燃料船我們走！——細數太空「加油」的故事

主頁菌說

SpaceX的下一次發射Falcon 9 ? NROL-76靜態點火完成，發射日期30號不變，今晚開始星箭整合，因為是保密發射，只直播返場回收過程，沒啥看頭。所以說，最受關注的還是正在按計劃進行各項在軌試驗的天舟一號貨運飛船，而試驗中最受關注的自然就是燃料在軌加註了，這技術看起來不起眼，其實難度很大，而且用途廣泛，絕不僅限於維持空間站軌道這麼簡單。所以今天我們就來聊聊在軌加註的「前生今世」和這項技術未來的「廣闊前途」。

天舟一號和天宮二號完美對接後，進行的諸多測試中，最重要的莫過於在軌燃料輸送，天舟一號要把自己攜帶的燃料送入天宮二號的燃料箱內。這一項看似不慍不火的燃料輸送技術隨著中國的加入，以及NASA重心向深空探測轉移，又重新回到了諸多太空探索公司的未來計劃中。在「黑店」ULA用來取代半人馬座上面級的ACES低溫上面級設計中，太空燃料加註成了關鍵的一環，而同為競爭對手的SpaceX更在大手筆星際運輸系統（ITS）中，公布了燃料船對載人飛船的在軌燃料補給。為何太空「加油」會伴隨著深空探索而突然井噴？又為何在這之前都是不慍不火的技術？燃料船究竟能「走」多遠，又有什麼技術制約？這一切的糾結還要從太空推進說起。

ITS燃料船軌道補給載人船

說起太空燃料補給，空間站都是常被提起的對象，然而美俄早期的空間站卻都和太空燃料補給無緣。由於太空並不是真的空無一物，微小的氣體阻力會降低空間站的飛行速度進而降低軌道高度，因而在近地軌道飛行的空間站需要定期加速提升軌道。早期的空間站，諸如蘇聯的禮炮1號和美國的天空實驗室，均攜帶有一定量的燃料用以軌道調整，同時聯盟載人飛船和阿波羅飛船也可在和空間站對接時用服務艙充當升軌推進器。不過一旦空間站用完自身攜帶的燃料，則只能依賴對接的飛船來提升軌道，不利於空間站長期使用。天空實驗室便是因為燃料用盡卻沒能等到太空梭來升軌，77噸的大型空間站在發射後僅6年便墜入大氣層。

號稱「最舒服」的空間站——SkyLab天空實驗室

為了能讓花費重金打造的空間站延長使用壽命，蘇聯在1977年9月29日發射的禮炮6號上首次投入使用太空燃料輸送系統，並在次年2月2日成功完成人類歷史上首次太空燃料補給。在大約24小時的燃料輸送時間裡，進步1號貨運飛船將總計大約870千克的偏二甲肼燃料和四氧化二氮氧化劑送入禮炮6號的燃料罐中。此次燃料輸送使得後續常駐型空間站的建造成為可能，進步號貨運飛船的處女秀可謂是名副其實的空間站建造一大「進步」。

禮炮6號，左邊為聯盟載人飛船，右邊為進步貨運飛船

由於在軌飛行的航天器有失重效應，攜帶的液體燃料會懸浮在燃料罐內，因而無法和地面上一樣採用燃料泵輸送。蘇聯工程師的解決方案是採用氮氣對燃料罐加壓，進步號和空間站對接後，獨立的氣體管道由氣泵將空間站燃料罐里的加壓氮氣導入進步號的燃料罐中，使得進步號燃料罐中整體壓力大於空間站燃料罐，燃料在壓力差的作用下進入空間站。整個過程中偏二甲肼和四氧化二氮通過前端加壓貨艙外壁的兩條不同管線輸送，對接輸送管線不經過居住區，這樣一旦發生泄漏有毒燃料會揮發入太空，避免對宇航員造成傷害。

進步號貨運飛船，從左到右分別是加壓貨艙，液體儲存及燃料補給艙，服務推進艙。各版本攜帶量略有不同，但整體布局一致。

進步號貨運飛船的此套燃料輸送系統被後續的禮炮7號以及和平號空間站繼承，迄今仍被國際空間站俄羅斯軌道段的星辰號服務艙所使用，星辰號服務艙因此也成為國際空間站軌道調整最重要的模組。

