天舟將要「太空加油" ，這一次中國能跑在美國前面嗎？

今晚19:41，「天舟一號」即將啟程。

媒體已經披露：「天舟一號」升空後，不光要為天宮二號送貨，還將進行推進劑在軌補加試驗——也就是，「太空加油站」！

據了解，目前世界上能夠完全掌握空間站推進劑補加技術的只有俄羅斯，美國、歐空局和日本只是開展了原理驗證試驗，尚未建成實用性系統。這意味著，在這個領域，中國會直超美國。

今天，咱們聊聊「太空加油」。

一、為何需要太空加油？

眾所周知，汽車開到半路上沒油了，前不著村後不著店，最好的一個辦法就是請人從附近加油站搞一桶油來救急。

航天器在軌運行期間，也是需要消耗推進劑來維持軌道和姿態，一旦攜帶的推進劑消耗完，也就意味著航天器壽命的終結，而此時，航天器上的其他元器件很可能仍然完好。

加拿大一家航天機構預算：2020年前全世界將有100顆地球同步軌道通信衛星因燃料耗盡而失效，重新發射替代衛星，將花費超過300億美元。如果能夠通過推進劑在軌補加系統作為這些衛星補充燃料，無疑可以節省巨額資金。

據測算，一顆地球同步軌道衛星補加60公斤推進劑，就能夠延長衛星壽命1年；而空間站由於運行高度較低、體型較大，調整軌道和姿態所需推進劑更多，對「太空加油站」的需求也就更大。

去年6月，長征七號火箭在海南文昌首次發射，其搭載的眾多載荷中就包括了國防科技大學研製的一顆「天源一號」衛星，這顆衛星集成了我國第一個衛星在軌加註試驗系統。

衛星上天后，成功的開展了微重力條件下流體管理與加註、高精度推進劑測量等9項試驗，獲取了3種貯箱加註過程視頻，加註過程穩定，測量與控制精度高，實測結果滿足設計指標要求，相關數據表明，中國首次衛星在軌加註試驗取得圓滿成功。

將於今天發射的天舟一號貨運飛船，將與天宮二號空間實驗室進行交會對接，並開展推進劑在軌補加關鍵技術驗證。

試驗成功後，將中國成為世界上第二個掌握空間推進劑補加核心技術的國家。

二、太空加油如何實現？

「太空加油」技術主要有兩大流派：

一種以俄羅斯為代表，主要是應用於空間站。將複雜的推進劑補加系統配置在空間站上，接受貨運飛船長期、例行、多次補加，貨運飛船這一方則在系統簡單、成本也較低。

一種以美國為代表，推進劑補加系統配置在服務飛行器上，主要是用於衛星在軌加註延壽和救援維護。同「天源一號」衛星一樣，美國也曾經多次進行衛星在軌加註原理驗證試驗。

早在1978年，前蘇聯就通過進步號無人貨運飛船向禮炮號空間站進行了最早的在軌加註。

飛船與空間站對接完成後，加註管路自動連接並進行管道密封性檢查。空間站一側通過壓縮機把被補加貯箱氣壓降低，飛船上的加註系統利用高壓氮氣向加註貯箱增壓，將推進劑傳送到空間站貯箱內。

這種加註方式也被稱為「壓縮機法」。俄羅斯進步號飛船向國際空間站提供燃料補給就採取這種方式。

美國在推進劑在軌補給技術領域進行了大量研究，開展了「軌道快車」等一系列加註模式驗證試驗，主要採用「泵送法」實施衛星在軌加註，在加註前將兩側貯箱氣腔連通，待壓力平衡後，用泵將推進劑從加註貯箱泵送到被加註貯箱。

專家分析後稱，泵送法能夠避免推進劑損耗，在系統重量、系統功耗等方面具有較大的優勢；壓縮機法重量和能耗大，很難用於衛星推進劑在軌補加。

媒體對航天專家的採訪表明了，中國天舟一號採取的補加技術應該是「壓縮機法」。

專家稱，「經過多年艱難摸索和試驗研究，空間實驗室推進劑在軌補加系統關鍵單機——空間壓氣機和液路浮動斷接器相繼實現了突破，將會使中國成為世界上第二個掌握空間補加核心技術的國家。」

三、太空加油與空中加油，哪個更難？

空中加油技術是在飛行中通過加油機向其他飛機或直升機補充燃料的技術。上世紀30年代，英國就首先將空中加油技術用於跨大西洋商業航空飛行。二戰結束以後，空中加油在軍事上的運用越來越普遍，被用作向遙遠地區部署轟炸機、運輸機、戰鬥機的主要手段。

空中加油系統一般分軟管—錐管式（簡稱軟式）及伸縮管式（簡稱硬式）兩大類。

據了解，軟式加油系統的優點是：加油吊艙為獨立裝置，普通飛機改裝成加油機比較方便，取下吊艙仍可執行原型飛機的作戰任務；該系統可以不設專門的加油員；可以同時給2~3架飛機加油；可以給直升機加油。缺點就是：加油率低於硬式加油系統；要求受油機飛行員掌握超密集編隊技術及對接技術；氣流不穩定時難以進行空中的加油。

硬式加油系統的優點是：加油率高，一般可以達到4000升/分鐘；可以給大型飛機加油；對受油機機動性要求不高。缺點是：要設專門的加油員；每次只能給一架飛機加油；不能給直接直升機加油。

本文在此不對空中加油系統做過多介紹，只是簡單對比一下空中加油與太空加油的工作過程：

第一，空中加油時，飛機由飛行員操縱靠近，然後採取軟管或硬管對接受油機加油口；太空加油時，飛行器由電腦控制進行近距離交會，然後進行自動或者手動對接。

第二，空中加油時，只要氣象條件許可，飛機交會可以短時間內多次反覆進行；太空加油時，要根據事先選定的時間窗口，要確保航天器位於精確的測控弧段之內。

第三，空中加油時，只要控制了兩個飛機的速度，進行接近或者遠離即可；太空加油時，飛行器速度的變化，會導致飛行軌道高低的變化，要綜合考慮高度和速度兩個因素。

第四，空中加油時，一般不用考慮兩個飛機的相位關係，加油管路可以消除兩者之間的角度差；太空加油時，兩個飛行器完成交會後還要確保相位一致，以免對接後造成不必要的轉動……

說到這裡，但我們並不能就此認為太空加油就比空中加油難度很大，這畢竟是兩個不同有賽場，正如同不能拿國乒跟國足比球技一樣。

上世紀80年代，中國就著手開展空中加油系統研製，1994年末，第一代加油機工程通過設計定型。加油機由國產轟6中型轟炸機改裝，通過空中加油，可使殲8II 型戰鬥機作戰半徑達到1200公里以上，能夠有效覆蓋南海大部分海域，基本達到了研製目的。

受限於航空發動機、大飛機研製等瓶頸短板，20多年以來，我國的空中加油機一直在轟6基礎上改來改去，最終未有大的起色。甚至有媒體報道稱，中國一直希望購買伊爾-78來補充並最終取代現有的20多架轟油-6。

中國這些年有錢了，別說是幾架伊爾-78M、幾艘航母，就算國際空間站，咱們也買得起。但是，關鍵技術永遠買不來！大國尊嚴永遠買不來！

在航天領域，中國始終與美、俄咬得很緊，從年度發射次數上看，中美兩國已經並駕齊驅；而原先的老大帝國俄羅斯則漸露疲態。中國從「跟跑並跑」向「並跑領跑」的嬗變。這就是彎道超車。

「太空加油」，加油中國。記住這個日了吧：2017年4月20日。（文/滄海觀瀾）