燃料船我们走！——细数太空“加油”的故事
SpaceX的下一次发射Falcon 9 • NROL-76静态点火完成，发射日期30号不变，今晚开始星箭整合，因为是保密发射，只直播返场回收过程，没啥看头。所以说，最受关注的还是正在按计划进行各项在轨试验的天舟一号货运飞船，而试验中最受关注的自然就是燃料在轨加注了，这技术看起来不起眼，其实难度很大，而且用途广泛，绝不仅限于维持空间站轨道这么简单。所以今天我们就来聊聊在轨加注的“前生今世”和这项技术未来的“广阔前途”。
天舟一号和天宫二号完美对接后，进行的诸多测试中，最重要的莫过于在轨燃料输送，天舟一号要把自己携带的燃料送入天宫二号的燃料箱内。这一项看似不愠不火的燃料输送技术随着中国的加入，以及NASA重心向深空探测转移，又重新回到了诸多太空探索公司的未来计划中。在“黑店”ULA用来取代半人马座上面级的ACES低温上面级设计中，太空燃料加注成了关键的一环，而同为竞争对手的SpaceX更在大手笔星际运输系统（ITS）中，公布了燃料船对载人飞船的在轨燃料补给。为何太空“加油”会伴随着深空探索而突然井喷？又为何在这之前都是不愠不火的技术？燃料船究竟能“走”多远，又有什么技术制约？这一切的纠结还要从太空推进说起。
ITS燃料船轨道补给载人船
说起太空燃料补给，空间站都是常被提起的对象，然而美俄早期的空间站却都和太空燃料补给无缘。由于太空并不是真的空无一物，微小的气体阻力会降低空间站的飞行速度进而降低轨道高度，因而在近地轨道飞行的空间站需要定期加速提升轨道。早期的空间站，诸如苏联的礼炮1号和美国的天空实验室，均携带有一定量的燃料用以轨道调整，同时联盟载人飞船和阿波罗飞船也可在和空间站对接时用服务舱充当升轨推进器。不过一旦空间站用完自身携带的燃料，则只能依赖对接的飞船来提升轨道，不利于空间站长期使用。天空实验室便是因为燃料用尽却没能等到航天飞机来升轨，77吨的大型空间站在发射后仅6年便坠入大气层。
号称“最舒服”的空间站——SkyLab天空实验室
为了能让花费重金打造的空间站延长使用寿命，苏联在1977年9月29日发射的礼炮6号上首次投入使用太空燃料输送系统，并在次年2月2日成功完成人类历史上首次太空燃料补给。在大约24小时的燃料输送时间里，进步1号货运飞船将总计大约870千克的偏二甲肼燃料和四氧化二氮氧化剂送入礼炮6号的燃料罐中。此次燃料输送使得后续常驻型空间站的建造成为可能，进步号货运飞船的处女秀可谓是名副其实的空间站建造一大“进步”。
礼炮6号，左边为联盟载人飞船，右边为进步货运飞船
由于在轨飞行的航天器有失重效应，携带的液体燃料会悬浮在燃料罐内，因而无法和地面上一样采用燃料泵输送。苏联工程师的解决方案是采用氮气对燃料罐加压，进步号和空间站对接后，独立的气体管道由气泵将空间站燃料罐里的加压氮气导入进步号的燃料罐中，使得进步号燃料罐中整体压力大于空间站燃料罐，燃料在压力差的作用下进入空间站。整个过程中偏二甲肼和四氧化二氮通过前端加压货舱外壁的两条不同管线输送，对接输送管线不经过居住区，这样一旦发生泄漏有毒燃料会挥发入太空，避免对宇航员造成伤害。
进步号货运飞船，从左到右分别是加压货舱，液体储存及燃料补给舱，服务推进舱。各版本携带量略有不同，但整体布局一致。
进步号货运飞船的此套燃料输送系统被后续的礼炮7号以及和平号空间站继承，迄今仍被国际空间站俄罗斯轨道段的星辰号服务舱所使用，星辰号服务舱因此也成为国际空间站轨道调整最重要的模组。
