“太空加油”新技術(shù)

編者按：2016年底，美國(guó)宇航局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，簡(jiǎn)稱(chēng)“Restore-L”。這讓原本存在于科幻小說(shuō)中的飛船太空加油的場(chǎng)景，有望走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

燃料多少?zèng)Q定使用期限

一顆人造衛(wèi)星的服役壽命取決于多種因素：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)星上電源、姿態(tài)控制和通訊等系統(tǒng)互相關(guān)聯(lián)，隨便哪一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障都會(huì)造成衛(wèi)星壽命的終止；三是遇上隕石或太空垃圾撞擊意外等事故，會(huì)立馬結(jié)束衛(wèi)星的壽命；四是攜帶的燃料量，直接影響其使用期限。

對(duì)于人造衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，一方面載荷每多出一點(diǎn)兒，就要增加額外的火箭燃料。這不但增加發(fā)射成本，而且大幅增加發(fā)射出錯(cuò)的可能性，因此，衛(wèi)星發(fā)射必須斤斤計(jì)較，能省則省。另一方面，雖然衛(wèi)星上都安裝著太陽(yáng)能帆板電池，但仍需要消耗燃料來(lái)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”，確保衛(wèi)星安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

維持軌道需要攜帶足夠的燃料，但控制整體質(zhì)量又不能“超標(biāo)”，這兩項(xiàng)因素加起來(lái)，讓人造衛(wèi)星的設(shè)計(jì)面臨著兩難的境地。有些衛(wèi)星完好無(wú)損，但因?yàn)槿剂虾谋M無(wú)法繼續(xù)在軌運(yùn)行，有的脫離軌道進(jìn)入大氣層被焚毀或與其他航天器相撞。

現(xiàn)在圍繞地球軌道運(yùn)行的太空垃圾已經(jīng)越來(lái)越多，許多都是人造衛(wèi)星產(chǎn)生的。

其中包括已廢棄的衛(wèi)星本體、火箭殘骸、衛(wèi)星碎片、散落的零件和爆炸后產(chǎn)生的碎片等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，直徑大于1厘米的空間碎片數(shù)量超過(guò)11萬(wàn)個(gè)，而大于1毫米的空間碎片多達(dá)30余萬(wàn)個(gè)?，F(xiàn)在有4 500多噸太空垃圾殘留在軌道上，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)星通常造價(jià)數(shù)億美元，有的高達(dá)幾十億美元。如果能夠在太空為其補(bǔ)加燃料，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益將十分可觀。測(cè)算表明，給靜止軌道上的衛(wèi)星補(bǔ)給60千克燃料，即可延長(zhǎng)12個(gè)月壽命。所以，衛(wèi)星在軌加油一直是國(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，就得設(shè)計(jì)安裝加注系統(tǒng)，這也會(huì)占用一定的衛(wèi)星有效載荷。其次，給衛(wèi)星補(bǔ)加燃料，成本可能比重新發(fā)射一顆衛(wèi)星低不了多少，而且還會(huì)面臨交會(huì)對(duì)接以及加注過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生意外將損失更重。

雖然目前“太空加油”計(jì)劃看上去困難重重，但未來(lái)的應(yīng)用價(jià)值不可低估，值得關(guān)注與期待。

“太空加油”技術(shù)一旦被廣泛采用，將會(huì)對(duì)后續(xù)衛(wèi)星和飛船等航天器的設(shè)計(jì)理念有所突破，太空開(kāi)發(fā)的成本也將有效降低，同時(shí)還能有效減少太空垃圾的數(shù)量。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)，甚至可以服務(wù)于未來(lái)的行星防御和大型軌道結(jié)構(gòu)的安裝。

“Restore-L”負(fù)責(zé)補(bǔ)充燃料

“Restore-L”無(wú)人航天器可為衛(wèi)星補(bǔ)充燃料，它將裝配一條靈巧的機(jī)械手臂，這樣它不但能補(bǔ)充燃料，而且在必要的時(shí)候能夠執(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，意味著衛(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)，能夠明顯降低成本。

美國(guó)宇航局預(yù)計(jì)，于2020年“Restore-L”將發(fā)射升空，投入使用。

1999年4月15日發(fā)射升空的美國(guó)“陸地衛(wèi)星-7”是美國(guó)陸地探測(cè)衛(wèi)星系列衛(wèi)星，將成為“Restore-L”的首個(gè)用戶?！瓣懙匦l(wèi)星-7”裝備了一種增強(qiáng)型專(zhuān)題制圖儀，能夠被動(dòng)感應(yīng)地表反射的太陽(yáng)輻射和散發(fā)的熱輻射。它每天能夠捕獲和傳輸多達(dá)532張地球的照片，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)移至它所在軌道附近，用機(jī)械臂將其牢牢抓住，加完油之后再釋放和重置。通過(guò)軌道燃料加注，“陸地衛(wèi)星-7”的工作周期就會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)最初的設(shè)計(jì)。

一旦“Restore-L”成功運(yùn)行，衛(wèi)星發(fā)射的相關(guān)成本將會(huì)明顯降低。因?yàn)榘l(fā)射時(shí)衛(wèi)星再也不必運(yùn)輸沉重的燃料，也不需要從一開(kāi)始就攜帶所有的設(shè)備，可以通過(guò)發(fā)射“Restore-L”定期補(bǔ)充燃料?？茖W(xué)家設(shè)想，未來(lái)的某一天甚至有可能讓一個(gè)巨大的“燃料罐”在地球軌道中運(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。另外，像“Restore-L”這樣的專(zhuān)門(mén)航天器可以協(xié)助修理衛(wèi)星或是轉(zhuǎn)移現(xiàn)有衛(wèi)星的軌道，讓許多老舊的衛(wèi)星有可能重獲新生。這不但能大幅度縮減發(fā)射成本，還可以減少太空垃圾的數(shù)量。endprint