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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

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太空加油知多少

2017-06-26 10:37:00

李忠东

 

2016126日,美国宇航局(NASA)宣布正在研制一种可为在轨运行卫星提供燃料的新型航天器——“Restore- L Spacecraft Bus”(简称 Restore-L)。它的作用就像一个可移动的“太空加油站”,能够自主与在低轨道上运行的卫星对接,进行轨道燃料加注,使燃料即将耗尽的卫星延寿,避免过早“油尽灯枯”。 

燃料多少决定使用期限

一颗人造卫星服役寿命的长短取决于多种因素:一是轨道高度,运行轨道越高,受空气阻力的影响越小,寿命越长;二是设计寿命,卫星的电源系统、姿态控制系统和通讯系统等互相关联,无论哪一个系统发生故障都会造成卫星寿命中止;三是意外因素,一旦遇上陨石或太空垃圾撞击等意外事故,卫星就极有可能立即夭折; 四是携带的燃料,随着技术的不断成熟,卫星本身元器件的可靠性和性能越来越高,但携带的燃料非常有限,直接影响其使用期限。

对于人造卫星来说,载荷每多出一点,就要增加额外的火箭燃料才能把它送到相同的轨道。 这不但意味着发射成本更高,而且有可能为了额外的重量而增加助推器或其他结构,大幅增加发射出错的可能性。因此,将卫星发射到太空必须“斤斤计较”,能省则省。 此外, 虽然卫星上都安装着太阳能帆板电池,但由于要长期在轨运行,还是需要消耗燃料来进行轨道维持、误差修正、调整姿态以及应急变轨等“动作”,确保不会因为地球重力不均匀、太阳风、上层大气的阻力等各种微小的因素导致卫星发生偏移。

为了轨道维持需要携带足够的燃料,但又得控制卫星整体不能“超重”,让人造卫星设计工作面临着两难境地。有些卫星本身性能、元器件都完好无损,仅仅是因为燃料耗尽后无法继续在轨运行,就只能脱离轨道进入大气层焚毁或与其他航天器相撞,形成大量的太空垃圾。 现在围绕地球轨道运行的太空垃圾越来越多,其中许多都是人造卫星产生的。 比如,美国于1958年发射的“尖兵1号”人造卫星报废后至今仍在其轨道上运行,是轨道上现存历史最长的太空垃圾。 这些为数众多的残骸垃圾对空间环境是一种污染,也增加了宇宙航行等空间活动的危险性。

一颗人造卫星造价数亿美元,有的甚至高达几十亿美元,如果仅因燃料耗尽就要报废,着实划不来。如果能够在太空为其补加燃料, 由此带来的经济效益将十分可观。 测算表明,为处于静止轨道上的卫星每补给60 千克燃料,即可延长寿命12个月。正因如此,卫星在轨加注燃料一直是国际航天领域的研究热点。

然而“太空加油”毕竟是一大技术难题。 首先,现在的卫星设计都是以一次性使用为前提的,补加燃料的可行性不大。 今后的卫星如果需要进行在轨补加燃料, 在设计之初就需要安装一套较为复杂的加注系统,这也会占用一定的卫星有效载荷。 其次,限于目前的技术条件和成本控制能力,给在轨运行的卫星补加燃料,其成本可能比重新发射一颗卫星低不了多少,而且在交会对接以及加注过程中一旦发生意外将损失惨重。

虽然目前看来“太空加油”计划困难重重,但未来的应用价值绝不可低估,值得我们关注与期待。 仅仅从技术成熟性和安全可靠性来说,解决这一技术难题只是时间问题。卫星在轨加注燃料需要先进的自动交会对接系统和空间机械臂类的捕获装置, 目前人类已经掌握了这些技术。问题的关键在于如何加强风险控制,尤其是怎样避免加注过程中燃料容易发生泄漏等潜在的风险。

但是,毕竟“太空加油”技术一旦被广泛采用,将会大大改变未来卫星和飞船等航天器的设计理念,太空开发的成本也将有效降低,同时还能减少太空垃圾的数量。 此外,先进的自动交会对接系统和空间机械臂捕获技术,还可以服务于未来的行星防御和大型轨道结构的安装。 

添加燃料延长使用期限

近年来, NASA提出了一系列雄心勃勃的太空探索计划——让宇航员于2025年登上小行星,于2030年登上火星……然而宇航员登陆小行星往返至少需要6个月,登陆火星所需时间则更长。 目前所有航天器能够携带的燃料都无法完成如此长时间的飞行,必须在地球轨道或其他星球(如月球)上建立“太空加油站”,为航天器补充燃料。 NASA称太空加油站为“油库”,可以给飞往月球、小行星或火星的飞行器重新补充燃料。与研发新火箭发射系统相比,打造太空加油站能够节省800亿美元(约合5559亿元人民币)。

NASA 的一些研究小组致力于研究轨道燃料加注项目,期望使用陆基远程机器人转移氧化剂测试项目中所取得的技术成果, 以及应用基于国际空间站的机器人加油任务示范,来开发出能在空间进行燃料补给的卫星。 它一旦成功,就能增强地面对在轨卫星的服务能力。

研究人员在地面卫星燃料的转移测试中,全程模拟卫星所处的轨道环境,其中甚至包括压力的流量。 科学家通过机器人测试如何安全地转移氧化剂,在此之前,从来没有人测试过此种类型的氧化剂转移。 另外,他们还进行了机器人加油任务示范,对通过卫星燃料阀接口为在轨卫星提供服务的可能性进行了验证。

