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中国试验“太空加油机”:紧跟国际空间技术  

2016-07-01 08:23:51|  分类: 社会发展 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中国试验太空加油机紧跟国际空间技术

中国试验“太空加油机”:紧跟国际空间技术 - 一统江山 - 一统江山的博客 

长征7号运载火箭发射——

625日开始,澎湃防务陆续对长征七号火箭的技术创新及其携带的多类载荷进行了专题报道,在对绿色火箭、上面级、缩比返回舱和遨龙一号飞行器进行专业分析后,今日的关注焦点转移到在轨加注实验装置上,这也是长征七号专题针对有效载荷的最后一篇专业分析。在轨加注技术通俗地讲就是太空加油,但是受空间条件所限,在轨加注存在特有的技术风险与成本制约。此次在轨加注实验装置的发射表明,中国正在紧跟在轨服务这一前沿的空间技术,以提高空间在轨服务能力。


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一、卫星为何需要太空加油卫星的服役寿命取决于多种因素,但往往主要取决于动力因素。卫星的动力主要来源于两个方面,一是自身从地球携带的燃料,二是太阳能电池板。虽然航天器一般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。当前,随着技术的不断成熟,卫星自身元器件的可靠性等综合性能已经达到一个相当的高度,燃料就成为影响卫星服役寿命的重要瓶颈。一般情况下,卫星、空间站等航天器被发射到轨道上,燃料耗尽或发生故障后就会被弃用。许多被弃用的卫星本身其实功能完好,但它们的命运已经注定,只能一圈圈地在轨道上运行,直到脱离轨道坠入大气层,或者与其他航天器相撞成为太空垃圾,最终油尽灯枯。因此,科研人员试图通过研发轨道燃料加注的相关技术,以在未来对燃料耗尽的卫星进行补给,延长大量高价值的卫星、空间站等航天器的飞行寿命,提高效费比。此外,在轨加注服务还能够显著提升空间探测能力,减少运载器规模,降低任务成本,从而推动人类实现载人探火星、载人探小行星等载人深空探测梦想。最早应用在轨加注技术的国家是苏联和美国。1978年,苏联礼炮六号空间站首次实现了在轨加注,目前国际空间站,已经成功进行多次在轨加注工作。以往在轨加注技术的主要对象,是空间站等大型航天器,近年来针对尺寸相对较小的航天器——卫星进行的在轨加注开始成为各国研究的热点。目前,美国通过轨道快车等计划进行了不少在轨加注实验,其在轨加注技术走在世界先进前列。


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二、中国急需在轨加注能力——中国对在轨加注也具有迫切需求,无论是未来空间站建设,还是卫星延寿,都需要在轨加注技术的支撑。按计划,从2018年起,中国将陆续发射空间站的核心舱和实验舱,2020年左右建成空间站,而空间站正常运行的条件之一就是掌握在轨加注技术(有人在轨加注技术)。不止如此,到2020年左右,中国在轨卫星数量将达到200颗左右,提升这些卫星的效益也需要掌握在轨加注技术(无人在轨加注技术)。然后在此基础上,中国还可以适时研究在轨加注站技术,推动中国载人深空探测计划的实施。此次发射在轨加注实验装置是中国首次空间在轨加注试验,相较于以往相关单位开展的关于在轨加注的理论研究、仿真分析和试验研究,可以说这次试验向实际应用前进了一大步。通过此次在轨加注试验,可以对空间推进剂流量及质量测量、加注对接接口、流体传输、推进剂管理、空间精细化自主操作等方面开展试验研究,探索和积累相关技术。在轨加注技术具有广泛应用前景,对于人类大规模、常态化的空间探索活动具有深远影响,能够为空间探索模式提供更多的选择,对于降低航天运输成本和任务风险、增强空间飞行器的任务适应性、延长空间飞行器的寿命都具有重要的作用。目前,美国在该领域相对领先,中国应加大研究投入,尽早掌握在轨加注技术。


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三、技术与成本之间矛盾——一颗卫星的造价动辄数亿美元,有的甚至更高,如果能够在太空为其补加燃料,延长寿命,带来的经济效益将十分可观。但问题是,以人类现在的技术条件和成本控制,给在轨运行的卫星补加燃料的成本,不见得比重新发射一颗卫星低多少。此外,现在的卫星设计多以一次性使用为前提,实施补加燃料的可行性不大。今后发射的卫星如果需要进行在轨补加燃料,在设计之初就需要安装一套较为复杂的加注系统,但这又会占用一定的卫星有效载荷。而且,在轨补加燃料还要面临交会对接以及加注过程中存在的风险,一旦发生意外,损失也将是不可估量的。尽管从技术层面上说,人类目前已经掌握的交会对接、空间机械臂等技术,能够支持我们完成太空加油的任务。但是,航天活动一直是一项高风险活动,其风险控制方面还有待加强,尤其是加注过程中容易发生的燃料泄漏等危险,不仅会导致加注失败,甚至还会导致卫星失效。不过,虽然在轨加注目前看上去存在一些困难,但其未来多方面的应用价值是可以预见的。除了给卫星延寿外,卫星在轨燃料加注技术还将推动先进的自动交会对接系统、机械臂等捕获装置的研发,而后者在未来可以为行星防御、大型轨道结构的安装等进行服务。此外,在轨燃料加注技术一旦被广泛采用,将会对后续卫星、飞船等航天器的设计理念有所突破,太空开发的成本也将有效降低,同时还能有效减少太空垃圾的数量。


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