太空加油知多少

李忠東

2016年12月6日，美國(guó)宇航局（NASA）宣布正在研制一種可為在軌運(yùn)行衛(wèi)星提供燃料的新型航天器——“Restore-L Spacecraft Bus”（簡(jiǎn)稱Restore-L）。它的作用就像一個(gè)可移動(dòng)的“太空加油站”，能夠自主與在低軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星對(duì)接，進(jìn)行軌道燃料加注，使燃料即將耗盡的衛(wèi)星延壽，避免過早“油盡燈枯”。

燃料多少?zèng)Q定使用期限

一顆人造衛(wèi)星服役壽命的長(zhǎng)短取決于多種因素：一是軌道高度，運(yùn)行軌道越高，受空氣阻力的影響越小，壽命越長(zhǎng)；二是設(shè)計(jì)壽命，衛(wèi)星的電源系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)等互相關(guān)聯(lián)，無論哪一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障都會(huì)造成衛(wèi)星壽命中止；三是意外因素，一旦遇上隕石或太空垃圾撞擊等意外事故，衛(wèi)星就極有可能立即夭折；四是攜帶的燃料，隨著技術(shù)的不斷成熟，衛(wèi)星本身元器件的可靠性和性能越來越高，但攜帶的燃料非常有限，直接影響其使用期限。

對(duì)于人造衛(wèi)星來說，載荷每多出一點(diǎn)，就要增加額外的火箭燃料才能把它送到相同的軌道。這不但意味著發(fā)射成本更高，而且有可能為了額外的重量而增加助推器或其他結(jié)構(gòu)，大幅增加發(fā)射出錯(cuò)的可能性。因此，將衛(wèi)星發(fā)射到太空必須“斤斤計(jì)較”，能省則省。此外，雖然衛(wèi)星上都安裝著太陽能帆板電池，但由于要長(zhǎng)期在軌運(yùn)行，還是需要消耗燃料來進(jìn)行軌道維持、誤差修正、調(diào)整姿態(tài)以及應(yīng)急變軌等“動(dòng)作”，確保不會(huì)因?yàn)榈厍蛑亓Σ痪鶆?、太陽風(fēng)、上層大氣的阻力等各種微小的因素導(dǎo)致衛(wèi)星發(fā)生偏移。

為了軌道維持需要攜帶足夠的燃料，但又得控制衛(wèi)星整體不能“超重”，讓人造衛(wèi)星設(shè)計(jì)工作面臨著兩難境地。有些衛(wèi)星本身性能、元器件都完好無損，僅僅是因?yàn)槿剂虾谋M后無法繼續(xù)在軌運(yùn)行，就只能脫離軌道進(jìn)入大氣層焚毀或與其他航天器相撞，形成大量的太空垃圾。現(xiàn)在圍繞地球軌道運(yùn)行的太空垃圾越來越多，其中許多都是人造衛(wèi)星產(chǎn)生的。比如，美國(guó)于1958年發(fā)射的“尖兵1號(hào)”人造衛(wèi)星報(bào)廢后至今仍在其軌道上運(yùn)行，是軌道上現(xiàn)存歷史最長(zhǎng)的太空垃圾。這些為數(shù)眾多的殘骸垃圾對(duì)空間環(huán)境是一種污染，也增加了宇宙航行等空間活動(dòng)的危險(xiǎn)性。

一顆人造衛(wèi)星造價(jià)數(shù)億美元，有的甚至高達(dá)幾十億美元，如果僅因燃料耗盡就要報(bào)廢，著實(shí)劃不來。如果能夠在太空為其補(bǔ)加燃料，由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益將十分可觀。測(cè)算表明，為處于靜止軌道上的衛(wèi)星每補(bǔ)給60千克燃料，即可延長(zhǎng)壽命12個(gè)月。正因如此，衛(wèi)星在軌加注燃料一直是國(guó)際航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

然而“太空加油”畢竟是一大技術(shù)難題。首先，現(xiàn)在的衛(wèi)星設(shè)計(jì)都是以一次性使用為前提的，補(bǔ)加燃料的可行性不大。今后的衛(wèi)星如果需要進(jìn)行在軌補(bǔ)加燃料，在設(shè)計(jì)之初就需要安裝一套較為復(fù)雜的加注系統(tǒng)，這也會(huì)占用一定的衛(wèi)星有效載荷。其次，限于目前的技術(shù)條件和成本控制能力，給在軌運(yùn)行的衛(wèi)星補(bǔ)加燃料，其成本可能比重新發(fā)射一顆衛(wèi)星低不了多少，而且在交會(huì)對(duì)接以及加注過程中一旦發(fā)生意外將損失慘重。

