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中国的“太空加油”卫星来了:可为燃料将耗尽的卫星“续命”

在影视剧或媒体报道中,空中加油技术出现的频率还是不少的,因此大家对空中加油这个词还是比较熟悉的,那“太空加油”呢?想必大家就比较陌生了。
在本届珠海航展上,由航天科技集团八院独立设计研制补加服务飞行器首次亮相,这款飞行器就是可以为太空运行的卫星进行“太空加油”。那么,“太空加油”如何进行?“太空加油”技术有什么意义?

补加服务飞行器首次亮相。

补加服务飞行器首次亮相。卫星寿命主要看燃料
在地球赤道上空约3.6万公里处, 有一条独一无二的卫星轨道。在这条轨道上运行的卫星,绕地球运行周期恰好是24小时,与地球自转周期相同。在地面看来,这条轨道上的卫星就像静止不动悬在空中一般,因此这条轨道被称为地球静止轨道,在这条轨道上运行的卫星就称为地球静止轨道卫星。
在这条轨道上运行的卫星通常有通信卫星、导航卫星、气象卫星,此外还有不少导弹预警卫星、电子侦察卫星和遥感卫星,这条轨道不仅对民生很重要,对一国国防也很重要。
但这条轨道也非常拥挤。受天线接收能力限制,同一频段、覆盖区域相同或部分重叠的地球静止轨道卫星只有间隔一定的距离,即从地面看要间隔一定的角度,地面上的测控站才能区分不同的卫星信号。一般而言,2颗中等容量的卫星之间在经度不小于2度。如果按2度放1颗卫星,一圈360度最多只能放180颗,资源相当有限。虽然通过轨道共位技术或间隔比较近的卫星使用不同频段的通信频率的方式增加了轨道上卫星的数量,但还是非常紧张,而且轨道共位技术目前世界上只有美国、中国、德国、日本等少数国家掌握。
为避免争端和卫星碰撞,联合国还专门成立了国际电信联盟,管理这一事情。该机构主管信息通信技术事务,负责地球静止轨道上每颗卫星的通信频率、轨道位置等的规划和协调。

补加飞行器“太空加油”模拟图。

补加飞行器“太空加油”模拟图。除了轨道资源紧张,地球静止轨道卫星的造价也十分高昂,往往高达数十亿人民币。
严格来说,运行在地球静止轨道上的卫星并不是完全静止不动的,它们除了会受到地球引力之外,还会在月球、太阳的引力作用下逐渐飘离原有轨道。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,卫星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”。通常,卫星在发射时会一次性携带十几年寿命的燃料。但进入太空以后,燃料只会越用越少,燃料耗尽后,卫星的寿命就结束了。因此燃料的储备直接决定着一颗卫星的使用寿命。比如一颗重达5.5吨的地球静止轨道卫星,燃料的重量足足占据了一半以上。
随着技术的不断成熟,卫星本身元器件的可靠性、性能已经达到一个相当的高度,而燃料却成为影响卫星服役寿命的重要瓶颈。如果燃料耗尽,卫星就无法继续在轨运行。轨道高度的降低将使得卫星逐渐坠入大气层烧毁,而有些卫星本身性能、元器件都完好无损,仅仅是因为燃料耗尽而无法维持其轨道高度,地面控制中心不得不将其放弃。
在日常生活中,我们驾驶的汽车可以通过不断加油实现远距离驾驶,在空中,很多军用飞机或直升机则可以通过空中加油技术,大幅增加航程。目前大部分的“报废”卫星之所以提前结束“生命”,都是受限于自身燃料携带量的不足,因此燃料补加技术的突破也必将大大延长卫星的工作寿命,为在轨卫星的长期运营提供能源保障。

