世界各国正在研究“太空加油站”

发布时间 : 2018-05-04     来源 : 中国运载火箭技术研究院新闻中心

  车辆燃油耗尽,只要到加油站加满油就能继续出发了,而在太空里运行的空间飞行器就没这么幸运了。当燃料耗尽,它们的寿命也就终结了。为解决这个问题,当前世界各国正在研究建“太空燃料加注站”,提高飞行器续航能力,延长寿命。



△太空燃料加注站进行燃料补给示意图


人类已实现“空中加油”


  据中国运载火箭技术研究院(以下简称“火箭院”)研发中心航天运输系统总体室设计师焉宁介绍,“空中加油”本身并不新鲜,目前俄罗斯、美国、中国等国家都已掌握。
  2017年,我国曾发射“天舟一号”货运飞船,成功为“天宫二号”空间实验室进行了3次推进剂补加试验。突破和掌握推进剂在轨补加技术,实现了空间推进领域的一次重大技术跨越,为我国空间站组装建造和长期运营扫清了能源供给上的障碍。


有了太空“加油站”,航天器轻松“跑长途”


  “空中加油”工程复杂、成本高,着眼未来深空探测及为航天器“延寿”需求,人类又开始研究建设更加便捷、经济的“太空燃料加注站”。
  焉宁介绍,如果把在轨加注比作一个油罐车为车辆加油的话,那么,“太空燃料加注站”就相当于地面的加油站,它的容量更大,可以重复多次为飞行器“加油”,从而延长飞行器寿命,提高其在轨服务能力。
  此外,当前运载火箭受规模和运载能力的限制,所携带的燃料有限,难以进行更深远的空间探测活动,而太空“加油站”则有望改变这一现状。
  “从北京往上海运一批货,沿途如果没有加油站,这辆车要想全程跑下来,可能要同时拉一个油罐,才能达到目的地,显然运输成本非常高。” 焉宁打了个比方,“运载器在太空里运货也是一样,如果目的地很远,客观上要求它拥有超大的贮箱,装超多的燃料。而如果太空里也有‘加油站’,就不用携带那么多的燃料,当燃料快耗尽时,只要及时到‘加油站’补加就行。这样,不仅技术难度降低了,成本也会减少很多。”
  焉宁介绍,“太空加油站”的功能不仅局限于“空中加油”,就像支付宝、微信改变人们的支付习惯一样,它还将改变现有的空间运输整体布局。它可服务于多个不同的空间任务,将一个长距离运输任务分解成若干段,利用现有的航天技术和设施,就能完成难度更大的任务。
  “目前,都是点对点的单一运输,运一次就结束,而有了加注站以后,各地与加注站就连成了一个网络”。焉宁说,“就像有了加油站,车辆不管从哪里来、到哪去、去多远,都可以放心行驶,将来,太空里的各种航天器也可以这样。”


国际上提出三类“太空加油站”


  上世纪70年代以来,NASA相关研究机构和高校面向月球探测、火星探测等深空探测任务,以及重返月球、载人登小行星和载人火星探测计划,开展了大量在轨加注站的方案设计和关键技术攻关工作。
  目前,国际上已提出12种太空燃料加注站的结构构想,根据任务和发展阶段不同,主要有三种类型。
  第一种是在某一个固定的近地轨道建加注站,这一想法来源于最简单的地面加油站的概念,当飞行器有需要时,到“站”加油即可。



△固定的近地轨道加注站概念的操作流程


  第二种是基于轨道拖船的近地轨道加注站。当飞行器因“燃油”耗尽而“抛锚”时,轨道拖船就像地面的拖车一样,将其拖到加注站附近,进行燃料补给。这种方式因轨道拖船要先后与飞行器、加注站交会对接,因而更加复杂。
  前两种构想主要为近地空间、中高轨及地球同步轨道的航天器提供在轨补加服务。



△基于轨道拖船的近地轨道加注站概念的操作流程


  第三种是“地月拉格朗日L1点”加注站。“拉格朗日L1点”是位于地球和月球之间的一个引力平衡点,加注站在这个点附近的区域内运行所消耗的燃料最少,这样就可以将更多的燃料留给有需要的飞行器。这种模式主要针对探月、探火等深空探测任务,飞行器在执行任务时,可再次“加油”后,去往更遥远的太空。其推进剂补给方式与近地轨道加注站相同。
  焉宁介绍,无论是未来空间站建设,还是卫星延寿,我国对太空燃料加注站也有迫切需求。因此,目前我国正在加快这方面的研究。


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