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谁给卫星办“退休”?太空拖船!

中国宇航学会
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在几乎每一个海港里,我们都可以看到一种奇异的船只。它们个头不大,有高高的艏楼和地坪的尾部。这些船装着超大功率的发动机,它们自己不能载货也不能载人,却能拖着巨轮进进出出,这就是拖船。如今在太空里,也有它们的兄弟了。这些太空拖船,说不定还能把飞船拖到月球和火星上去呢。

发射器公司的太空拖船

太空拖船是用来做什么的?

在传统的卫星发射当中,经常会遇到变轨的需求,也就是改变卫星的轨道。有的时候,火箭只能把卫星送到某一个高度或者倾角,然后卫星要靠自己的发动机,逐步前往预定轨道。在发射地球静止轨道卫星的时候,这样的案例最为明显。

另外在有些时候,一颗卫星在某个轨道上完成了任务,就要机动到另外一个轨道上去。当卫星彻底完成了自己的使命,准备退休的时候,还需要把自己拖到墓地轨道上,把轨道位置让给自己的继任者,同时也避免成为轨道垃圾。

在传统上,这样的工作都要靠卫星自己携带的发动机来进行。静止轨道卫星上的远地点发动机,就是用来将卫星从同步转移轨道送往静止轨道的设备。

但是卫星自己携带这么大的变轨发动机是很重的负担。在发射的时候,它是作为卫星的一部分用火箭来送进太空的。在卫星飞行的绝大多数时间里,变轨发动机都是处在闲置的状态。轨道保持的任务,也并不一定需要大推力的变轨发动机。等到卫星寿命结束,它又要随着卫星一起前往墓地轨道。终其一生,发挥作用的时间也没有多少。变轨发动机还需要携带相当数量的燃料,当卫星寿命结束,如果燃料还没有用完,就白白浪费掉了。

要知道,人类送进太空的每一克重量都是非常宝贵的。能不能有一种办法,把变轨发动机和卫星分离开来,用其他的航天器把它们拖到要去的轨道上呢。宇航科学家们一直在考虑一种太空拖船的概念,也就是把一种具有强大推力的航天器部署在轨道里。它没有通信、遥感或者导航载荷,唯一的用处就像港口的大马力拖船一样,帮助其他船只进港和离港,也可以抢救故障的船只。

于是乎,商业太空拖船成了这几年的一项新兴业务。如果我们搜索航天媒体的关键词“Spacetug”,就会出现几个名不见经传的企业,比如澳大利亚的“太空机器公司”、美国的“太空飞行公司”、“向量公司”等等。

太空机器公司提出的拖船方案

最早的太空拖船是什么样的?

很少有人知道,太空拖船的概念早在上世纪40年代就出现了。埃里克·弗兰克·罗素在1942年的短篇小说《描述一个圆》中发明了这个概念。这篇小说没有中文版,作者本人也名不见经传。不过,spacetug这个词汇确实是他发明的。也有人认为是二战后科幻作家默里·莱恩斯特提出了这个概念,他出版了一部小说就叫做《太空拖船》,是《太空平台》的续集。不过看来,罗素的想法确实更早一些。

在《描述一个圆》这篇小说里,罗素想象了一艘采用四溴化铀作为核燃料的宇宙飞船新泽西号,它试图进入赫克特小行星上的殖民地。这颗小行星是木星最大的特洛伊小行星。但是按照小行星殖民地的法律,外来飞船不能在距离100千米的轨道上开启发动机,所以殖民地派遣了一艘核动力拖船布鲁图斯号前来接应。布鲁图斯号采用核热火箭发动机,核裂变材料密封在一个熔融石英室中,所以被称作核灯泡。罗素还很贴心地设想了两艘核动力飞船的对接方式,必须是鼻子对鼻子,装有反应堆的动力部分必须处在远端的防护罩后面,不能直接面对驾驶舱。

按照这些早期概念,太空拖船是有人驾驶的小型飞船,配备了不成比例的超大型发动机和机械手,这与港口的拖轮概念一模一样。拖船有两种方式来驱动自己的服务对象。如果是推动,船头就要设置一个巨大的推板,其中有一个结构件核心,把发动机的推力传递给推板。如果是拖拽,船尾会有缆绳和绞车,发动机要倾斜一定的角度向后喷射,这样不会烧坏被拖拽的航天器。但是这种情况下要损失一点推力。

到底什么是太空拖船?