雖然目前看來“太空加油”計(jì)劃困難重重，但未來的應(yīng)用價(jià)值絕不可低估，值得我們關(guān)注與期待。僅僅從技術(shù)成熟性和安全可靠性來說，解決這一技術(shù)難題只是時(shí)間問題。衛(wèi)星在軌加注燃料需要先進(jìn)的自動(dòng)交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)和空間機(jī)械臂類的捕獲裝置，目前人類已經(jīng)掌握了這些技術(shù)。問題的關(guān)鍵在于如何加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)控制，尤其是怎樣避免加注過程中燃料容易發(fā)生泄漏等潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

但是，畢竟“太空加油”技術(shù)一旦被廣泛采用，將會(huì)大大改變未來衛(wèi)星和飛船等航天器的設(shè)計(jì)理念，太空開發(fā)的成本也將有效降低，同時(shí)還能減少太空垃圾的數(shù)量。此外，先進(jìn)的自動(dòng)交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)和空間機(jī)械臂捕獲技術(shù)，還可以服務(wù)于未來的行星防御和大型軌道結(jié)構(gòu)的安裝。

添加燃料延長(zhǎng)使用期限

近年來，NASA提出了一系列雄心勃勃的太空探索計(jì)劃——讓宇航員于2025年登上小行星，于2030年登上火星……然而宇航員登陸小行星往返至少需要6個(gè)月，登陸火星所需時(shí)間則更長(zhǎng)。目前所有航天器能夠攜帶的燃料都無法完成如此長(zhǎng)時(shí)間的飛行，必須在地球軌道或其他星球（如月球）上建立“太空加油站”，為航天器補(bǔ)充燃料。NASA 稱太空加油站為“油庫”，可以給飛往月球、小行星或火星的飛行器重新補(bǔ)充燃料。與研發(fā)新火箭發(fā)射系統(tǒng)相比，打造太空加油站能夠節(jié)省800億美元（約合5559億元人民幣）。

NASA的一些研究小組致力于研究軌道燃料加注項(xiàng)目，期望使用陸基遠(yuǎn)程機(jī)器人轉(zhuǎn)移氧化劑測(cè)試項(xiàng)目中所取得的技術(shù)成果，以及應(yīng)用基于國(guó)際空間站的機(jī)器人加油任務(wù)示范，來開發(fā)出能在空間進(jìn)行燃料補(bǔ)給的衛(wèi)星。它一旦成功，就能增強(qiáng)地面對(duì)在軌衛(wèi)星的服務(wù)能力。

研究人員在地面衛(wèi)星燃料的轉(zhuǎn)移測(cè)試中，全程模擬衛(wèi)星所處的軌道環(huán)境，其中甚至包括壓力的流量?？茖W(xué)家通過機(jī)器人測(cè)試如何安全地轉(zhuǎn)移氧化劑，在此之前，從來沒有人測(cè)試過此種類型的氧化劑轉(zhuǎn)移。另外，他們還進(jìn)行了機(jī)器人加油任務(wù)示范，對(duì)通過衛(wèi)星燃料閥接口為在軌衛(wèi)星提供服務(wù)的可能性進(jìn)行了驗(yàn)證。

衛(wèi)星上通常使用的氧化劑是四氧化二氮，這是一種非常危險(xiǎn)的化學(xué)物質(zhì)，有毒性，腐蝕性強(qiáng)，在轉(zhuǎn)移過程中必須非常小心，稍有不慎就會(huì)導(dǎo)致加注失敗，甚至造成衛(wèi)星失效。

2011年8月，NASA將備受矚目的“太空加油站”項(xiàng)目列入計(jì)劃。該項(xiàng)目投資240萬美元（約合1668萬元人民幣），側(cè)重于查找現(xiàn)有技術(shù)的缺失，并對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行追蹤和培育，最終通過飛行任務(wù)對(duì)相關(guān)成果進(jìn)行測(cè)試和篩選。NASA與分析力學(xué)聯(lián)合公司、鮑爾航天科技公司、波音公司和洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司簽訂了研發(fā)合同，這4家公司都將參與確定相關(guān)的概念，并就如何在太空中儲(chǔ)存和運(yùn)輸燃料展開研究。

建設(shè)“太空加油站”絕非易事。目前的火箭推進(jìn)燃料都需要在低溫下保存，稍有不慎，就有可能導(dǎo)致燃料汽化，造成重大安全事故。有科學(xué)家指出，能否以最小的汽化損失將液態(tài)氫和液態(tài)氧這一類低溫推進(jìn)劑進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間保存，將是決定人類能否實(shí)現(xiàn)深空探索的關(guān)鍵。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在“阿特蘭蒂斯號(hào)”航天飛機(jī)的最后一次飛行任務(wù)中，NASA研究人員特意對(duì)機(jī)器人加油任務(wù)進(jìn)行了測(cè)試。他們將一個(gè)衛(wèi)星模型安裝在了國(guó)際空間站的兩臂機(jī)器人“德克斯特” （Dextre）上。在此后的實(shí)驗(yàn)中，它在地面工作人員的指揮下，使用幾種特殊工具完成了“填充”模擬燃油的測(cè)試。NASA稱，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，宇航員有望在無需太空行走的條件下為航天器裝載燃料。

