唐 瓊 焉 寧 張 烽 （中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

國外在軌燃料加注站構(gòu)型研究

唐 瓊 焉 寧 張 烽 （中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

The Assessment of Foreign On-Orbit Propellant Depot Configuration

1 前言

在軌燃料加注站通俗來講就是一個(gè)建造在空間的推進(jìn)劑儲藏室，其圍繞地球或其他星體軌道運(yùn)行，為太空中的飛行器或飛行器轉(zhuǎn)移級加注燃料。根據(jù)燃料補(bǔ)給類型或空間建造位置的不同，可以提出許多不

同的加注站概念。

在軌燃料加注站支撐各空間探測任務(wù)示意圖

在軌燃料加注站除了能夠提供推進(jìn)劑的補(bǔ)給功能外，還具有提供推進(jìn)劑的空間貯存功能。此外，還可以為航天器的在軌維修和升級提供支撐，為乘員提供補(bǔ)給，為加注站和航天器之間的載荷交換提供平臺。

2 在軌燃料加注站概念研究

由于人類的空間探測需求不斷增加，特別是高軌任務(wù)和深空任務(wù)將越來越頻繁，空間運(yùn)輸變得越來越像地面運(yùn)輸，在軌燃料加注站變成像汽車加油站一樣，在空間給空間運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行在軌加注，空間運(yùn)輸系統(tǒng)將重復(fù)執(zhí)行空間各目的地之間的運(yùn)輸任務(wù)，而不用回到地面加注推進(jìn)劑，這樣將大大簡化未來整個(gè)空間運(yùn)輸系統(tǒng)模式，增強(qiáng)航天運(yùn)輸系統(tǒng)的能力，降低整個(gè)航天運(yùn)輸系統(tǒng)規(guī)模，同時(shí)大大改變空間探測任務(wù)模式。

早在20世紀(jì)70年代，美國國家航空航天局（NASA）就開展了在軌燃料加注站的研究，那時(shí)的研究目的是為一種長期在軌可重復(fù)使用的空間轉(zhuǎn)移運(yùn)輸器提供燃料補(bǔ)給。另外，美國國家航空航天局在開發(fā)“國際空間站”的時(shí)候，也把在軌燃料加注站作為空間目標(biāo)任務(wù)之一，并進(jìn)行了推進(jìn)劑在軌貯存與傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)的研究，開展了大量設(shè)計(jì)、仿真和地面試驗(yàn)。

2005年，美國國家航空航天局馬歇爾航天飛行中心（MSFC）研究表明，在軌燃料加注站將是提供空間服務(wù)、在近地空間及以遠(yuǎn)空間任務(wù)對推進(jìn)劑利用的一大里程碑，并給出2個(gè)在軌燃料加注站的初步構(gòu)型設(shè)計(jì)。2006年，進(jìn)一步明確了空間低溫推進(jìn)劑加注站的體系和概念，開展了方案研究，明確了技術(shù)發(fā)展需求，并做出了評估。

為后續(xù)開展載人小行星/火星等探測任務(wù)，美國國家航空航天局將“低溫推進(jìn)劑在軌貯存與傳輸”（CryoSTAT）列為重點(diǎn)任務(wù)，并制定了詳細(xì)的分步驟演示驗(yàn)證與技術(shù)攻關(guān)路線。首先開展“低溫推進(jìn)劑在軌試驗(yàn)驗(yàn)證”（CRYOTE）任務(wù)，該任務(wù)分為三部分。首先用1.5～2年的時(shí)間，耗資5000萬～2億美元完成2個(gè)飛行演示任務(wù)，分別是CRYOTE Lite和CRYOTE Pup，這2個(gè)任務(wù)都聯(lián)合“半人馬座”（Centaur）火箭上面級開展關(guān)鍵技術(shù)的突破，CRYOTE Lite在軌演示17h；在CRYOTE Lite和CRYOTE Pup關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證后，開展“CRYOTE自由飛行器”（CRYOTE Free Flyer）作為獨(dú)立飛行器，進(jìn)行在軌1年的綜合驗(yàn)證，耗資1.5億～2億美元。CRYOTE計(jì)劃的實(shí)施是對美國國家航空航天局重要任務(wù)的重要支撐。

