这种方法很难有效扩展。以地面互联网为蓝本的自动化网络通信系统，对于建设可持续的太空基础设施至关重要。同样，天基定位、导航和授时（PNT）系统将实现整个太阳系的自主导航，减少对地球基础设施的依赖。

欧洲航天局已经主动迈出了一步，为月球任务提供通用通信和导航服务，并计划扩展到火星。

9. 极低地球轨道（距离地面100至400公里的高度）

地球上几乎任何地方都可以使用高速宽带连接，这些连接由欧洲在极低地球轨道运行的通信卫星群提供。

缩短极低地球轨道到地面的距离，可以显著提升天线或光学仪器的性能，并提高光学和雷达对地观测的地面分辨率。同时，要让卫星在极低地球轨道上运行，必须选择能抵抗原子气体相互作用的材料和涂层。

最后一个挑战是，要在如此低的轨道上提供实用的地球覆盖，需要数百或数千颗卫星组成的大规模卫星星座，这意味着需大幅提升生产能力。

10. 超高速飞行：从地球到深空再返回

高速飞行器能安全而精确地从地球飞越太空，抵达目的地并返回。实现超高速飞行，将增加人类和机器人进入太阳系遥远区域的途径，并把更大的有效载荷部署到其他行星。

超高速飞行还将支持在轨工业生态系统和商业计划的发展，从而大幅加快发射节奏，例如可重复使用的航天飞机。

11. 循环和可持续太空经济

太空碎片是一个早已过时的概念，循环经济已经在太空中扎根，使得一半以上的发射物质都能被回收利用。如今，循环经济已具备航天工业标准。

欧洲航天局是可持续发展的先驱，这要归功于生态设计和零碎片政策（Zero Debris）。然而，随着航天部门的空前增长，实现真正的可持续发展需要地球上的循环思维。

如在轨材料的重新利用和回收能力，不仅是可持续发展的关键，而且还将开拓新的市场，并为太空资产增加额外的商业价值。释放这种潜力需要重大技术突破、先进工艺和新颖的设计。

 图5  欧洲航天局的零碎片政策旨在通过设计、执行和结束阶段的严格措施，减少太空碎片的产生，以保护太空环境 

12. 黑暗而安静的天空

欧洲已经建立了专门的供应链，旨在保护黑暗而安静的天空，并要求太空工作者负责任地探索外太空。以前，部分天文学家将小行星称为“天空害虫”，因为这些快速移动的太空岩石会阻挡研究人员真正感兴趣的星际现象。

如今，许多天文学家将这个谴责性的说法指向卫星，尤其是近地轨道卫星。这些卫星在穿越天空时，会在光学和射电天文观测数据上留下类似划痕的痕迹。

Part.2  支持技术

1. 创新推进技术

创新推进技术将使太阳系内的太空旅行变得更加高效。这些技术包括绿色低成本推进技术（如过氧化氢的长期储存）、水推进技术、大气呼吸推进技术、高功率电推进技术、低温推进技术和核推进技术等。

2. 量子技术

量子技术将极大地提升空间通信、导航和数据处理能力。量子传感器可利用冷原子（cold atoms，通过激光冷却、蒸发冷却等技术将原子温度降至极低，导致原子运动速度极慢，展现出显著的量子波动性和宏观量子相干性）进行惯性测量或重力测量。

量子纠缠技术将连接量子计算机、传感器和时钟，进一步提升性能和覆盖范围。量子技术的应用还包括超精确的时间频率传输、原子操控等。

3. 先进制造与未来材料

先进制造和新型材料将彻底改变航天器的性能设计。数字制造技术将成为行业的标准。AI（人工智能）和智能化学的应用，意味着航天任务能在分子水平上进行设计，自动生成创新工艺和突破性的化学配方，以满足特定任务的需求。

4. 太空数字化革命

数字化贯穿了太空工程、运营和下游活动的全过程。通过先进的建模、仿真和可视化技术，数字孪生系统将实现低成本、高质量的分析研究。扩展现实（增强现实、虚拟现实、混合现实）技术，将指导现实世界中的操作。

5. AI驱动的太空技术创新

AI将贯穿航天任务的整个生命周期。AI驱动的平台和载荷，如边缘处理加速器、数据存储和处理单元，将实现新的在轨能力，包括在轨服务、组装和制造等。在任务运营中，AI将帮助航天器操作员管理日益复杂的太空资产，实现自动化监测。

6. 空间系统的安全性

空间资产虽然距离地球数百或数千公里，但它们与地球的连接使它们容易受到攻击。为了实现强大的安全性，需要整合尖端技术和机制，包括物理、网络安全、密码学和监控安全等。随着技术的发展，安全措施也必须不断进化。

7. 弹性太空系统

 图6  美国联合弹性太空通信网络构想图 

欧洲的太空基础设施能在恶劣自然现象或恶意行为的影响下持续运行。这需要在设计阶段系统地设想最坏的情况。欧洲航天局需要安全、可追溯的供应链，还需准确的太空态势感知能力，包括太空天气测量、太空目标跟踪和通信监控等。卫星还需要冗余准备，以应对不可预见的情况。

8. 深空动力源

目前，太阳能电池是航天器的主要动力来源，但随着深入太阳系，太阳能电池的效率会显著降低。为了支持未来的深空任务，需要开发多种动力源，包括大型太阳能阵列、核动力、低温电池、固体氧化物燃料电池等。这些技术将使航天器能在极低光照和低温条件下运行。

9. 降低成本的技术

通过虚拟建模、标准化和自动化批量生产，能使航天任务更加经济高效。虚拟建模和仿真技术，将减少物理测试的需求。标准化的接口和产品，将加速工程迭代。自动化生产将缩短生产周期，提高生产效率。

10. 促进可持续和负责任的太空探索

机器人任务和载人航天任务的结合，显著提升了人类在外太空的存在。随着太空越来越易于探索，新的参与者正在投资太空。保护地球生物圈免受来自外太空物质影响，一直是太空探索的首要任务。借助AI进行污染预测，将能更好地对地球生物圈进行保护。

END

文章来源：欧洲航天局官网。

编者说明：文章根据原文整理编译，本公众号推送时略有修改，文中观点不代表本院看法。

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