卫星上通常使用的氧化剂是四氧化二氮,这是一种非常危险的化学物质,有毒性,腐蚀性强,在转移过程中必须非常小心,稍有不慎就会导致加注失败,甚至造成卫星失效。

201 18月, NASA将备受瞩目的“太空加油站”项目列入计划。 该项目投资240万美元(约合1668万元人民币),侧重于查找现有技术的缺失,并对相关技术进行追踪和培育,最终通过飞行任务对相关成果进行测试和筛选。 NASA与分析力学联合公司、鲍尔航天科技公司、波音公司和洛克希德·马丁空间系统公司签订了研发合同,这4家公司都将参与确定相关的概念,并就如何在太空中储存和运输燃料展开研究。

建设“太空加油站”绝非易事。目前的火箭推进燃料都需要在低温下保存,稍有不慎,就有可能导致燃料汽化,造成重大安全事故。有科学家指出,能否以最小的汽化损失将液态氢和液态氧这一类低温推进剂进行长时间保存,将是决定人类能否实现深空探索的关键。

为了实现这一目标,在“阿特兰蒂斯号”航天飞机的最后一次飞行任务中, NASA研究人员特意对机器人加油任务进行了测试。 他们将一个卫星模型安装在了国际空间站的两臂机器人“德克斯特” (Dextre)上。在此后的实验中,它在地面工作人员的指挥下,使用几种特殊工具完成了“填充”模拟燃油的测试。 NASA称,这项实验表明,宇航员有望在无需太空行走的条件下为航天器装载燃料。 

Restore-L负责补充燃料

根据 NASA的计划,打造 Re- store-L航天器的部分工作将交由总部设在美国加州的卫星制造商Space Systems LoralSSL)来完成。 不久前, NASA已经和该公司签订了一份1. 27亿美元(约合8. 83亿元人民币)的合同。 SSL公司的任务是在未来35年内建造可为卫星补充燃料的 Restore-L无人航天器,以及承担相关测试、发射与操作任务,并保持其正常运行。

至于“Restore-L”项目的管理,则由 NASA戈达德航天中心设立的卫星保养项目部负责。 该部副主任弗兰克·切波利纳表示:“Restore-L将有效打破一次性航天器的陈规,用新的方法管理、升级、延长成本高昂的在轨国家资产使用期限,为实现更具弹性、效率和成本效益的太空操作带来更多选择。”

按照计划, Restore-L将装配一条灵巧的机械手臂,保证它不仅能补充燃料,而且在必要的时候还能执行修理甚至是收集残骸的工作。 Restore-L飞船项目确定之后,新的卫星在设计时将考虑两者的兼容性,这意味着新的卫星将搭配简易的升级装备和简单的燃料补充系统。

NASA预计, Restore-L航天器将于2020年发射升空并投入使用,为卫星提供服务和补充燃料,而且,即使是那些设计时并未考虑过与 Re- store-L飞船进行对接的卫星也能够享受到相关服务, 延长工作寿命。

1999415日发射升空的美国“陆地卫星-7”是陆地探测系列卫星,它将成为 Restore-L无人航天器的首个服务用户。“陆地卫星-7”装备有“ETM+”,这是一种增强型专题制图仪,能够被动感应地表反射的太阳辐射和散发的热辐射。由于有8个波段的感应器,“陆地卫星-7”可以覆盖从红外到可见光的不同波长范围。 此外,它每天能够捕获和传输多达532 张地球照片,让科研人员获得连续的数据记录。 届时, Restore-L将自动移动至“陆地卫星-7”所在轨道附近,用机械臂将其牢牢抓住,加完油之后再释放、重置。  “陆地卫星- 7”的工作周期将会因此远超最初设计。

一旦 Restore-L无人航天器成功运行,卫星发射的相关成本就会明显降低。 在发射时,卫星再也不必装载沉重的燃料,也不需要一次性携带所有设备,这些都可通过 Restore-L 航天器补充运送。

科学家设想,未来的某一天甚至有可能让一个巨大的“太空燃料罐”在地球轨道运行,这样 Restore-L就能够在进行下一次燃料补给任务时到它那里加满燃料。 而且像 Re- store-L这些专门的航天器,甚至可以协助修理或是转移现有卫星的轨道,让许多老旧的卫星能够在其他地方以别的用途重获新生。 这不但能大幅缩减发射成本,还可减少太空垃圾的数量。

未来,当 Restore-L、“太空加油站”、“太空燃料罐”等都一一出现时,人类在太空的活动半径将会大大扩展,更深邃的宇宙空间也将被我们缓缓打开。 

太空垃圾

太空垃圾是指宇宙中已失去作用的人造天体,由世界各国发射的大约4600枚火箭所携带的6000颗人造卫星产生。 其中包括已废弃的卫星本体、被遗弃的运载火箭推进器残骸、仪表舱里掉出的防护罩壳,以及翻滚卫星上洒落的碎片 、散落的零件和爆炸后产生的碎片等。 据统计,现在太空上直径大于1厘米的空间碎片数量超过11万个,而大于1 毫米的空间碎片多达30余万个,共有4500多吨太空垃圾残留在地球轨道上。

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