火箭整流罩的大小，就是人类能送上太空的物体大小。但如果换一种思路，直接在太空中建造我们需要的设施呢？
11 月 5 日，美国国防高级研究计划局（DARPA）宣布，加州理工学院（Caltech）研制的一台机器人在近地轨道上自主完成了一段桁架结构的组装。
这台名为“自主在轨张拉反射器组装”（ASTRA）的装置只有约 1 立方米大，原计划拼出一副直径 1.4 米的反射天线，在轨运行 6 个月后，它只建成了其中一节。
单看尺寸，这个成果似乎并不起眼，但这是人类第一次在没有宇航员参与的情况下，让机器在太空中把零散部件拼接成结构。
图 | 未来 NOM4D 类装置在太空中自主建造桁架。（来源：Caltech）
一个能“吐出”结构的盒子
迄今为止，大型航天器结构只有两种上天方式。一种是在地面造好、折叠收纳，入轨后再展开，詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）6.5 米口径的主镜就是这样分段折叠后发射的；另一种是像国际空间站（ISS）那样，把大型舱段分多次发射，再在轨道上对接拼装。
前者的尺寸受整流罩约束，结构越大，折叠机构越复杂，展开失败的风险也越高；后者每个部件都要单独塞进火箭，还需要宇航员出舱或操作机械臂完成拼装。
ASTRA 项目负责人、加州理工学院航空航天与土木工程教授塞尔吉奥·佩莱格里诺（Sergio Pellegrino）选择的是第三种思路：在太空中组装。他计划采用“张拉桁架”架构，组装机的尺寸固定，可以装进现有火箭。但它造出的结构会从机器里一节一节推出去，理论上能造出数百米口径的天线。
这样一来，限制结构尺寸的不再是整流罩，而是能带多少建材上太空。
具体到这次演示，ASTRA 要建的是一圈环形桁架。机器从储料器中取出复合材料纤维管和铝制连接节点，在装配板上拼成一个重复单元，再挂上反射面，然后把这一节推出机器，开始下一节。像拼乐高一样，11 节首尾相接，环形桁架就闭合成一副天线的骨架。
负责执行的是一台只能沿三个直线轴移动的龙门式机器人，DARPA 项目经理安德鲁·德托尔（Andrew Detor）特意强调，这背后“没有复杂的机器人技术或高级算法”，仅通过工程设计把各个操作组合成一套可以无限重复的流程。在他看来，太空工程的可扩展性恰恰来自这种简单。
传统可折叠天线普遍使用金属编织网，而 ASTRA 用的则是一种新型薄膜，它维持形状所需的张力更小，因此，支撑它的桁架可以做得更轻，从而减轻载荷质量，降低发射成本和难度。
不过，这次演示用的只是替代性反射材料，没有装配射频电子设备，造出来的也并非一副能工作的天线。
图 | ASTRA 桁架建造器能够在轨道上建造桁架结构的第三个节段。（来源：Caltech）
极其有限的通信窗口
ASTRA 所属的“新型轨道与月球制造、材料与质量高效设计”（NOM4D）计划于 2022 年启动，由 DARPA 国防科学办公室主管，最初有 8 支产学研团队参与。这个计划的目标是建造数百米乃至公里尺度的太空结构，德托尔说，“今天没有任何东西能接近这个尺度”。
NOM4D 最初并没有在轨演示的计划，第三阶段原定继续做地面实验。2025 年 2 月，德托尔认为前两个阶段的成熟度已经足够，决定改为直接上天。
用他的话说，在太空中演示，研究团队就“没法把问题藏在实验室的地毯底下”。加州理工学院团队因此只有不到 12 个月来制造、测试并交付飞行硬件，从提出在轨演示的想法到原型机发射，总共只有 15 个月。
今年 3 月底，ASTRA 搭乘 SpaceX 的“运输者 -16”（Transporter-16）拼车任务升空，同船还有另外 9 个载荷。发射时，ASTRA 内部已经装好了两节在地面预先拼好的桁架，外加机械臂和装满零件的电动储料器。
入轨后，团队先解除发射锁定装置，把两节预制桁架推出机器，然后开始在太空中组装第三节。地面指令经由搭载它的轨道飞行器转发给 ASTRA 的星载计算机，组装动作由机器自主执行，团队通过回传的照片检查结果。如果执行出错，就调整指令重新尝试。
工程最大的难点在于沟通极其有限。团队每天只有七八次与 ASTRA 通信的机会，每次约 15 分钟。
为了不浪费宝贵的窗口，他们在实验室里留下一台与在轨设备完全相同的备份机，每确认一个太空中的故障，就先在地面复现，测试可行的修正方案，再把最有把握的方案发上去。
在地面指挥组装的只有 3 个人。项目前博士后、现任得克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）助理教授杰登·徐（Jaden Suh）曾表示，太空环境与地面有大量差异，“总会有很多小意外”。
这些意外最终没能让 ASTRA 完成全部 11 节。任务将于 12 月结束，团队已经接受了来不及造完的事实。但在他们看来，已有的数据足以证明这种建造方式在轨道上可行，并且找到了若干简化硬件和组装流程的方向。
从“组装”到“制造”的完整链条
在这次演示中，ASTRA 带上天的纤维管仍是在地面做好的成品，体积并不小。如果连管子都能在太空中制造，发射时就只需携带压缩得更紧密的原材料，同样一枚火箭就能把更多“建筑面积”送进太空。
