国外在轨燃料加注站构型研究

唐 琼 焉 宁 张 烽 （中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

国外在轨燃料加注站构型研究

唐 琼 焉 宁 张 烽 （中国运载火箭技术研究院研究发展中心）

The Assessment of Foreign On-Orbit Propellant Depot Configuration

1 前言

在轨燃料加注站通俗来讲就是一个建造在空间的推进剂储藏室，其围绕地球或其他星体轨道运行，为太空中的飞行器或飞行器转移级加注燃料。根据燃料补给类型或空间建造位置的不同，可以提出许多不

同的加注站概念。

在轨燃料加注站支撑各空间探测任务示意图

在轨燃料加注站除了能够提供推进剂的补给功能外，还具有提供推进剂的空间贮存功能。此外，还可以为航天器的在轨维修和升级提供支撑，为乘员提供补给，为加注站和航天器之间的载荷交换提供平台。

2 在轨燃料加注站概念研究

由于人类的空间探测需求不断增加，特别是高轨任务和深空任务将越来越频繁，空间运输变得越来越像地面运输，在轨燃料加注站变成像汽车加油站一样，在空间给空间运输系统进行在轨加注，空间运输系统将重复执行空间各目的地之间的运输任务，而不用回到地面加注推进剂，这样将大大简化未来整个空间运输系统模式，增强航天运输系统的能力，降低整个航天运输系统规模，同时大大改变空间探测任务模式。

早在20世纪70年代，美国国家航空航天局（NASA）就开展了在轨燃料加注站的研究，那时的研究目的是为一种长期在轨可重复使用的空间转移运输器提供燃料补给。另外，美国国家航空航天局在开发“国际空间站”的时候，也把在轨燃料加注站作为空间目标任务之一，并进行了推进剂在轨贮存与传输等关键技术的研究，开展了大量设计、仿真和地面试验。

2005年，美国国家航空航天局马歇尔航天飞行中心（MSFC）研究表明，在轨燃料加注站将是提供空间服务、在近地空间及以远空间任务对推进剂利用的一大里程碑，并给出2个在轨燃料加注站的初步构型设计。2006年，进一步明确了空间低温推进剂加注站的体系和概念，开展了方案研究，明确了技术发展需求，并做出了评估。

为后续开展载人小行星/火星等探测任务，美国国家航空航天局将“低温推进剂在轨贮存与传输”（CryoSTAT）列为重点任务，并制定了详细的分步骤演示验证与技术攻关路线。首先开展“低温推进剂在轨试验验证”（CRYOTE）任务，该任务分为三部分。首先用1.5～2年的时间，耗资5000万～2亿美元完成2个飞行演示任务，分别是CRYOTE Lite和CRYOTE Pup，这2个任务都联合“半人马座”（Centaur）火箭上面级开展关键技术的突破，CRYOTE Lite在轨演示17h；在CRYOTE Lite和CRYOTE Pup关键技术验证后，开展“CRYOTE自由飞行器”（CRYOTE Free Flyer）作为独立飞行器，进行在轨1年的综合验证，耗资1.5亿～2亿美元。CRYOTE计划的实施是对美国国家航空航天局重要任务的重要支撑。

“低温推进剂在轨试验验证”任务支撑美国国家航空航天局重点任务路线图

3 在轨燃料加注站构型研究

在轨燃料加注站的构型具有多种可能性，在以往的研究中已经提出过的构型大概有12种。

本文将采用下述七项评估标准对这12种在轨燃料加注站的构型进行评估。

评估标准一：贮箱开发成本。贮箱开发成本涉及投资资金，设计贮箱要求所需的资金越少越好。对现有贮箱进行少量改进就能使用属于开发成本低；对现有贮箱进行大量改进才能使用属于开发成本适中；研制新型贮箱属于开发成本高。

评估标准二：发射组装次数。发射组装次数是一个定量标准，发射组装次数越少越好。发射次数为1～3次属于较好，4～7次属于适中，多于7次属于较差。

评估标准三：装配简易性。装配涉及如何在轨简易装配加注站，装配越简易越好。若一个单独的贮箱仅需要很简单的在轨装配最好。若仅要求结构和电连接属于简易装配；若要求结构、电和流体连接属于适中装配；若要求结构、电、流体集成连接装配属于难度大装配。

