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太空加油只为空间站“永葆青春”
来源:中国航天报·飞天科普周刊     日期:2017/04/28    字体:【】【】【

4月27日,天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室成功完成首次推进剂在轨补加试验。网友将其形象地比喻成辛劳负责的天舟一号“鸟妈妈”成功“喂养”了一次嗷嗷待哺的天宫二号“鸟宝宝”。那么,这些天上的“鸟宝宝”为何需要“喂食”,这种“喂食”方式有何特别之处?

空间站为什么需要“喂养”?

空间站已经达到第一宇宙速度、在轨飞行了,为什么还要给它补充燃料?其实在空间站常用的飞行轨道上——例如国际空间站的400千米和天宫二号所在的393千米,还存在着一定数量的大气,虽然密度很低,但还是能造成微弱的阻力。日积月累,就会使空间站的速度逐步降低,进而导致轨道高度的减少。如果不加干涉,空间站就会掉进大气层里烧毁了。所以,要经常用发动机喷射一下,提高空间站的速度,这样就能把高度保持在一个理想的数字。这就是所谓的轨道保持。

消耗燃料最多的,是改变轨道倾角的机动。当一个物体的飞行速度达到第一宇宙速度,哪怕是改变0.5度的飞行方向,所需要的加速度也是很可观的。

正是因为有这么多需求,国际空间站平均每年都需要消耗7吨左右的燃料,有的年份甚至超过10吨。而这些燃料,都要靠货运飞船一点一点送上太空。

“吃饭”的“嘴巴”在哪里?

目前的国际空间站靠两种方式来实施轨道保持。一种是靠来访的货运飞船、载人飞船推动,一种是靠自身的发动机来推动。包括俄罗斯“联盟”TMA、“进步”,欧洲“自动转移飞行器”,日本“H-2转移飞行器”都具有推动空间站的能力。

至于国际空间站自身,其推进工作由俄罗斯的“星辰”舱负责。“星辰”上装有32个小推力器和两个较大型的S5.79推力器。小推力器装在“星辰”舱侧面的不同位置,而两个S5.79装在“星辰”尾部的对接口侧面。

在“星辰”前方的“曙光”舱,其实也具有推进能力,装有12个小推力器和两个大型推力器。在“星辰”发射并对接之前,负责空间站轨道保持的是“曙光”。如今“曙光”依然起着燃料储存的作用,它的16个储箱分为400升的长罐和330升的短罐两类,各8个,一共能存储5.76吨燃料。“星辰”的储存能力就少得多,只有4个200升的储罐,总存储量860千克。

可以发现,国际空间站本身的燃料存储能力还不够一年的消耗量。因此,国际空间站其实高度依赖“进步”号来实现轨道保持。

“进步”的载荷能力非常有限,在对接之前,燃料存储在“进步”后方非加压舱的储罐里。当飞船与“星辰”对接,对接环上的管道也随之接通。然后用高压氮气把两种燃料分别推进“星辰”里,存储在储罐里。欧洲的“自动转移飞行器”也具备燃料补加的能力,但是这个型号在发射5艘之后就没有后续经费了。因此,现在“进步”是唯一能够为国际空间站提供经常性燃料补加任务的飞船。

“自己喂饱自己”是未来的方向吗?

既然在轨补加有着如此麻烦的流程和设备,那么能不能设法简化一下呢?

如今的电推力器已经用在通信卫星上,它不需要携带庞大的燃料罐、气罐,也要不需要复杂的管道,能大幅度降低卫星的重量和体积,带来了显著的经济效益。不过,现在能够投入实用的电推力器,实际推力都很小,多数甚至不到1牛顿,与S5.79推力器不可同日而语。对于质量达到数百吨的国际空间站,这样的推力在很多时候未必够用。特别是紧急避让的时候,还是需要大推力的化学推力器。

正是因为如此,人们一方面在努力研究更大推力的电推力器,一方面还是要设法为空间站补充燃料。这种情况可能要延续相当长的一段时间。

我们已经讨论了空间站每年要消耗的燃料数量。而国际空间站从1998年开始建设至今,过去了将近20个年头。消耗掉的燃料少说也是百余吨规模。这为后续空间站建设和维持给出了一个基本的数据。无论建设中的中国空间站,还是策划中的比格罗充气式空间站,都必须考虑如何高效而安全地在轨补加燃料。体积越大的空间站需求越为强烈。

这为我们带来了新的思考,如果要在拉格朗日点乃至更远的地方建立空间站,如何给它们补加燃料呢?那里虽然没有空气阻力,但天体运动、太阳风等因素带来的扰动是不可避免的,轨道位置保持的工作依然繁重。但从地球运送燃料到那么远的地方,实在太不划算了,靠电推力器来实现轨道保持将是必由之路。(常飞)

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