“低溫推進(jìn)劑在軌試驗(yàn)驗(yàn)證”任務(wù)支撐美國國家航空航天局重點(diǎn)任務(wù)路線圖

3 在軌燃料加注站構(gòu)型研究

在軌燃料加注站的構(gòu)型具有多種可能性，在以往的研究中已經(jīng)提出過的構(gòu)型大概有12種。

本文將采用下述七項(xiàng)評估標(biāo)準(zhǔn)對這12種在軌燃料加注站的構(gòu)型進(jìn)行評估。

評估標(biāo)準(zhǔn)一：貯箱開發(fā)成本。貯箱開發(fā)成本涉及投資資金，設(shè)計(jì)貯箱要求所需的資金越少越好。對現(xiàn)有貯箱進(jìn)行少量改進(jìn)就能使用屬于開發(fā)成本低；對現(xiàn)有貯箱進(jìn)行大量改進(jìn)才能使用屬于開發(fā)成本適中；研制新型貯箱屬于開發(fā)成本高。

評估標(biāo)準(zhǔn)二：發(fā)射組裝次數(shù)。發(fā)射組裝次數(shù)是一個(gè)定量標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)射組裝次數(shù)越少越好。發(fā)射次數(shù)為1～3次屬于較好，4～7次屬于適中，多于7次屬于較差。

評估標(biāo)準(zhǔn)三：裝配簡易性。裝配涉及如何在軌簡易裝配加注站，裝配越簡易越好。若一個(gè)單獨(dú)的貯箱僅需要很簡單的在軌裝配最好。若僅要求結(jié)構(gòu)和電連接屬于簡易裝配；若要求結(jié)構(gòu)、電和流體連接屬于適中裝配；若要求結(jié)構(gòu)、電、流體集成連接裝配屬于難度大裝配。

評估標(biāo)準(zhǔn)四：實(shí)施復(fù)雜性。實(shí)施復(fù)雜性指加注站在軌所需要開展的操作。單點(diǎn)?？浚幼⒄静贿M(jìn)行旋轉(zhuǎn)屬于簡單操作；單點(diǎn)?？?、加注站不進(jìn)行旋轉(zhuǎn)但存在液體貯箱更換屬于適中操作；復(fù)雜?？繖C(jī)動、加注站旋轉(zhuǎn)和液體貯箱更換則屬于復(fù)雜操作。

評估標(biāo)準(zhǔn)五：熱防護(hù)性能。熱防護(hù)性能主要考慮加注站長期在軌貯存的難易，這涉及到表面積與質(zhì)量的比率和綜合熱控的難易。這里設(shè)定表面積質(zhì)量比小于10000屬于較好，大于10000屬于適中。對于長期在軌貯存而言，串聯(lián)的硬件設(shè)備的熱防護(hù)性能將更差（如構(gòu)型4）。

評估標(biāo)準(zhǔn)六：推進(jìn)劑管理裝置（PMD）復(fù)雜性。其復(fù)雜性的評定完全基于所需推進(jìn)劑管理裝置的數(shù)量。這與所用貯箱的數(shù)量一致，在推進(jìn)劑管理裝置復(fù)雜性方面，貯箱越少越好。推進(jìn)劑管理裝置為2個(gè)或2個(gè)以下最好，3～8個(gè)適中，多于8個(gè)則較差。

供參考的12種加注站構(gòu)型

評估標(biāo)準(zhǔn)七：微小軌道碎片（MMOD）風(fēng)險(xiǎn)。其風(fēng)險(xiǎn)涉及微流星體碰撞概率，以加注站在每平方米中暴露的平均表面積作為評估標(biāo)準(zhǔn)。暴露表面積小于158m2屬于較好，介于158～185m2之間屬于適中，大于185m2則屬于較差。