评估标准四：实施复杂性。实施复杂性指加注站在轨所需要开展的操作。单点停靠，加注站不进行旋转属于简单操作；单点停靠、加注站不进行旋转但存在液体贮箱更换属于适中操作；复杂停靠机动、加注站旋转和液体贮箱更换则属于复杂操作。

评估标准五：热防护性能。热防护性能主要考虑加注站长期在轨贮存的难易，这涉及到表面积与质量的比率和综合热控的难易。这里设定表面积质量比小于10000属于较好，大于10000属于适中。对于长期在轨贮存而言，串联的硬件设备的热防护性能将更差（如构型4）。

评估标准六：推进剂管理装置（PMD）复杂性。其复杂性的评定完全基于所需推进剂管理装置的数量。这与所用贮箱的数量一致，在推进剂管理装置复杂性方面，贮箱越少越好。推进剂管理装置为2个或2个以下最好，3～8个适中，多于8个则较差。

供参考的12种加注站构型

评估标准七：微小轨道碎片（MMOD）风险。其风险涉及微流星体碰撞概率，以加注站在每平方米中暴露的平均表面积作为评估标准。暴露表面积小于158m2属于较好，介于158～185m2之间属于适中，大于185m2则属于较差。

评估结果用不同的颜色表示，绿色表示较好，黄色表示适中，红色表示较差，蓝色表示最好（比其他颜色更好）。

从在轨燃料加注站构型评估表可以看出，①构型5和构型11都是只有1个红色，优于其他构型。其中，构型5有1个蓝色，5个绿色，构型11有6个黄色，所以构型5优于构型11。②构型1～3、构型7～10和构型12都是有2个红色，其中，构型1和构型12有3个绿色，2个黄色，也属于比较好的构型。③构型5和构型12都要新研贮箱，需要较多的贮箱开发成本。而且，构型5的贮箱大小还将受限于目前运输系统的运载能力。经过对比分析，得出的较优构型是构型11，其后是构型1。

加注站构型评估表

经过以上综合比较，构型11被优选出来作为参考构型进行分析。采用构型11作为在轨燃料加注站的构型，可以提出多种推进剂在轨加注系统的运作构想。

以构型11为基础的在轨燃料加注站系统组成

发射在轨燃料加注站示意图

4 结语

随着人类对空间利用和探索的需求不断扩大，以及航天事业的不断发展，国际上一直在开展在轨燃料加注站的相关研究，特别是美国，在其重返月球计划及载人登陆小行星和载人火星探测任务模式的研究中，都开展了在轨燃料加注站的任务模式研究。美国各研究机构瞄准未来大规模和频繁的空间探测任务，同时也在开展大量的基于在轨燃料加注站的空间探测任务构架分析，以及加注站本身方案对比分析和关键技术攻关。研究表明，空间低温推进剂加注站系统对于美国国家航空航天局的空间探索系统具有重要的意义。空间轨道转移飞行器在推进剂加注站上的补给加注能够支撑美国国家航空航天局的月球探索等深空探测计划，并为载人探测火星提供一种可能。对于月球探测任务采用在轨燃料加注站模式，能够实现有效载荷规模增加到原来的2.5倍以上，并能够为采用化学推进剂实现载人探测火星提供可能；而实现相同的任务目标，运载火箭规模能够降低50%以上。

位于低地球轨道的在轨燃料加注站运作概念图

地球出发级在燃料加注站进行燃料补给示意图

在轨燃料加注站的应用不仅可以给空间运输系统进行必要的补给，完成各类空间探测活动，另外，还可以对在轨卫星等飞行器进行补给，延长飞行器寿命，提高在轨服务能力。在轨燃料加注站作为一种有效的空间探测任务的选择模式，具有潜在的巨大优势，有必要开展相关研究，为未来空间探测任务，特别是载人月球/火星探测等大规模的深空探测任务，提供任务模式的选择。

在轨燃料加注站作为空间运输系统新的组成部分，能够有效提高运载火箭的运载能力，实现更大规模的空间探测任务，有效满足更多的空间探测任务需求。在轨燃料加注站具有渐进式的开发过程、高飞行率、重复使用率以及多目的/多用途等特性，值得将它作为人类开发太空的一项长期活动进行下去。本文首先对在轨燃料加注站的构型进行了研究和评估，之后对在轨燃料加注站的在轨运作系统开展初步构想设计。