在軌加注技術

在軌加注技術

在軌加注技術通俗地講就是“太空加油”,2016年6月25日,中國以提高空間在軌服務能力。

基本信息

實現時間

太空加油機長征七號發射
2016年6月25日開始,在對綠色火箭、上面級、縮比返回艙和遨龍一號飛行器進行專業分析後,今日的關注焦點轉移到在軌加注實驗裝置上,這也是長征七號專題針對有效載荷的最後一篇專業分析。

在軌加注技術通俗地講就是“太空加油”,但是受空間條件所限,在軌加注存在特有的技術風險與成本制約。此次在軌加注實驗裝置的發射表明,中國正在緊跟在軌服務這一前沿的空間技術,以提高空間在軌服務能力。

原理

衛星為何需要“太空加油”?

衛星的服役壽命取決於多種因素,但往往主要取決於動力因素。衛星的動力主要來源於兩個方面,一是自身從地球攜帶的燃料,二是太陽能電池板。雖然太空飛行器一般都安裝著太陽能帆板電池,但由於要長期在軌運行,衛星還是需要消耗燃料來進行軌道維持、誤差修正、調整姿態以及應急變軌等“動作”。

當前,隨著技術的不斷成熟,衛星自身元器件的可靠性等綜合性能已經達到一個相當的高度,燃料就成為影響衛星服役壽命的重要瓶頸。

一般情況下,衛星、空間站太空飛行器被發射到軌道上,燃料耗盡或發生故障後就會被棄用。許多被棄用的衛星本身其實功能完好,但它們的命運已經注定,只能一圈圈地在軌道上運行,直到脫離軌道墜入大氣層,或者與其他太空飛行器相撞成為太空垃圾,最終“油盡燈枯”。因此,科研人員試圖通過研發軌道燃料加注的相關技術,以在未來對燃料耗盡的衛星進行補給,延長大量高價值的衛星、空間站等太空飛行器的飛行壽命,提高效費比。

此外,在軌加注服務還能夠顯著提升空間探測能力,減少運載器規模,降低任務成本,從而推動人類實現載人探火星、載人探小行星等載人深空探測夢想。

最早套用在軌加注技術的國家是蘇聯和美國。1978年,蘇聯“禮炮六號”空間站首次實現了在軌加注,目前,國際空間站已經成功進行多次在軌加注工作。

以往,在軌加注技術的主要對象是空間站等大型太空飛行器,近年來,針對尺寸相對較小的太空飛行器——衛星進行的在軌加注開始成為各國研究的熱點。目前,美國通過“軌道快車”等計畫進行了不少在軌加注實驗,其在軌加注技術走在世界先進前列。

中國急需在軌加注能力

中國對在軌加注也具有迫切需求,無論是未來空間站建設,還是衛星延壽,都需要在軌加注技術的支撐。

按計畫,從2018年起,中國將陸續發射空間站的核心艙實驗艙,2020年左右建成空間站,而空間站正常運行的條件之一就是掌握在軌加注技術(有人在軌加注技術)。不止如此,到2020年左右,中國在軌衛星數量將達到200顆左右,提升這些衛星的效益也需要掌握在軌加注技術(無人在軌加注技術)。然後在此基礎上,中國還可以適時研究在軌加注站技術,推動中國載人深空探測計畫的實施。

此次發射在軌加注實驗裝置是中國首次空間在軌加注試驗,相較於以往相關單位開展的關於在軌加注的理論研究、仿真分析和試驗研究,可以說這次試驗向實際套用前進了一大步。通過此次在軌加注試驗,可以對空間推進劑流量及質量測量、加注對接接口、流體傳輸、推進劑管理、空間精細化自主操作等方面開展試驗研究,探索和積累相關技術。

在軌加注技術具有廣泛套用前景,對於人類大規模、常態化的空間探索活動具有深遠影響,能夠為空間探索模式提供更多的選擇,對於降低航天運輸成本和任務風險、增強空間飛行器的任務適應性、延長空間飛行器的壽命都具有重要的作用。目前,美國在該領域相對領先,中國應加大研究投入,儘早掌握在軌加注技術。

技術與成本之間矛盾

一顆衛星的造價動輒數億美元,有的甚至更高,如果能夠在太空為其補加燃料,延長壽命,帶來的經濟效益將十分可觀。但問題是,以人類現在的技術條件和成本控制,給在軌運行的衛星補加燃料的成本,不見得比重新發射一顆衛星低多少。

此外,現在的衛星設計多以一次性使用為前提,實施補加燃料的可行性不大。今後發射的衛星如果需要進行在軌補加燃料,在設計之初就需要安裝一套較為複雜的加注系統,但這又會占用一定的衛星有效載荷。

而且,在軌補加燃料還要面臨交會對接以及加注過程中存在的風險,一旦發生意外,損失也將是不可估量的。儘管從技術層面上說,人類目前已經掌握的交會對接、空間機械臂等技術,能夠支持我們完成太空加油的任務。但是,航天活動一直是一項高風險活動,其風險控制方面還有待加強,尤其是加注過程中容易發生的燃料泄漏等危險,不僅會導致加註失敗,甚至還會導致衛星失效。

不過,雖然在軌加注目前看上去存在一些困難,但其未來多方面的套用價值是可以預見的。除了給衛星延壽外,衛星在軌燃料加注技術還將推動先進的自動交會對接系統、機械臂等捕獲裝置的研發,而後者在未來可以為行星防禦、大型軌道結構的安裝等進行服務。此外,在軌燃料加注技術一旦被廣泛採用,將會對後續衛星、飛船等太空飛行器的設計理念有所突破,太空開發的成本也將有效降低,同時還能有效減少太空垃圾的數量。

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