“天舟一号”的太空加油将如何实现?

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-04-20

飞机空中加油的事儿倒是经常听说,但“太空加油”是什么鬼?

  我国首个货运飞船“天舟一号”发射在即,作为中国第一位太空“快递小哥”,“天舟一号”自然令万众瞩目。“天舟一号”的核心任务之一是实施推进剂在轨补加技术,也就是俗称的“太空加油”。按计划,“天舟一号”将和“天宫二号”进行3次自主快速交会对接,完成3次“太空加油”任务。看到这里,有些小伙伴难免疑惑:飞机空中加油的事儿倒是经常听说,但“太空加油”是什么鬼?

“天舟一号”的太空加油将如何实现?

 “天舟一号”想象图(网络图)

  其实,推进剂在轨补加技术可谓是空间站建设的标配。随着航天技术的发展,人们越来越关注如何延长航天器的在轨寿命。虽说太空中接近真空状态,但近地轨道空间站在运行过程中还是会受到残存大气阻力的作用,其轨道高度因此会逐渐降低。而空间站的推进剂携带量是有限的,一旦“弹尽粮绝”,岂不是要一头撞向地球?

  为了避免这种状况,让空间站维持恒定的轨道高度,延长其在轨运行寿命,就需要及时补充燃料,“太空加油”技术便应运而生了。过去中国没有自己的空间站,也一直被排除在国际空间站的玩家之外,因而一直没有开通“太空快递”业务。而如今,国际空间站行将退役,而我国的载人空间站工程却正值当打之年,所谓有需求就有市场,“天舟一号”这位“快递小哥”便光荣上岗了。目前关于“天舟一号”的“送快递”方案尚无公开报道,不过我们可以通过“天舟一号”的外国前辈来了解太空“快递小哥”的日常。

“天舟一号”的太空加油将如何实现?

 “天宫二号”空间实验室(来源:CCTV)

  我们知道,飞机空中加油尚且不轻松,要给空间站进行“太空加油”自然也绝非易事。作为空间站领域的“扛把子”,俄罗斯(前苏联)最早研究并实现了“太空加油”技术。俄罗斯最早的“进步号”货运飞船带有4个橡胶隔膜贮箱,其中2个装燃料,2个装氧化剂。当飞船和空间站完成对接后,它们的推进剂加注管道就会自动连接并检查密封性。在确保密封无问题后,空间站上的压缩机会将被补加贮箱里的氮气压缩到高压气瓶中。而飞船则会通过高压氮气给加注贮箱加压,这样推进剂就被推送到了空间站上的被补加贮箱中。这一补加过程由地面或空间站控制,为避免推进剂泄露产生危害,需先加注燃料,再加注氧化剂。

“天舟一号”的太空加油将如何实现?

空间站补加系统原理图(来源:文献[3])

  俄罗斯的“太空加油”技术被称为压缩机法,而美国“轨道快车”计划则采用了泵输送法的补加方案。这种方案在实施时,需要先连接飞船的补加贮箱气腔与空间站的被补加贮箱气腔,当2个气腔实现压力平衡后,便用泵把推进剂送入被补加贮箱。压缩机法的一大缺点是质量大、能耗高,而泵输送法则克服了这一缺点,且对各种航天器都适用,“天舟一号”采用的极有可能也是泵输送法。

  掌握“太空加油”技术是我国实现空间站长期在轨飞行的重要前提,相信在不久的将来我们一定会常常听到这样的对话——天舟:“亲,请开门!”天宫:“谁啊?”天舟:“送快递的!”

“天舟一号”的太空加油将如何实现?

中国载人航天系统组成(来源:中国载人航天官网)

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  参考文献:

  [1] 观察者网新闻. 天舟一号货运飞船与长征七号火箭准备就绪, 4月20日至24日择机发射[EB/OL]. (2017-04-17)[2017-04-19]. http://www.guancha.cn/Science/2017_04_17_403974.shtml.

  [2] 李虎林,杨震春,付朝晖. 推进剂在轨自动补加技术研究[J]. 中国航天,2012(12):36-39.

  [3] 臧家亮. 空间站及其推进系统[J]. 载人航天,2003(2):29-36.

  [4] 龚明方. 空间补加系统建模与仿真研究[D]. 国防科学技术大学,2007.

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