國外在軌燃料加注站構(gòu)型研究

唐 瓊 焉 寧 張 烽 （中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

國外在軌燃料加注站構(gòu)型研究

唐 瓊 焉 寧 張 烽 （中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

The Assessment of Foreign On-Orbit Propellant Depot Configuration

1 前言

在軌燃料加注站通俗來講就是一個建造在空間的推進劑儲藏室，其圍繞地球或其他星體軌道運行，為太空中的飛行器或飛行器轉(zhuǎn)移級加注燃料。根據(jù)燃料補給類型或空間建造位置的不同，可以提出許多不

同的加注站概念。

在軌燃料加注站支撐各空間探測任務(wù)示意圖

在軌燃料加注站除了能夠提供推進劑的補給功能外，還具有提供推進劑的空間貯存功能。此外，還可以為航天器的在軌維修和升級提供支撐，為乘員提供補給，為加注站和航天器之間的載荷交換提供平臺。

2 在軌燃料加注站概念研究

由于人類的空間探測需求不斷增加，特別是高軌任務(wù)和深空任務(wù)將越來越頻繁，空間運輸變得越來越像地面運輸，在軌燃料加注站變成像汽車加油站一樣，在空間給空間運輸系統(tǒng)進行在軌加注，空間運輸系統(tǒng)將重復(fù)執(zhí)行空間各目的地之間的運輸任務(wù)，而不用回到地面加注推進劑，這樣將大大簡化未來整個空間運輸系統(tǒng)模式，增強航天運輸系統(tǒng)的能力，降低整個航天運輸系統(tǒng)規(guī)模，同時大大改變空間探測任務(wù)模式。

早在20世紀(jì)70年代，美國國家航空航天局（NASA）就開展了在軌燃料加注站的研究，那時的研究目的是為一種長期在軌可重復(fù)使用的空間轉(zhuǎn)移運輸器提供燃料補給。另外，美國國家航空航天局在開發(fā)“國際空間站”的時候，也把在軌燃料加注站作為空間目標(biāo)任務(wù)之一，并進行了推進劑在軌貯存與傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)的研究，開展了大量設(shè)計、仿真和地面試驗。

2005年，美國國家航空航天局馬歇爾航天飛行中心（MSFC）研究表明，在軌燃料加注站將是提供空間服務(wù)、在近地空間及以遠空間任務(wù)對推進劑利用的一大里程碑，并給出2個在軌燃料加注站的初步構(gòu)型設(shè)計。2006年，進一步明確了空間低溫推進劑加注站的體系和概念，開展了方案研究，明確了技術(shù)發(fā)展需求，并做出了評估。

為后續(xù)開展載人小行星/火星等探測任務(wù)，美國國家航空航天局將“低溫推進劑在軌貯存與傳輸”（CryoSTAT）列為重點任務(wù)，并制定了詳細的分步驟演示驗證與技術(shù)攻關(guān)路線。首先開展“低溫推進劑在軌試驗驗證”（CRYOTE）任務(wù)，該任務(wù)分為三部分。首先用1.5～2年的時間，耗資5000萬～2億美元完成2個飛行演示任務(wù)，分別是CRYOTE Lite和CRYOTE Pup，這2個任務(wù)都聯(lián)合“半人馬座”（Centaur）火箭上面級開展關(guān)鍵技術(shù)的突破，CRYOTE Lite在軌演示17h；在CRYOTE Lite和CRYOTE Pup關(guān)鍵技術(shù)驗證后，開展“CRYOTE自由飛行器”（CRYOTE Free Flyer）作為獨立飛行器，進行在軌1年的綜合驗證，耗資1.5億～2億美元。CRYOTE計劃的實施是對美國國家航空航天局重要任務(wù)的重要支撐。

“低溫推進劑在軌試驗驗證”任務(wù)支撐美國國家航空航天局重點任務(wù)路線圖

3 在軌燃料加注站構(gòu)型研究

在軌燃料加注站的構(gòu)型具有多種可能性，在以往的研究中已經(jīng)提出過的構(gòu)型大概有12種。

本文將采用下述七項評估標(biāo)準(zhǔn)對這12種在軌燃料加注站的構(gòu)型進行評估。

評估標(biāo)準(zhǔn)一：貯箱開發(fā)成本。貯箱開發(fā)成本涉及投資資金，設(shè)計貯箱要求所需的資金越少越好。對現(xiàn)有貯箱進行少量改進就能使用屬于開發(fā)成本低；對現(xiàn)有貯箱進行大量改進才能使用屬于開發(fā)成本適中；研制新型貯箱屬于開發(fā)成本高。

評估標(biāo)準(zhǔn)二：發(fā)射組裝次數(shù)。發(fā)射組裝次數(shù)是一個定量標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)射組裝次數(shù)越少越好。發(fā)射次數(shù)為1～3次屬于較好，4～7次屬于適中，多于7次屬于較差。

評估標(biāo)準(zhǔn)三：裝配簡易性。裝配涉及如何在軌簡易裝配加注站，裝配越簡易越好。若一個單獨的貯箱僅需要很簡單的在軌裝配最好。若僅要求結(jié)構(gòu)和電連接屬于簡易裝配；若要求結(jié)構(gòu)、電和流體連接屬于適中裝配；若要求結(jié)構(gòu)、電、流體集成連接裝配屬于難度大裝配。

評估標(biāo)準(zhǔn)四：實施復(fù)雜性。實施復(fù)雜性指加注站在軌所需要開展的操作。單點?？浚幼⒄静贿M行旋轉(zhuǎn)屬于簡單操作；單點停靠、加注站不進行旋轉(zhuǎn)但存在液體貯箱更換屬于適中操作；復(fù)雜?？繖C動、加注站旋轉(zhuǎn)和液體貯箱更換則屬于復(fù)雜操作。

