“太空加油”新技術

編者按：2016年底，美國宇航局宣布正在研制一種可為在軌運行衛星提供燃料的新型航天器，簡稱“Restore-L”。這讓原本存在于科幻小說中的飛船太空加油的場景，有望走進現實。

燃料多少決定使用期限

一顆人造衛星的服役壽命取決于多種因素：一是軌道高度，運行軌道越高，受空氣阻力的影響越小，壽命越長；二是設計壽命，衛星上電源、姿態控制和通訊等系統互相關聯，隨便哪一個系統出現故障都會造成衛星壽命的終止；三是遇上隕石或太空垃圾撞擊意外等事故，會立馬結束衛星的壽命；四是攜帶的燃料量，直接影響其使用期限。

對于人造衛星來說，一方面載荷每多出一點兒，就要增加額外的火箭燃料。這不但增加發射成本，而且大幅增加發射出錯的可能性，因此，衛星發射必須斤斤計較，能省則省。另一方面，雖然衛星上都安裝著太陽能帆板電池，但仍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”，確保衛星安全運轉。

維持軌道需要攜帶足夠的燃料，但控制整體質量又不能“超標”，這兩項因素加起來，讓人造衛星的設計面臨著兩難的境地。有些衛星完好無損，但因為燃料耗盡無法繼續在軌運行，有的脫離軌道進入大氣層被焚毀或與其他航天器相撞。

現在圍繞地球軌道運行的太空垃圾已經越來越多，許多都是人造衛星產生的。

其中包括已廢棄的衛星本體、火箭殘骸、衛星碎片、散落的零件和爆炸后產生的碎片等。據統計，直徑大于1厘米的空間碎片數量超過11萬個，而大于1毫米的空間碎片多達30余萬個?，F在有4 500多噸太空垃圾殘留在軌道上，這些為數眾多的殘骸垃圾對空間環境是一種污染，也增加了宇宙航行等空間活動的危險性。

一顆人造衛星通常造價數億美元，有的高達幾十億美元。如果能夠在太空為其補加燃料，帶來的經濟效益將十分可觀。測算表明，給靜止軌道上的衛星補給60千克燃料，即可延長12個月壽命。所以，衛星在軌加油一直是國際航天領域的研究熱點。

然而“太空加油”畢竟是一大技術難題。首先，現在的衛星設計都是以一次性使用為前提的，補加燃料的可行性不大。今后的衛星如果需要進行在軌補加燃料，就得設計安裝加注系統，這也會占用一定的衛星有效載荷。其次，給衛星補加燃料，成本可能比重新發射一顆衛星低不了多少，而且還會面臨交會對接以及加注過程中的風險，一旦發生意外將損失更重。

雖然目前“太空加油”計劃看上去困難重重，但未來的應用價值不可低估，值得關注與期待。

“太空加油”技術一旦被廣泛采用，將會對后續衛星和飛船等航天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。先進的自動交會對接系統和空間機械臂捕獲技術，甚至可以服務于未來的行星防御和大型軌道結構的安裝。

“Restore-L”負責補充燃料

“Restore-L”無人航天器可為衛星補充燃料，它將裝配一條靈巧的機械手臂，這樣它不但能補充燃料，而且在必要的時候能夠執行修理甚至是收集殘骸的工作。在“Restore-L”飛船項目確定之后，新的衛星在設計時將考慮兩者的兼容性，意味著衛星將搭配簡易的升級裝備和簡單的燃料補充系統，能夠明顯降低成本。

美國宇航局預計，于2020年“Restore-L”將發射升空，投入使用。

1999年4月15日發射升空的美國“陸地衛星-7”是美國陸地探測衛星系列衛星，將成為“Restore-L”的首個用戶?！瓣懙匦l星-7”裝備了一種增強型專題制圖儀，能夠被動感應地表反射的太陽輻射和散發的熱輻射。它每天能夠捕獲和傳輸多達532張地球的照片，讓科研人員獲得連續的數據記錄。屆時，“Restore-L”將自動移至它所在軌道附近，用機械臂將其牢牢抓住，加完油之后再釋放和重置。通過軌道燃料加注，“陸地衛星-7”的工作周期就會遠超過最初的設計。

一旦“Restore-L”成功運行，衛星發射的相關成本將會明顯降低。因為發射時衛星再也不必運輸沉重的燃料，也不需要從一開始就攜帶所有的設備，可以通過發射“Restore-L”定期補充燃料?？茖W家設想，未來的某一天甚至有可能讓一個巨大的“燃料罐”在地球軌道中運行，這樣“Restore-L”就能夠在進行下一次燃料補給任務時到它那里加滿燃料。另外，像“Restore-L”這樣的專門航天器可以協助修理衛星或是轉移現有衛星的軌道，讓許多老舊的衛星有可能重獲新生。這不但能大幅度縮減發射成本，還可以減少太空垃圾的數量。endprint