化学工程与循环太空经济：太空推进剂制造架构、面临的挑战及发展路线图

《Chemical Engineering Research and Design》：Chemical engineering the circular space economy: In-space propellant manufacturing architectures, challenges and a roadmap

　　

摘要

空间产业的迅速扩张迫切需要具备韧性和可持续性的推进剂供应链。然而，现有的推进剂供应链成本高昂、安全性低，并且与循环型空间经济不兼容，因此需要利用当地资源在太空中制造绿色推进剂。从这一角度来看，在太空中制造推进剂成为化学工程领域的一个重大挑战，其中反应过程、分离技术以及系统设计都需要重新思考。我们将可获取的空间原料与可行的反应网络相匹配，并分析了极端太空环境带来的关键挑战。这些挑战为化学工程和技术研究带来了新的机遇。可持续的反应技术、微结构反应器、适应太空环境的工艺、受航天器启发的热管理和辐射管理方案，以及人工智能支持的自主控制技术，对于实现太空中推进剂的生产尤为重要。这些技术的发展可以遵循一个研究路线图，将微重力环境下的多相反应和传输基础研究与规模化生产方法、数字孪生模型以及地面到轨道的验证策略相结合。通过将太空中推进剂的生产视为化学工程科学和实践的新前沿，本文旨在促进跨学科合作，以实现可持续的太空中化学供应链，并将太空作为未来地球上净零排放、资源高效利用的化学制造的试验场。

引言

受商业、科学和国家战略中对太空服务需求增长的驱动，全球太空经济正在迅速发展，预计在未来十年内将达到万亿美元规模（世界经济论坛 & 麦肯锡公司，2024年）。太空经济的可持续发展需要遵循循环型太空经济的原则，以提高资源利用效率、减少太空垃圾并推动可持续的太空基础设施建设（杨等人，2025a；舒尔茨，2026年）。在太空中直接为航天器加注燃料是一项关键能力（弗罗利希，2020年），它改变了航天器“使用后即丢弃”的传统模式。加注燃料可以延长航天器的使用寿命和任务范围，减少发射次数，从而在太空中创造循环经济价值，并在未来十年内催生39亿美元的市场机遇（Fortune Business Insights，2026年）。

当前的推进剂供应体系面临两大挑战：一是从地球生产设施到轨道最终用户的长途运输链存在显著的操作风险（西莫尼尼等人，2024年；奇里洛等人，2010年）；二是现有供应链完全依赖地球，与将太空经济从依赖地球补给转向自我维持的工业体系的长期目标不契合。因此，人们提出了在太空中生产推进剂的长期战略构想（阿什等人，1978年；NASA，2025年；帕哈雷斯等人，2025年）。NASA在20世纪70年代提出了最初的想法，即利用火星上的二氧化碳和水冰资源在火星上就地制造低温推进剂（阿什等人，1978年）。一些最新研究关注可储存的推进剂，如高浓度过氧化物（>85% H?O?）和绿色液体燃料（克鲁耶等人，2021年；刘易斯，2016年）。无论是低温推进剂还是可储存推进剂，其在太空中生产都高度依赖于设计多步骤化学过程和在真实太空环境中运行复杂反应系统的能力。然而，目前的基于太空的化学工程研究大多局限于有限的应用领域，例如在防护良好的空间站中进行的水电解和废水处理。在真实太空环境中开发推进剂工厂所需的基础化学工程知识和技术仍大多未被探索。因此，在本文中，我们将确定合适的推进剂及其在太空中的合成途径，并讨论太空环境带来的主要挑战。我们将提出从反应到系统层面的关键技术，以支持太空中推进剂工厂的建设。更重要的是，本文将突出将这些基于地球的技术转移到太空所面临的基础科学问题和工程缺口，呼吁化学工程、航天工程及相关领域加强合作。

章节摘录

当前加注体系的局限性及解决方案

当前的航天器加注方案基于在轨加注体系（马利赫等人，2022年）。在这种体系中，基于肼的推进剂是近期的主要选择，因为它们的推进系统非常成熟且广泛应用于高价值卫星（布姆布拉等人，2022年）。此外，深空任务也成为重要推动力。SpaceX和Blue Origin开发的加注方案主要集中在低温推进剂上，特别是Starship使用的LCH?/LOX和LH?推进剂。

每种推进剂在安全性、可持续性、储存性和性能方面都有优缺点。本文研究了七种典型的低温和可储存化学推进剂，包括LCH?/LOX、LH?/LOX、HTP、基于肼的推进剂、基于HAN的推进剂以及液态NOx推进剂（见表1）。 其中，低温推进剂在推进性能、可持续性和成本方面具有显著优势。它们的在轨加注方案

太空中推进剂制造体系可根据推进剂工厂的部署位置进行分类，即在地外行星表面或行星轨道上（见图3）。这两种体系都面临着极端太空环境的挑战，包括微重力、极端的温度波动、辐射暴露、真空和尘埃环境。此外，太空中的劳动力限制和能源约束也是一大问题。

最近，基于地球的反应技术在可持续性、效率和智能化方面的快速进步为太空中推进剂制造奠定了关键技术基础。现在是确定有前景的技术并规划未来研究方向的合适时机。基于上述挑战，本文提出了太空中推进剂制造的有前景的技术方向。

尽管有这些前瞻性的技术讨论，但我们对于在太空中设计复杂化学制造系统的了解仍然非常有限。要取得进一步的进展，需要化学工程、航空航天工程及相关领域之间的更多跨学科合作。特别是，大多数适用于太空的可持续反应涉及多相过程，因此短期关键目标之一是从机制上理解微重力如何影响这些过程。

本文从化学工程的角度探讨了太空中推进剂制造的问题。提出了有前景的技术范式，包括可持续的反应技术，为将可获取的空间原料转化为绿色推进剂提供了可行路径。微结构化学反应器为这一过程提供了基础设备，基于此，工艺设计可以进一步利用太空环境的独特优势。此外，受航天器启发的技术也为推进剂制造提供了新的思路。

梁萧：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、研究、概念化。 王慧志：撰写——审阅与编辑、资金筹集、概念化。 宣进：撰写——审阅与编辑。

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究成果。

作者感谢工程与物理科学研究委员会（项目编号EP/W03722X/1）的支持。作者感谢英国航天局首席科学家亚当·阿马拉教授提出的建设性意见和建议。为确保开放获取，作者采用了“知识共享署名（CC BY）许可证”（如UKRI允许的情况，也可使用“开放政府许可证”或“知识共享署名-禁止演绎（CC BY-ND）许可证”）。

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