中國的“太空加油”衛星來了

澎湃新聞特約撰稿 邰豐順

在影視劇或媒體報道中，空中加油技術出現的頻率還是不少的，因此大家對空中加油這個詞還是比較熟悉的，那“太空加油”呢？想必大家就比較陌生了。

在本屆珠海航展上，由航天科技集團八院獨立設計研製補加服務飛行器首次亮相，這款飛行器就是可以為太空執行的衛星進行“太空加油”。那麼，“太空加油”如何進行？“太空加油”技術有什麼意義？

補加服務飛行器首次亮相。

衛星壽命主要看燃料

在地球赤道上空約3.6萬公里處， 有一條獨一無二的衛星軌道。在這條軌道上執行的衛星，繞地球執行週期恰好是24小時，與地球自轉週期相同。在地面看來，這條軌道上的衛星就像靜止不動懸在空中一般，因此這條軌道被稱為地球靜止軌道，在這條軌道上執行的衛星就稱為地球靜止軌道衛星。

在這條軌道上執行的衛星通常有通訊衛星、導航衛星、氣象衛星，此外還有不少導彈預警衛星、電子偵察衛星和遙感衛星，這條軌道不僅對民生很重要，對一國國防也很重要。

但這條軌道也非常擁擠。受天線接收能力限制，同一頻段、覆蓋區域相同或部分重疊的地球靜止軌道衛星只有間隔一定的距離，即從地面看要間隔一定的角度，地面上的測控站才能區分不同的衛星訊號。一般而言，2顆中等容量的衛星之間在經度不小於2度。如果按2度放1顆衛星，一圈360度最多隻能放180顆，資源相當有限。雖然透過軌道共位技術或間隔比較近的衛星使用不同頻段的通訊頻率的方式增加了軌道上衛星的數量，但還是非常緊張，而且軌道共位技術目前世界上只有美國、中國、德國、日本等少數國家掌握。

為避免爭端和衛星碰撞，聯合國還專門成立了國際電信聯盟，管理這一事情。該機構主管資訊通訊技術事務，負責地球靜止軌道上每顆衛星的通訊頻率、軌道位置等的規劃和協調。

補加飛行器“太空加油”模擬圖。

除了軌道資源緊張，地球靜止軌道衛星的造價也十分高昂，往往高達數十億人民幣。

嚴格來說，執行在地球靜止軌道上的衛星並不是完全靜止不動的，它們除了會受到地球引力之外，還會在月球、太陽的引力作用下逐漸飄離原有軌道。雖然衛星上都安裝著太陽能帆板電池，但由於要長期在軌執行，衛星還是需要消耗燃料來進行軌道維持、誤差修正、調整姿態以及應急變軌等“動作”。通常，衛星在發射時會一次性攜帶十幾年壽命的燃料。但進入太空以後，燃料只會越用越少，燃料耗盡後，衛星的壽命就結束了。因此燃料的儲備直接決定著一顆衛星的使用壽命。比如一顆重達5.5噸的地球靜止軌道衛星，燃料的重量足足佔據了一半以上。

隨著技術的不斷成熟，衛星本身元器件的可靠性、效能已經達到一個相當的高度，而燃料卻成為影響衛星服役壽命的重要瓶頸。如果燃料耗盡，衛星就無法繼續在軌執行。軌道高度的降低將使得衛星逐漸墜入大氣層燒燬，而有些衛星本身效能、元器件都完好無損，僅僅是因為燃料耗盡而無法維持其軌道高度，地面控制中心不得不將其放棄。

在日常生活中，我們駕駛的汽車可以透過不斷加油實現遠距離駕駛，在空中，很多軍用飛機或直升機則可以透過空中加油技術，大幅增加航程。目前大部分的“報廢”衛星之所以提前結束“生命”，都是受限於自身燃料攜帶量的不足，因此燃料補加技術的突破也必將大大延長衛星的工作壽命，為在軌衛星的長期運營提供能源保障。

實踐二十號衛星是目前世界上最重的通訊衛星。

雪中送炭的“太空移動油罐車”

此次亮相珠海航展的補加服務飛行器，是由航天科技集團八院獨立設計研製，專職從事燃料“上門補加服務” 的飛行器。據八院805所設計師介紹， 該補加服務飛行器在設計之初便簡化了自身功能，在維持基本在軌執行的前提下，實現儘可能多的裝載燃料。