NOM4D 第三阶段的另一支团队，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）正在攻关这个问题。他们的方案是把浸好树脂的扁平碳纤维套管带上天，入轨后加热触发固化，让它变成坚硬的复合材料管，省去了地面工艺必需的高温高压设备。
图 | 碳纤维管在轨固化技术示意。（来源：DARPA）
这项实验原定今年 4 月送往国际空间站，目前推迟到年内晚些时候，是 NOM4D 结束前的最后一个里程碑。佛罗里达大学团队则在研究用激光弯折金属板材，尚未进入在轨测试阶段。
在轨组装、在轨制造构件、在轨加工原材料，三条线拼在一起，才是 DARPA 设想的完整图景。德托尔还表示，这些技术放大之后可以用于建造直径 100 米的射频天线，监视地月之间的空间。
值得一提的是，DARPA 花费几百万美元先跑通了在轨演示，但 NASA 在同一方向上合计投入超过 20 亿美元的两个项目，最终都没能上天。
NASA 的“在轨服务、组装与制造”（OSAM）系列曾计划用机械臂在轨组装天线、3D 打印 10 米长的梁。其中 OSAM-2 在 2023 年止步于飞行演示前，OSAM-1 则在投入约 20 亿美元后于 2024 年被取消，原因是持续的技术、成本和进度问题。
两相对照，ASTRA 的打法几乎处处相反：它不追求一次演示多项能力，专注于组装；机器人尽量简单，以重复动作替代灵巧操作；不建专门的航天器，只“搭便车”；目标也设得相对务实，造不完整副天线也能交差。
商业公司方面，Redwire 有在国际空间站上运营 3D 打印设备的经验，但 OSAM-2 终止后没有公布新的大型在轨建造计划；初创公司 ThinkOrbital 尝试用电子束焊接拼装金属平台，已完成亚轨道自主焊接试验，仍处于早期验证阶段。欧洲方面的相关项目也还停留在概念和规划层面。
造这么大的东西做什么？
佩莱格里诺对“在太空中造大东西”的兴趣由来已久。2016 年，他与喷气推进实验室（JPL）的同事就曾提出过一个构想：用机器人在轨组装主镜直径 100 米的空间望远镜，口径是哈勃空间望远镜的 40 倍。
他同时还是加州理工学院太空太阳能项目的联合负责人。2023 年 1 月，这个项目的演示卫星 SSPD-1 成功入轨，首次在太空中实现了无线电力传输，并把可探测的电力用微波送到了加州理工学院楼顶的接收器上。不过，要让太空太阳能具备商业价值，收集阵列需要达到公里级。目前看来，这个尺度无论怎么折叠都还塞不进火箭。
ASTRA 证明了路线可行，但距离实用还要解决很多难题。最直观的是尺度，ASTRA 目前只造出了 1.4 米结构中的一节，要建动辄数百米的大型结构，刚度、热变形和动力学行为都和小样件完全不同。
速度和自主程度也是必须跨越的门槛，ASTRA 在 6 个月里完成了一节桁架，这固然受限于通信窗口，但也说明当前系统高度依赖地面人员诊断和干预。要建数百节的结构，机器必须有能力自主处理大部分故障。
天线和望远镜对反射面的形状误差要求极高，结构拼接的精度和耐久性同样是关键。轻质复合材料能否长期经受太空环境的考验，也有待检验。
伊利诺伊大学团队负责人萨梅·陶菲克（Sameh Tawfick）在今年 8 月的一次研讨会上强调，在轨制造能否成功，取决于技术创新能否对上有吸引力的商业需求。NOM4D 将在未来几个月内结束，DARPA 希望借这次演示带动后续的大规模投资，但目前还没有任何机构宣布将用这种方式建造一个真正的业务系统。
“NOM4D 在加州理工学院的这次演示不是终点，而是起点。”德托尔说，“既然我们已经证明了一种能扩展到大型结构的工艺，接下来要造什么？”
未来一段时间，值得我们关注的动向是团队最终能否在轨道上闭合一整圈桁架，造出一副真正能工作的天线；更长远的检验，则要等到首个只能在太空中建造的商业或科学设施立项。
参考内容：
https://www.caltech.edu/about/news/caltech-robotic-space-demo-successfully-builds-in-space
https://www.darpa.mil/news/2026/nom4d-program-demonstrates-automated-in-space-assembly
https://www.sciencedaily.com/releases/2026/11/261108233043.htm
https://grainger.illinois.edu/news/stories/in-space-manufacturing
https://www.nasa.gov/mission_pages/tdm/satellite-servicing.html
https://newatlas.com/energy/space-solar-power-transmission-test-caltech
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注：封面/首图由 AI 辅助生成