图片正下方为与进步号对接的星辰号服务舱
不过星辰号服务舱的推进器更多用于微小轨道高度和空间站姿态调整，要推动国际空间站400余吨质量大幅度升轨，进步号货运飞船的小身板也有些力不从心。为此欧洲空间局通过购买俄罗斯的燃料补给系统，融合了美制R-4D引擎，建造了自动运载飞船（ATV，现已退役）。ATV在为国际空间站补给大量货物和燃料的同时，亦可通过携带的4.7吨甲基肼燃料和氮氧化物氧化剂为国际空间站进行大幅度加速升轨。
ATV构造，三舱式的布局很像放大版的进步号
ATV位于图最右的白色模组，其对接模组和进步号一样为星辰号服务舱
除去位于星辰号服务舱的燃料补给系统，国际空间站上还有另一套不怎么出名的燃料补给系统，那便是NASA安装在加拿大臂-2“专用灵巧机械手”（SPDM）上的机械燃料补给系统（RRM）。和进步号不同，RRM模组以机械臂捕捉对接的方式输送燃料，以测试为在轨卫星进行燃料加注延长使用寿命的可能性。具体燃料加注原理和俄罗斯系统一致，唯一区别是氮气换成了氦气。
宇航员正在进行RRM作业
其实在RRM测试模组的背后，是NASA和美国国防高等研究计划署（DARPA）联合研制的另一项名叫“轨道特快”的太空燃料补给计划。此计划目的在于研发一种对在轨卫星，尤其对地球同步轨道卫星进行自动维修和燃料补给的方式，以此来延长卫星的使用寿命，降低卫星操作成本。两颗技术展示卫星ASTRO和NEXTSat在2007年3月8日发射入轨，并在同年6月29日完成了机械臂捕获和燃料补给。尽管“轨道特快”的技术已证实可行，但迄今为止仍未有军方或商业卫星公司出资购买此项服务，太空燃料补给的弊端在“轨道特快”上展露无遗。
“轨道特快”示意图
其实早在和平号空间站时，进步号货运飞船的发射频率便已不能完成空间站的升轨要求，需要航天飞机轨道器推力更大的两台AJ10-190引擎来协助。NASA始终没有研发类似于俄罗斯的空间站燃料补给系统，很大程度上是因为和载人飞船相比，航天飞机轨道器可以频繁发射，入轨后74.3立方米的加压空间已堪比小型空间站。同时轨道器尾部两套轨道机动系统（OMS）共计53.4千牛的推力已远超其他任何飞船服务舱的推力，这使得轨道器只需定期前往国际空间站对接，便可仅用自身推力完成远超进步号货运飞船和ATV货运飞船的升轨幅度，无需为空间站补给燃料。
图中在顶部RS-25两旁略小的喷口便是轨道器的OMS模组喷口
OMS模组构造
以现有科技向太空运输燃料的价格和飞船发射价格相比并没有显著优势，对于近地轨道空间站来说输送燃料再由空间站自身引擎推进升轨，其升轨效率很可能还不如运输飞船服务舱来的实在。如果说向载人空间站运输燃料是用来延长质量较大的空间站使用寿命的话，那么运输燃料给质量较小的无人卫星便得不偿失。NASA前署长麦克•格里芬曾表示保守估计送1千克燃料进入近地轨道要花费10000美金，这不仅远高于猎鹰9号火箭大约4109美金／千克的输送价格，甚至接近“黑店”ULA招牌的宇宙神5号火箭大约13000美金／千克的输送价格。也就是说对于追求利益最大化的商业卫星公司来说，给旧卫星补充燃料很可能还不如造一个新卫星便宜，更不用说旧卫星其他设备的老化问题。
在ULA的商业计划中，ACES将承担把货物从近地轨道送入同步轨道或地月L1拉格朗日点的任务