到了今天,太空拖船的定义更加清晰了,它是一种航天器,可以把太空里的物体从一个轨道转移到另一个轨道。例如,将航天器从低地球轨道(LEO)移动到高轨道,如地球静止转移轨道、月球转移轨道或逃逸轨道。

一般来说,太空拖船指的是可重复使用的天基飞行器。有些人把火箭上面级也叫做太空拖船。上面级是运载火箭的一部分,在很多时候都是用来实施一箭多星发射任务的,比如中国的远征一号上面级、美国的半人马座上面级、俄罗斯的微风上面级。但是上面级的使用时间也是有限的,当所有的卫星都进入了预定轨道,上面级的任务就完成了,而这个时候上面级的绝大多数部件包括结构、燃料储罐、推力器、姿态和轨道控制系统都处在完好的状态,就这样扔在太空里实在有点浪费。还有一种新概念航天器,也被支持者们归入太空拖船的行列,那就是诺斯罗普-格鲁曼公司首发的地球静止轨道卫星延寿器MEV。它所采用的技术和太空拖船有很多相似之处。

在轨服务有时也被归于拖船类

但火箭上面级和卫星延寿器这些航天器和太空拖船还是有所差异。太空拖船仅是那种把航天器在不同轨道甚至不同星体之间拖来拖去的设备,拖拽到位,两者就分手了,就像港口的大马力拖船一样。

太空拖船现在发展的怎么样了?

进入21世纪后,试图开展太空拖船研制的企业很多。俄罗斯能源公司于2005年提出了一种名为Parom的太空拖船概念。当时俄罗斯正在考虑研制“快帆”新一代载人飞船。有了Parom拖船,“快帆”可以不带燃料上天,进入转移轨道后靠拖船送到国际空间站。这样可以降低发射成本。2015年,洛克希德·马丁公司向美国宇航局提出了一个名为“木星”太空拖船的概念方案,该方案基于洛克希德·马丁公司的两个早期航天器“火星大气和挥发性演化任务”和“朱诺”的设计,安装一个加拿大MDA公司的机械臂。不过美国宇航局没有为它提供资金,洛克希德·马丁公司也就放弃了。

这几个型号没有成功,是因为在航天发射还不算太频繁,商业发射市场并不成熟的时候,太空拖船找不到足够的客户,也就没有了研制和运行的基础。

如今随着各种火箭频繁发射,宇航发射越来越接近于航班化运行。猎鹰9号火箭已经实现了每年超过40次的发射,几乎每个星期都能发射一次,未来有可能实现一个星期发射两次,那么再加上其他国家正在研制的有希望实现航班化飞行的火箭,在今后几年时间里,很可能出现一天发射好几次火箭的情况。

对于火箭发射来说,比较理想的方式就是把卫星统一送到某一个轨道面上,再用别的办把卫星送往预定轨道,这样可以极大地提高火箭飞行的效率。如果有一种长期在轨运行的拖船,不停地从原始轨道把卫星拖到各自的预定轨道上,那不就成了一门有利可图的生意吗?

在很多海港里,就有这样的服务。很多大型船只在靠港或者离港的时候,因为船身庞大、操作不灵,容易发生碰撞事故,这时候就需要拖船来把它们准确送到预定位置。如果船只在海上发生事故,也需要拖船去抢救。一些失去动力的船想要长途航行,只能靠大马力拖船来拉着走。当船只报废,要进入拆船厂,同样需要拖船把船只推到海滩上。太空拖船正好可以承担同类任务,只是场景换到了太空里而已。

从航天技术本身的角度来说,这相当于设置了一个长期在轨运行的上面级,可以分享给很多的卫星来使用,每颗卫星的业主只需要支付自己那一段航程就可以了,而不用买一套完整的变轨发动机系统或者上面级,想起来还是蛮划算的。

于是乎,有不少新兴企业提出了一种“太空拖船即服务”的概念,希望能让卫星业主在部署和维护卫星方面拥有更大的灵活性。

太空拖船的市场需求,号称是商业化最后一英里交付服务。美国太空飞行公司的工程副总裁菲尔·布拉肯说:“太空拖船有潜力从根本上改变小型卫星市场。有了这种服务,此前一度无法到达的轨道,对卫星业主就是可行的选择,能够满足日益增长的市场对轨道多样化的需求。”