Restore-L負(fù)責(zé)補(bǔ)充燃料

根據(jù)NASA的計(jì)劃，打造Restore-L航天器的部分工作將交由總部設(shè)在美國(guó)加州的衛(wèi)星制造商Space Systems Loral（SSL）來完成。不久前，NASA已經(jīng)和該公司簽訂了一份1.27億美元（約合8.83億元人民幣）的合同。SSL公司的任務(wù)是在未來3～5年內(nèi)建造可為衛(wèi)星補(bǔ)充燃料的Restore-L無人航天器，以及承擔(dān)相關(guān)測(cè)試、發(fā)射與操作任務(wù)，并保持其正常運(yùn)行。

至于“Restore-L”項(xiàng)目的管理，則由NASA戈達(dá)德航天中心設(shè)立的衛(wèi)星保養(yǎng)項(xiàng)目部負(fù)責(zé)。該部副主任弗蘭克·切波利納表示：“Restore-L將有效打破一次性航天器的陳規(guī)，用新的方法管理、升級(jí)、延長(zhǎng)成本高昂的在軌國(guó)家資產(chǎn)使用期限，為實(shí)現(xiàn)更具彈性、效率和成本效益的太空操作帶來更多選擇。”

按照計(jì)劃，Restore-L將裝配一條靈巧的機(jī)械手臂，保證它不僅能補(bǔ)充燃料，而且在必要的時(shí)候還能執(zhí)行修理甚至是收集殘骸的工作。在Restore-L飛船項(xiàng)目確定之后，新的衛(wèi)星在設(shè)計(jì)時(shí)將考慮兩者的兼容性，這意味著新的衛(wèi)星將搭配簡(jiǎn)易的升級(jí)裝備和簡(jiǎn)單的燃料補(bǔ)充系統(tǒng)。

NASA預(yù)計(jì)，Restore-L航天器將于2020年發(fā)射升空并投入使用，為衛(wèi)星提供服務(wù)和補(bǔ)充燃料，而且，即使是那些設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮過與Restore-L飛船進(jìn)行對(duì)接的衛(wèi)星也能夠享受到相關(guān)服務(wù)，延長(zhǎng)工作壽命。

1999年4月15日發(fā)射升空的美國(guó)“陸地衛(wèi)星-7”是陸地探測(cè)系列衛(wèi)星，它將成為Restore-L無人航天器的首個(gè)服務(wù)用戶?！瓣懙匦l(wèi)星-7”裝備有“ETM+”，這是一種增強(qiáng)型專題制圖儀，能夠被動(dòng)感應(yīng)地表反射的太陽輻射和散發(fā)的熱輻射。由于有8個(gè)波段的感應(yīng)器，“陸地衛(wèi)星-7”可以覆蓋從紅外到可見光的不同波長(zhǎng)范圍。此外，它每天能夠捕獲和傳輸多達(dá)532張地球照片，讓科研人員獲得連續(xù)的數(shù)據(jù)記錄。屆時(shí)，Restore-L將自動(dòng)移動(dòng)至“陸地衛(wèi)星-7”所在軌道附近，用機(jī)械臂將其牢牢抓住，加完油之后再釋放、重置。 “陸地衛(wèi)星-7”的工作周期將會(huì)因此遠(yuǎn)超最初設(shè)計(jì)。

一旦Restore-L無人航天器成功運(yùn)行，衛(wèi)星發(fā)射的相關(guān)成本就會(huì)明顯降低。在發(fā)射時(shí)，衛(wèi)星再也不必裝載沉重的燃料，也不需要一次性攜帶所有設(shè)備，這些都可通過Restore-L航天器補(bǔ)充運(yùn)送。

科學(xué)家設(shè)想，未來的某一天甚至有可能讓一個(gè)巨大的“太空燃料罐”在地球軌道運(yùn)行，這樣Restore-L就能夠在進(jìn)行下一次燃料補(bǔ)給任務(wù)時(shí)到它那里加滿燃料。而且像Restore-L這些專門的航天器，甚至可以協(xié)助修理或是轉(zhuǎn)移現(xiàn)有衛(wèi)星的軌道，讓許多老舊的衛(wèi)星能夠在其他地方以別的用途重獲新生。這不但能大幅縮減發(fā)射成本，還可減少太空垃圾的數(shù)量。

未來，當(dāng)Restore-L、“太空加油站”、“太空燃料罐”等都一一出現(xiàn)時(shí)，人類在太空的活動(dòng)半徑將會(huì)大大擴(kuò)展，更深邃的宇宙空間也將被我們緩緩打開。