实践二十号卫星是目前世界上最重的通信卫星。

实践二十号卫星是目前世界上最重的通信卫星。雪中送炭的“太空移动油罐车”
此次亮相珠海航展的补加服务飞行器,是由航天科技集团八院独立设计研制,专职从事燃料“上门补加服务” 的飞行器。据八院805所设计师介绍, 该补加服务飞行器在设计之初便简化了自身功能,在维持基本在轨运行的前提下,实现尽可能多的装载燃料。
补加飞行器可一次性携带1.3吨燃料,占到了自身重量的52%,堪称一辆“太空移动油罐车”。而对于一颗“急需救助”的卫星来说,只需补加50千克燃料,卫星就可以延长大约一年的寿命,与重新发射一颗静止轨道卫星的造价相比,成本足足降低了35%,因此实现燃料在轨补加技术,对造价高昂的卫星来说不啻雪中送炭。
在轨补加飞行器的前端装有雷达和相机组成的导航系统,使其具备了“自动驾驶”的功能。当收到燃料短缺的卫星发出的求助信号后,飞行器将在地面调度系统的导引下,到达卫星的后方,利用导航系统自主跟踪并接近卫星。在到达距离卫星大约2米以内时,在机械臂的配合下,实现与卫星补加口的紧密连接,将燃料输送给卫星。

补加飞行器可一次性携带1.3吨燃料,占到了自身重量的52%,堪称一辆“太空移动油罐车”。

补加飞行器可一次性携带1.3吨燃料,占到了自身重量的52%,堪称一辆“太空移动油罐车”。为多类型燃料补加创造条件的新型对接机构要想在太空中顺利“加油”,飞行器首先要实现与卫星的精准对接。2017年,天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室成功对接,首次完成了推进剂在轨补加试验,意味着我国已成功突破在轨空间燃料补加技术,成为世界上继美俄之后第三个独立掌握该技术的国家。此次与补加飞行器一起首次亮相的停靠补加装置,是飞行器执行在轨补加任务的关键技术, 也是我国首个应用于卫星的新型对接机构,它通过与卫星实现紧密可靠连接,为补加服务飞行器进行补加任务创造条件。
与其他对接机构一样,停靠补加装置分为主动端和被动端,主动端安装在补加服务飞行器上,补加任务期间的所有动作均由补加服务飞行器上的主动端完成。据了解,“在发射前,卫星仅需配置一个标准化被动端口,即可实现后续在轨运行期间的补液、补气、补电等多类型的补加服务。

MEV-1“太空加油”示意图。

MEV-1“太空加油”示意图。美国已成功展开相关试验
由于“太空加油”技术具有广阔的运用前景,多个航天大国或强国都在积极研发这一技术。
2020年2月,美国完成了首次太空加油任务,诺斯罗普·格鲁曼公司的任务扩展飞行器(Mission Extension Vehicle-1,简称MEV-1)与一颗名为IS-901卫星的进行了对接,将部分燃料送入后者的燃料箱,为其增加了额外5年的寿命。
5年后,MEV-1将把IS-901卫星拖曳至“坟墓”轨道分离,这颗IS-901卫星会在星龄24岁时退役。届时,MEV-1将会为其新客户卫星提供类似的延寿任务。这是人类历史上第一次商业卫星交会对接,也是在轨服务技术实践迈出的一大步。如在轨服务任务连续,按MEV-1设计寿命可为3颗高轨卫星提供续命服务。

MEV-1加油口和受油口细节。

MEV-1加油口和受油口细节。MEV-1卫星于2019年10月9日由俄罗斯“质子”火箭发射升空,同行的还有一颗欧洲通信卫星。MEV-1重约2吨,携带了重1吨左右的燃料。计算表明,如果给静止轨道上的卫星补给60千克燃料,即可延长卫星寿命1年。也就是说MEV-1自带的燃料可为3颗即将耗尽推进剂的GEO卫星各延续5年工作寿命,而MEV-1加油补给卫星本身同样高寿,设计寿命至少15年。
MEV-1与IS-901卫星的第一次商业交会对接成功,为国际通信卫星公司节省了一大笔老星退役、新星补网的钱,为在轨服务前景注入一剂强心针。美国智库、北方天空研究所(NSR)发布的“在轨服务和空间态势感知市场”第三版报告指出,到2029年,卫星寿命延长、重新定位、脱离轨道、打捞、机器人和空间态势感知等应用的累计收入将超过31亿美元。其中,75%的需求来自非地球同步卫星,但由于高轨道任务的复杂性,地球静止轨道卫星带来的收入占66%以上。

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