我國衛星完成首次「太空加油」試驗，空間站和火箭專家怎麼看？

近日，長征七號火箭搭載上天的「天源一號」衛星順利完成在軌加註試驗，標誌著我國航天器太空燃料補充加註技術試驗取得圓滿成功。

這項由中國航天科技集團公司研製的在軌加註試驗系統，使我國航天器太空燃料補加技術跨入國際先進行列。該項技術的突破對於延長衛星壽命、開展太空救援服務等具有廣闊的應用前景和極高的經濟價值。

能夠給航天器在軌安全有效地補充加註燃料好處很多，實現起來卻難關重重，對此，中國航天科技集團公司一院一部運載總體室副主任陳海鵬、五院空間站系統總指揮王翔發表了自己的看法。

陳海鵬：在軌加註讓航天器重煥新生

在軌加註技術是指在空間軌道上利用服務航天器對目標航天器進行推進劑補給的在軌操作，也就是為衛星、空間站等航天器進行氣、液補給，其作用類似於「空中加油機」。

衛星太空「加油」模擬圖

傳統的航天器在發射入軌後，其攜帶的推進劑和各組成模塊就固化了，這就會產生一些問題：一是在初期攜帶的推進劑耗盡後，即使其他系統仍能正常工作，航天器使用壽命也即將終結。二是為了節省推進劑、延長在軌使用時間，航天器的機動能力往往受到限制，必須有勁「悠著點兒」使。三是作為一個大系統，航天器的一個關鍵部件失效後會導致整星無法工作。

通過發展在軌加註、在軌模塊更換等在軌操作，可為航天器加註燃料、更換故障部件，將為航天器提供新的動力源泉，使其重新進入工作狀態。因此，以在軌加註為代表的在軌服務操作技術擁有廣泛的應用前景。

首先，在商業應用上具有顯著的經濟效益。根據加拿大麥克唐納·德特威勒公司的估算，2012～2020年可能有100多顆地球同步軌道通信衛星因燃料提前耗盡而失效，替換這些衛星的成本高達300～360億美元。如果能夠通過在軌加註系統為在軌航天器補充燃料，可以延長使用壽命，有效降低發射成本。

其次，在科學探測方面具有廣泛的帶動意義。在深空探測任務中，往往需要火箭進行大範圍機動變軌，這勢必會消耗掉大量的推進劑。在軌加註技術恰好可以為空間燃料倉庫補加燃料，在空間軌道中為深空探測航天器「太空加油」以及為空間軌道轉移飛行器的燃料轉移提供技術支撐。

最後，在軌加註具有技術帶動作用。實現推進劑在軌加註技術需要大批航天新技術作為支撐，因此，在軌加註技術的發展必將帶動航天技術的創新發展。

另外，與推進劑地面加註不同，推進劑在軌加註還需要考慮盡量不直接把有毒、有污染、有腐蝕性推進劑排放至真空，以及目標貯箱推進劑管理方式等。

因此，在軌加註技術對於降低航天運輸成本和任務風險、增強空間飛行器的任務適應性、延長空間飛行器的壽命都具有重要的作用。

王翔：實現在軌加註必須闖過四道「難關」

目前，在軌加註技術的應用以俄羅斯（蘇聯）、美國為典型代表。最早的在軌加註於1978年在蘇聯的航天器上實現，目前已成功完成了多次在軌補給，他們採用隔膜式貯箱和擠壓式系統，將推進劑從服務貯箱傳輸至目標貯箱。而美國是從上世紀80年代初就開始進行在軌補給技術的研究，並成功實現了在軌演示驗證。

俄羅斯（蘇聯）和美國的發展現狀恰好代表了在軌加註的兩大類應用方向：一類是以目標飛行器為先，對其進行長期、例行、多次補加，典型的例子是載人空間站接受貨運飛船的補加。對於這種加註方式，科研人員通常會將複雜的補加系統配置在空間站上，貨運飛船這一方則系統簡單、成本也較低。

國際空間站的核心艙以及為其補加的歐空局ATV貨運飛船都直接採用了俄羅斯的技術和產品。我國將在天宮二號與天舟貨運飛船的飛行試驗中驗證自主研發的加註技術，並將用於後續的載人空間站。

另一類是以服務飛行器為主，對目標飛行器進行有限次數的補加或救援。如今，大多數的衛星在軌加註延壽和救援維護研究項目都屬於此類應用。目前，包括我國在內的多個國家都在進行這類加註方式的研究和應用，不過只有美國進行過多次的在軌試驗。

衛星跟衛星加油模擬圖

雖然在軌加註可以通過多種原理實現，但它們共同面臨多道技術難關。

一是補加系統的設計，包括補加與推進系統的一體化設計、可靠性與安全性設計、加註策略、補加過程式控制制、故障診斷與處理等。二是微重力環境下的氣液管理，以及一些規避氣液管理的措施，如氣液隔離或液路自適應補償方法等。三是加註監測技術，包括推進劑流量、剩餘量及泄露監測等。四是對接與加註介面裝置。此外，對於不同的補加方法，還有相應的關鍵設備需要研究。

目前，採用在軌試驗的方法可以對上述與微重力相關的一些關鍵技術進行有效地驗證。

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