圖片正下方為與進步號對接的星辰號服務艙

不過星辰號服務艙的推進器更多用於微小軌道高度和空間站姿態調整，要推動國際空間站400餘噸質量大幅度升軌，進步號貨運飛船的小身板也有些力不從心。為此歐洲空間局通過購買俄羅斯的燃料補給系統，融合了美製R-4D引擎，建造了自動運載飛船（ATV，現已退役）。ATV在為國際空間站補給大量貨物和燃料的同時，亦可通過攜帶的4.7噸甲基肼燃料和氮氧化物氧化劑為國際空間站進行大幅度加速升軌。

ATV構造，三艙式的布局很像放大版的進步號

ATV位於圖最右的白色模組，其對接模組和進步號一樣為星辰號服務艙

除去位於星辰號服務艙的燃料補給系統，國際空間站上還有另一套不怎麼出名的燃料補給系統，那便是NASA安裝在加拿大臂-2「專用靈巧機械手」（SPDM）上的機械燃料補給系統（RRM）。和進步號不同，RRM模組以機械臂捕捉對接的方式輸送燃料，以測試為在軌衛星進行燃料加註延長使用壽命的可能性。具體燃料加註原理和俄羅斯系統一致，唯一區別是氮氣換成了氦氣。

宇航員正在進行RRM作業

其實在RRM測試模組的背後，是NASA和美國國防高等研究計劃署（DARPA）聯合研製的另一項名叫「軌道特快」的太空燃料補給計劃。此計劃目的在於研發一種對在軌衛星，尤其對地球同步軌道衛星進行自動維修和燃料補給的方式，以此來延長衛星的使用壽命，降低衛星操作成本。兩顆技術展示衛星ASTRO和NEXTSat在2007年3月8日發射入軌，並在同年6月29日完成了機械臂捕獲和燃料補給。儘管「軌道特快」的技術已證實可行，但迄今為止仍未有軍方或商業衛星公司出資購買此項服務，太空燃料補給的弊端在「軌道特快」上展露無遺。

「軌道特快」示意圖

其實早在和平號空間站時，進步號貨運飛船的發射頻率便已不能完成空間站的升軌要求，需要太空梭軌道器推力更大的兩台AJ10-190引擎來協助。NASA始終沒有研發類似於俄羅斯的空間站燃料補給系統，很大程度上是因為和載人飛船相比，太空梭軌道器可以頻繁發射，入軌後74.3立方米的加壓空間已堪比小型空間站。同時軌道器尾部兩套軌道機動系統（OMS）共計53.4千牛的推力已遠超其他任何飛船服務艙的推力，這使得軌道器只需定期前往國際空間站對接，便可僅用自身推力完成遠超進步號貨運飛船和ATV貨運飛船的升軌幅度，無需為空間站補給燃料。

圖中在頂部RS-25兩旁略小的噴口便是軌道器的OMS模組噴口

OMS模組構造

以現有科技向太空運輸燃料的價格和飛船發射價格相比並沒有顯著優勢，對於近地軌道空間站來說輸送燃料再由空間站自身引擎推進升軌，其升軌效率很可能還不如運輸飛船服務艙來的實在。如果說向載人空間站運輸燃料是用來延長質量較大的空間站使用壽命的話，那麼運輸燃料給質量較小的無人衛星便得不償失。NASA前署長麥克?格里芬曾表示保守估計送1千克燃料進入近地軌道要花費10000美金，這不僅遠高於獵鷹9號火箭大約4109美金／千克的輸送價格，甚至接近「黑店」ULA招牌的宇宙神5號火箭大約13000美金／千克的輸送價格。也就是說對於追求利益最大化的商業衛星公司來說，給舊衛星補充燃料很可能還不如造一個新衛星便宜，更不用說舊衛星其他設備的老化問題。