最近几年,有大量的小卫星入轨,但大多数小卫星客户都只是在进行技术演示验证。有一些大规模星座的业主会购买大型火箭服务来部署星座。但是很多小卫星必须达到非常特殊的轨道,才能获得最佳的创收服务。这种“极端的最终轨道状态”,无论是搭载发射服务、拼车发射服务,还是专用小型运载火箭都无法实现,这就给太空拖船提供了机会。

另外,为减少空间碎片,报废卫星的脱轨问题,也对太空拖船提出了需求。一部分企业已经表示,要提供从摇篮到坟墓服务的太空拖船服务。

太空拖船可以用来清理轨道碎片

比如美国太空飞行公司开发了一种叫“夏尔巴人”的系统。它其实是一种类似于上面级的型号,带有推进和电力系统。2018年12月,“夏尔巴人”搭乘猎鹰9号火箭首飞,部署了来自17个国家的64颗小型卫星。但它更接近于上面级,而不是反复使用的拖船。

夏尔巴人太空拖船更类似于上面级

意大利空间物流和运输公司D-Orbit开发了InOrbitNOW(ION)卫星载体。2022年5月25日,该公司在猎鹰9号火箭的Transporter-5任务中搭载发射了第六颗飞行器“无限蓝”。

有了太空拖船,卫星在发射后进入某个等待轨道,然后用拖船送到预定轨道。有了这样的服务,业主可以减小卫星的自身变轨能力,甚至完全不考虑变轨能力,完全依靠拖船,以此来降低成本。

“太空拖船有潜力从根本上改变小型卫星市场,”太空飞行工程副总裁菲尔·布拉肯说。“有了在轨推进能力,由于成本或推进能力,一度无法到达的轨道将是可行的选择,可满足日益增长的市场对轨道多样化的需求。”

主打一个经久耐用的太空拖船应该使用什么燃料?

既然是长期运行的拖船,那么就不可能采用那种很快就消耗完的化学燃料,比如说无水肼之类的。太空拖船需要一种能够使用好几年也不用补充耗材的能源方式。到目前为止,有两种技术手段可以实现这样的要求,第一种就是电火箭发动机,第二种是核动力发动机,当然这两种技术之间可能存在交叉。电火箭发动机是我们非常熟悉的,它依靠太阳能或者核能提供电力,通过高速喷射离子的方式来产生推力。这种发动机的问题是推力比较小,比如说一两牛顿,用它来拖带卫星,可能需要消耗比较长的时间,适合于那种不着急让卫星投入使用的客户。核动力也有两种,一种是用同位素电池来发电,提供给离子发动机使用;另一种就是核热火箭发电机,它通过反应堆把水之类的介质加热到气态,具备很高的压力,然后用每秒9000多米的速度喷射出去。核热火箭发动机的比冲虽然比离子发动机要小很多,但是能够实现的总推力是非常可观的。比如俄罗斯提出的VASIMR等离子体火箭,只需9吨氩气推进剂即可往返月球,将34吨货物从低地球轨道运送到低月球轨道。

太空拖船一般采用离子发动机

太空拖船怎么才能把卫星拖走,同样是一个需要解决的技术问题。如果仅仅是打算把一颗卫星拖到墓地轨道上报废,那么在拖船上装一套机械手就可以了,用机械手不分青红皂白地抓住旧卫星,启动发动机就可以启航了,但是如果要把新卫星送到工作轨道上,机械手的粗暴操作很可能就会损坏卫星。因此必须要为后一种用途设计标准化的接口,将拖船用机械臂或者其他的连接器与受服务的卫星稳妥地连接在一起,再拖着它前往预定轨道。这实际上就是一种合作目标的空间交会对接。在这个问题上,载人航天器的舱段对接能够为我们提供很多技术参考,特别是空间站的机械臂和舱段部件之间采用了标准化的接口,为机械臂进行舱段转位提供了良好的条件。

如果太空拖船要为整个航天产业提供服务,那么业界就必须统一出一种普遍适用的接口标准来。目前这项工作还没有完全提上议事日程。按照产业的一般规则,这件事需要通过商业竞争来决定。

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大学士级
有了在轨推进能力,由于成本或推进能力一度无法到达的轨道将是可行的选择,可满足日益增长的市场对轨道多样化的需求。
2024-01-26
科普619c6b67779a4
学士级
有了太空拖船,卫星在发射后进入某个等待轨道,然后用拖船送到预定轨道。
2024-01-26
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少傅级
一般来说,太空拖船指的是可重复使用的天基飞行器。有些人把火箭上面级也叫做太空拖船。
2024-01-26