如果说太空“加油”在经济上并不一定实惠，为何还会有诸多公司趋之若鹜呢？那便要看加的是什么“油”了。航天飞机轨道器的OMS再强大，也仅能帮助轨道器进行近地轨道范围内的机动，使用常温储存的燃料在推力和比冲都赶不上低温燃料，若要进行载人深空探测是心有余而力不足。以迄今为止唯一一款载人深空探测的土星五号第三级S-IVB为例，单台J-2氢氧引擎可提供1033千牛的推力，共计携带87.2吨液氧和18吨液氢，而整个S-IVB第三级总重仅115吨。可以毫不夸张的说，土星五号火箭推力和比冲均惊人的第一级S-IC和第二级S-II，其实是为了将第三级的这105吨低温燃料送上近地轨道。ULA和SpaceX都致力于研发的太空燃料补给系统，和过去系统相比最大的区别，便是运送储存的是低温的液氢（ULA）和甲烷（SpaceX）。
火箭上面级引擎推力（纵轴）和比冲（横轴）对比，氢氧引擎（绿点）和甲烷液氧引擎（蓝线）的比冲远大于常温储存燃料（灰点）的比冲。
不过任何性能的进步都伴随着更大的技术挑战。以液氢为例，其带来惊人比冲的同时也是非常难以储存的燃料，不仅因为液氢沸点极低(-252.87°C)，还有其极低的粘度和极高的自然蒸发量。就像水不到沸点便会蒸发一样，储存在燃料罐里的液氢也会逐渐变为氢气，如果不释放这些气体，氢气体积迅速膨胀产生的压力会直接撑破燃料罐。同时由于氢气粘性很小，任何燃料管线细微的破裂都会导致液氢迅速挥发入太空。以现役性能最好的半人马座上面级为例，其在最理想条件下释放蒸发量为每天1.6%-2%，如果有太阳光直射最糟糕情况可能9个小时便蒸发30%，显然此种燃料浪费速度是长时间储存难以接受的。
半人马座上面级设计图，尾部悬挂有燃料罐加压用联氨和氦气罐。看似简单的构造其实对建造工艺和材料技术都有很高的要求。
ULA的可能解决方案包括采用“遮阳罩”将储存罐罩起来。
在未来上面级改造开发上，ULA的官方倒是很有底气，认为可以通过材料隔热技术的升级在未来把半人马座上面级的挥发量降低到每天1%。在负责太空“加油”的ACES上面级上，ULA则预计将液氢挥发量降低到每天0.1%，同时ACES还要利用主动释放的氢气作为电器电力来源进行加压，以省去传统储存液氢时所需的加压气体。当然ULA敢如此夸下海口，也是因为现役液氢储存性能最好，具备多次点火能力的两个上面级，半人马座和德尔塔低温第二级（DCSS）都是ULA自家产品。
马斯克：液氢是什么？没听过的燃料呢。
马斯克：啊！
与之相比没有任何液氢储存经验的SpaceX选择了性能略差但更易储存的液体甲烷。一方面因为甲烷可以在火星制造，另一方面因为虽然甲烷的沸点也很低（-161.49°C），但也已远比液氢高许多，更高的粘度和更低的天然挥发量使得液体甲烷不需要液氢储存时的“高标准，严要求。”对于已在使用−207 °C液氧作为高密度氧化剂的SpaceX来说，甲烷的长期储存技术更容易掌握。不过SpaceX的选择也有一定风险，毕竟作为火箭燃料的后起之秀，液体甲烷在真空中蒸发量的数据可谓少之又少，在管线设计上和燃料储存上更没有任何前车之鉴可供参考。
我想这张图已经可以清晰的表明SpaceX为什么不选择液氢液氧组合，而是选择未知的甲烷
究竟那庞大的12米直径碳纤维燃料罐能否保护住真空极端环境下的液体甲烷，就让我们拭目以待吧。（有意了解更多SpaceX甲烷机情况的读者可以翻看下面前两篇往期文章）
（全文完）
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