補加飛行器可一次性攜帶1.3噸燃料，佔到了自身重量的52%，堪稱一輛“太空移動油罐車”。而對於一顆“急需救助”的衛星來說，只需補加50千克燃料，衛星就可以延長大約一年的壽命，與重新發射一顆靜止軌道衛星的造價相比，成本足足降低了35%，因此實現燃料在軌補加技術，對造價高昂的衛星來說不啻雪中送炭。

在軌補加飛行器的前端裝有雷達和相機組成的導航系統，使其具備了“自動駕駛”的功能。當收到燃料短缺的衛星發出的求助訊號後，飛行器將在地面排程系統的導引下，到達衛星的後方，利用導航系統自主跟蹤並接近衛星。在到達距離衛星大約2米以內時，在機械臂的配合下，實現與衛星補加口的緊密連線，將燃料輸送給衛星。

補加飛行器可一次性攜帶1.3噸燃料，佔到了自身重量的52%，堪稱一輛“太空移動油罐車”。

為多型別燃料補加創造條件的新型對接機構要想在太空中順利“加油”，飛行器首先要實現與衛星的精準對接。2017年，天舟一號貨運飛船與天宮二號空間實驗室成功對接，首次完成了推進劑在軌補加試驗，意味著我國已成功突破在軌空間燃料補加技術，成為世界上繼美俄之後第三個獨立掌握該技術的國家。此次與補加飛行器一起首次亮相的停靠補加裝置，是飛行器執行在軌補加任務的關鍵技術， 也是我國首個應用於衛星的新型對接機構，它透過與衛星實現緊密可靠連線，為補加服務飛行器進行補加任務創造條件。

與其他對接機構一樣，停靠補加裝置分為主動端和被動端，主動端安裝在補加服務飛行器上，補加任務期間的所有動作均由補加服務飛行器上的主動端完成。據瞭解，“在發射前，衛星僅需配置一個標準化被動埠，即可實現後續在軌執行期間的補液、補氣、補電等多型別的補加服務。

MEV-1“太空加油”示意圖。

美國已成功展開相關試驗

由於“太空加油”技術具有廣闊的運用前景，多個航天大國或強國都在積極研發這一技術。

2020年2月，美國完成了首次太空加油任務，諾斯羅普·格魯曼公司的任務擴充套件飛行器（Mission Extension Vehicle-1，簡稱MEV-1）與一顆名為IS-901衛星的進行了對接，將部分燃料送入後者的燃料箱，為其增加了額外5年的壽命。

5年後，MEV-1將把IS-901衛星拖曳至“墳墓”軌道分離，這顆IS-901衛星會在星齡24歲時退役。屆時，MEV-1將會為其新客戶衛星提供類似的延壽任務。這是人類歷史上第一次商業衛星交會對接，也是在軌服務技術實踐邁出的一大步。如在軌服務任務連續，按MEV-1設計壽命可為3顆高軌衛星提供續命服務。

MEV-1加油口和受油口細節。

MEV-1衛星於2019年10月9日由俄羅斯“質子”火箭發射升空，同行的還有一顆歐洲通訊衛星。MEV-1重約2噸，攜帶了重1噸左右的燃料。計算表明，如果給靜止軌道上的衛星補給60千克燃料，即可延長衛星壽命1年。也就是說MEV-1自帶的燃料可為3顆即將耗盡推進劑的GEO衛星各延續5年工作壽命，而MEV-1加油補給衛星本身同樣高壽，設計壽命至少15年。

MEV-1與IS-901衛星的第一次商業交會對接成功，為國際通訊衛星公司節省了一大筆老星退役、新星補網的錢，為在軌服務前景注入一劑強心針。美國智庫、北方天空研究所（NSR）釋出的“在軌服務和空間態勢感知市場”第三版報告指出，到2029年，衛星壽命延長、重新定位、脫離軌道、打撈、機器人和空間態勢感知等應用的累計收入將超過31億美元。其中，75%的需求來自非地球同步衛星，但由於高軌道任務的複雜性，地球靜止軌道衛星帶來的收入佔66%以上。

本期資深編輯 邢潭