評估結(jié)果用不同的顏色表示，綠色表示較好，黃色表示適中，紅色表示較差，藍(lán)色表示最好（比其他顏色更好）。

從在軌燃料加注站構(gòu)型評估表可以看出，①構(gòu)型5和構(gòu)型11都是只有1個(gè)紅色，優(yōu)于其他構(gòu)型。其中，構(gòu)型5有1個(gè)藍(lán)色，5個(gè)綠色，構(gòu)型11有6個(gè)黃色，所以構(gòu)型5優(yōu)于構(gòu)型11。②構(gòu)型1～3、構(gòu)型7～10和構(gòu)型12都是有2個(gè)紅色，其中，構(gòu)型1和構(gòu)型12有3個(gè)綠色，2個(gè)黃色，也屬于比較好的構(gòu)型。③構(gòu)型5和構(gòu)型12都要新研貯箱，需要較多的貯箱開發(fā)成本。而且，構(gòu)型5的貯箱大小還將受限于目前運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)載能力。經(jīng)過對比分析，得出的較優(yōu)構(gòu)型是構(gòu)型11，其后是構(gòu)型1。

加注站構(gòu)型評估表

經(jīng)過以上綜合比較，構(gòu)型11被優(yōu)選出來作為參考構(gòu)型進(jìn)行分析。采用構(gòu)型11作為在軌燃料加注站的構(gòu)型，可以提出多種推進(jìn)劑在軌加注系統(tǒng)的運(yùn)作構(gòu)想。

以構(gòu)型11為基礎(chǔ)的在軌燃料加注站系統(tǒng)組成

發(fā)射在軌燃料加注站示意圖

4 結(jié)語

隨著人類對空間利用和探索的需求不斷擴(kuò)大，以及航天事業(yè)的不斷發(fā)展，國際上一直在開展在軌燃料加注站的相關(guān)研究，特別是美國，在其重返月球計(jì)劃及載人登陸小行星和載人火星探測任務(wù)模式的研究中，都開展了在軌燃料加注站的任務(wù)模式研究。美國各研究機(jī)構(gòu)瞄準(zhǔn)未來大規(guī)模和頻繁的空間探測任務(wù)，同時(shí)也在開展大量的基于在軌燃料加注站的空間探測任務(wù)構(gòu)架分析，以及加注站本身方案對比分析和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。研究表明，空間低溫推進(jìn)劑加注站系統(tǒng)對于美國國家航空航天局的空間探索系統(tǒng)具有重要的意義。空間軌道轉(zhuǎn)移飛行器在推進(jìn)劑加注站上的補(bǔ)給加注能夠支撐美國國家航空航天局的月球探索等深空探測計(jì)劃，并為載人探測火星提供一種可能。對于月球探測任務(wù)采用在軌燃料加注站模式，能夠?qū)崿F(xiàn)有效載荷規(guī)模增加到原來的2.5倍以上，并能夠?yàn)椴捎没瘜W(xué)推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)載人探測火星提供可能；而實(shí)現(xiàn)相同的任務(wù)目標(biāo)，運(yùn)載火箭規(guī)模能夠降低50%以上。

位于低地球軌道的在軌燃料加注站運(yùn)作概念圖

地球出發(fā)級在燃料加注站進(jìn)行燃料補(bǔ)給示意圖

在軌燃料加注站的應(yīng)用不僅可以給空間運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行必要的補(bǔ)給，完成各類空間探測活動，另外，還可以對在軌衛(wèi)星等飛行器進(jìn)行補(bǔ)給，延長飛行器壽命，提高在軌服務(wù)能力。在軌燃料加注站作為一種有效的空間探測任務(wù)的選擇模式，具有潛在的巨大優(yōu)勢，有必要開展相關(guān)研究，為未來空間探測任務(wù)，特別是載人月球/火星探測等大規(guī)模的深空探測任務(wù)，提供任務(wù)模式的選擇。

在軌燃料加注站作為空間運(yùn)輸系統(tǒng)新的組成部分，能夠有效提高運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力，實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的空間探測任務(wù)，有效滿足更多的空間探測任務(wù)需求。在軌燃料加注站具有漸進(jìn)式的開發(fā)過程、高飛行率、重復(fù)使用率以及多目的/多用途等特性，值得將它作為人類開發(fā)太空的一項(xiàng)長期活動進(jìn)行下去。本文首先對在軌燃料加注站的構(gòu)型進(jìn)行了研究和評估，之后對在軌燃料加注站的在軌運(yùn)作系統(tǒng)開展初步構(gòu)想設(shè)計(jì)。