在ULA的商業計劃中，ACES將承擔把貨物從近地軌道送入同步軌道或地月L1拉格朗日點的任務

如果說太空「加油」在經濟上並不一定實惠，為何還會有諸多公司趨之若鶩呢？那便要看加的是什麼「油」了。太空梭軌道器的OMS再強大，也僅能幫助軌道器進行近地軌道範圍內的機動，使用常溫儲存的燃料在推力和比沖都趕不上低溫燃料，若要進行載人深空探測是心有餘而力不足。以迄今為止唯一一款載人深空探測的土星五號第三級S-IVB為例，單台J-2氫氧引擎可提供1033千牛的推力，共計攜帶87.2噸液氧和18噸液氫，而整個S-IVB第三級總重僅115噸。可以毫不誇張的說，土星五號火箭推力和比沖均驚人的第一級S-IC和第二級S-II，其實是為了將第三級的這105噸低溫燃料送上近地軌道。ULA和SpaceX都致力於研發的太空燃料補給系統，和過去系統相比最大的區別，便是運送儲存的是低溫的液氫（ULA）和甲烷（SpaceX）。

火箭上面級引擎推力（縱軸）和比沖（橫軸）對比，氫氧引擎（綠點）和甲烷液氧引擎（藍線）的比沖遠大於常溫儲存燃料（灰點）的比沖。

不過任何性能的進步都伴隨著更大的技術挑戰。以液氫為例，其帶來驚人比沖的同時也是非常難以儲存的燃料，不僅因為液氫沸點極低(-252.87°C)，還有其極低的粘度和極高的自然蒸發量。就像水不到沸點便會蒸發一樣，儲存在燃料罐里的液氫也會逐漸變為氫氣，如果不釋放這些氣體，氫氣體積迅速膨脹產生的壓力會直接撐破燃料罐。同時由於氫氣粘性很小，任何燃料管線細微的破裂都會導致液氫迅速揮發入太空。以現役性能最好的半人馬座上面級為例，其在最理想條件下釋放蒸發量為每天1.6%-2%，如果有太陽光直射最糟糕情況可能9個小時便蒸發30%，顯然此種燃料浪費速度是長時間儲存難以接受的。

半人馬座上面級設計圖，尾部懸掛有燃料罐加壓用聯氨和氦氣罐。看似簡單的構造其實對建造工藝和材料技術都有很高的要求。

ULA的可能解決方案包括採用「遮陽罩」將儲存罐罩起來。

在未來上面級改造開發上，ULA的官方倒是很有底氣，認為可以通過材料隔熱技術的升級在未來把半人馬座上面級的揮發量降低到每天1%。在負責太空「加油」的ACES上面級上，ULA則預計將液氫揮發量降低到每天0.1%，同時ACES還要利用主動釋放的氫氣作為電器電力來源進行加壓，以省去傳統儲存液氫時所需的加壓氣體。當然ULA敢如此誇下海口，也是因為現役液氫儲存性能最好，具備多次點火能力的兩個上面級，半人馬座和德爾塔低溫第二級（DCSS）都是ULA自家產品。

馬斯克：液氫是什麼？沒聽過的燃料呢。

馬斯克：啊！

與之相比沒有任何液氫儲存經驗的SpaceX選擇了性能略差但更易儲存的液體甲烷。一方面因為甲烷可以在火星製造，另一方面因為雖然甲烷的沸點也很低（-161.49°C），但也已遠比液氫高許多，更高的粘度和更低的天然揮發量使得液體甲烷不需要液氫儲存時的「高標準，嚴要求。」對於已在使用?207 °C液氧作為高密度氧化劑的SpaceX來說，甲烷的長期儲存技術更容易掌握。不過SpaceX的選擇也有一定風險，畢竟作為火箭燃料的後起之秀，液體甲烷在真空中蒸發量的數據可謂少之又少，在管線設計上和燃料儲存上更沒有任何前車之鑒可供參考。

我想這張圖已經可以清晰的表明SpaceX為什麼不選擇液氫液氧組合，而是選擇未知的甲烷

究竟那龐大的12米直徑碳纖維燃料罐能否保護住真空極端環境下的液體甲烷，就讓我們拭目以待吧。（有意了解更多SpaceX甲烷機情況的讀者可以翻看下面前兩篇往期文章）

（全文完）

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