評估標(biāo)準(zhǔn)五：熱防護性能。熱防護性能主要考慮加注站長期在軌貯存的難易，這涉及到表面積與質(zhì)量的比率和綜合熱控的難易。這里設(shè)定表面積質(zhì)量比小于10000屬于較好，大于10000屬于適中。對于長期在軌貯存而言，串聯(lián)的硬件設(shè)備的熱防護性能將更差（如構(gòu)型4）。

評估標(biāo)準(zhǔn)六：推進劑管理裝置（PMD）復(fù)雜性。其復(fù)雜性的評定完全基于所需推進劑管理裝置的數(shù)量。這與所用貯箱的數(shù)量一致，在推進劑管理裝置復(fù)雜性方面，貯箱越少越好。推進劑管理裝置為2個或2個以下最好，3～8個適中，多于8個則較差。

供參考的12種加注站構(gòu)型

評估標(biāo)準(zhǔn)七：微小軌道碎片（MMOD）風(fēng)險。其風(fēng)險涉及微流星體碰撞概率，以加注站在每平方米中暴露的平均表面積作為評估標(biāo)準(zhǔn)。暴露表面積小于158m2屬于較好，介于158～185m2之間屬于適中，大于185m2則屬于較差。

評估結(jié)果用不同的顏色表示，綠色表示較好，黃色表示適中，紅色表示較差，藍色表示最好（比其他顏色更好）。

從在軌燃料加注站構(gòu)型評估表可以看出，①構(gòu)型5和構(gòu)型11都是只有1個紅色，優(yōu)于其他構(gòu)型。其中，構(gòu)型5有1個藍色，5個綠色，構(gòu)型11有6個黃色，所以構(gòu)型5優(yōu)于構(gòu)型11。②構(gòu)型1～3、構(gòu)型7～10和構(gòu)型12都是有2個紅色，其中，構(gòu)型1和構(gòu)型12有3個綠色，2個黃色，也屬于比較好的構(gòu)型。③構(gòu)型5和構(gòu)型12都要新研貯箱，需要較多的貯箱開發(fā)成本。而且，構(gòu)型5的貯箱大小還將受限于目前運輸系統(tǒng)的運載能力。經(jīng)過對比分析，得出的較優(yōu)構(gòu)型是構(gòu)型11，其后是構(gòu)型1。

加注站構(gòu)型評估表

經(jīng)過以上綜合比較，構(gòu)型11被優(yōu)選出來作為參考構(gòu)型進行分析。采用構(gòu)型11作為在軌燃料加注站的構(gòu)型，可以提出多種推進劑在軌加注系統(tǒng)的運作構(gòu)想。

以構(gòu)型11為基礎(chǔ)的在軌燃料加注站系統(tǒng)組成

發(fā)射在軌燃料加注站示意圖

4 結(jié)語

隨著人類對空間利用和探索的需求不斷擴大，以及航天事業(yè)的不斷發(fā)展，國際上一直在開展在軌燃料加注站的相關(guān)研究，特別是美國，在其重返月球計劃及載人登陸小行星和載人火星探測任務(wù)模式的研究中，都開展了在軌燃料加注站的任務(wù)模式研究。美國各研究機構(gòu)瞄準(zhǔn)未來大規(guī)模和頻繁的空間探測任務(wù)，同時也在開展大量的基于在軌燃料加注站的空間探測任務(wù)構(gòu)架分析，以及加注站本身方案對比分析和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。研究表明，空間低溫推進劑加注站系統(tǒng)對于美國國家航空航天局的空間探索系統(tǒng)具有重要的意義?？臻g軌道轉(zhuǎn)移飛行器在推進劑加注站上的補給加注能夠支撐美國國家航空航天局的月球探索等深空探測計劃，并為載人探測火星提供一種可能。對于月球探測任務(wù)采用在軌燃料加注站模式，能夠?qū)崿F(xiàn)有效載荷規(guī)模增加到原來的2.5倍以上，并能夠為采用化學(xué)推進劑實現(xiàn)載人探測火星提供可能；而實現(xiàn)相同的任務(wù)目標(biāo)，運載火箭規(guī)模能夠降低50%以上。

位于低地球軌道的在軌燃料加注站運作概念圖

地球出發(fā)級在燃料加注站進行燃料補給示意圖

在軌燃料加注站的應(yīng)用不僅可以給空間運輸系統(tǒng)進行必要的補給，完成各類空間探測活動，另外，還可以對在軌衛(wèi)星等飛行器進行補給，延長飛行器壽命，提高在軌服務(wù)能力。在軌燃料加注站作為一種有效的空間探測任務(wù)的選擇模式，具有潛在的巨大優(yōu)勢，有必要開展相關(guān)研究，為未來空間探測任務(wù)，特別是載人月球/火星探測等大規(guī)模的深空探測任務(wù)，提供任務(wù)模式的選擇。

在軌燃料加注站作為空間運輸系統(tǒng)新的組成部分，能夠有效提高運載火箭的運載能力，實現(xiàn)更大規(guī)模的空間探測任務(wù)，有效滿足更多的空間探測任務(wù)需求。在軌燃料加注站具有漸進式的開發(fā)過程、高飛行率、重復(fù)使用率以及多目的/多用途等特性，值得將它作為人類開發(fā)太空的一項長期活動進行下去。本文首先對在軌燃料加注站的構(gòu)型進行了研究和評估，之后對在軌燃料加注站的在軌運作系統(tǒng)開展初步構(gòu)想設(shè)計。