助力登月和征服火星：马斯克和贝索斯正攻坚太空加注燃料难题
+ 查看更多

飞行器在轨加注燃料被视为深空探索计划的核心，因为这项技术能大幅减轻火箭发射重量，从而使携带更多物资的月球和火星任务成为可能。

Micah Maidenberg

■

马斯克(Elon Musk)和杰夫·贝佐斯(Jeff Bezos)正试图弄清楚如何在太空中加注燃料。

这两位展开太空竞争的亿万富翁正致力于雄心勃勃的登月或火星任务，而每项任务的一个关键设计要素是使用能在绕地轨道上补充燃料的航天器。支持者表示，能够在轨获取推进剂的飞行器在升空时负重会更轻，从而让规划者可以设计携带更多货物、科研设备或宇航员且飞离地球更远的任务。

拥有燃料补给站或在轨加注能力，让航天器能像卡车进站一样停靠补给，这听起来可能像是科幻小说。这也是工程师们多年来一直致力于研究的一个概念。

将其变为现实的最大挑战之一是：运送和储存大量在太空真空中很容易汽化挥发的超低温推进剂。SpaceX和蓝色起源(Blue Origin)都还有许多方面有待验证。

一些航天业官员对这两家公司能否及时准备好在轨加注月球着陆器，以满足美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, 简称：NASA)的时间表表示怀疑。一位NASA发言人表示，该机构已与承包商密切合作，以了解在轨加注的挑战。

SpaceX在2024年的一次试飞中，在“星舰”(Starship)飞船内部进行了一次燃料转移演示，并计划明年在两个飞行器之间转移推进剂。由于该公司的大型火箭遭遇挫折，包括6月份在得克萨斯州的一次地面测试中发生爆炸，该测试已被推迟。

蓝色起源正在开发一种运输飞行器，它将在近地轨道补充推进剂，然后飞往月球轨道，并在那里准备好着陆器，着陆器将把乘坐另一艘飞船抵达的宇航员送上月球表面。该任务依赖于该公司1月份首次发射的新格伦(New Glenn)火箭。

长期以来，工程师们建造的火箭和航天器都是在地面上加满所有需要的燃料。事实证明这些设计有其价值，但也有其局限性。

以NASA的阿波罗(Apollo)登月任务为例。将该机构宇航员送上月球的“土星五号”(Saturn V)火箭在升空时重达650万磅，其中约550万磅是燃料。

支持者表示，随着时间的推移，在轨加注配合可重复使用火箭可以降低深空飞行的成本，并简化任务后勤。

“这非做不可，”达拉斯·比恩霍夫(Dallas Bienhoff)说，他曾为波音(Boeing)研究建立低地轨道推进剂补给站，现在为总部位于加州帕萨迪纳的机器人采矿公司OffWorld工作。“否则，我们在太空所能取得的成就将受到限制。”

马斯克在2017年的一次会议演讲中是这样说的：如果没有更多燃料，飞船就无法飞到更远的地方。“星舰”当时还叫另一个名字，按设想，它将把一个携带大量物资的航天器送入低地轨道。

“如果能发射燃料补给船，并在轨道上进行补给，你就可以把燃料箱完全加满。”马斯克当时说。他补充说，这样一来，飞船就能继续飞往火星。

从阿波罗时代至今

在轨加注并非一个新的想法。在20世纪60年代初，NASA的官员们在设法抢在苏联人之前将宇航员送上月球表面时，就曾考虑过此类操作。

这个想法当时没有推进，但并未就此消失。多年来，各方进行了一系列太空在轨加油实验或操作，俄罗斯也在此列。2007年，五角大楼的国防高等研究计划署(Defense Advanced Research Projects Agency)及其合作伙伴在两颗卫星之间进行了超过十二次的燃料输送操作。

但没有一家美国公司像SpaceX和蓝色起源那样，将太空在轨推进剂输送工作置于其深空计划的核心。

部分原因在于，要让这一切顺利运作非常困难。航天器需要在轨道上交会、相互连接，并把大量推进剂从一个飞行器输送到另一个飞行器中。

对于SpaceX计划中的许多星舰任务而言，该公司将需要在这些航天器绕地球高速飞行时为其补充燃料。

以下是为美国国家航空航天局宇航员重返月球表面而设计的任务中，星舰的燃料补充过程可能会如何展开。

星舰是SpaceX正在开发的巨型火箭。美国国家航空航天局的官员曾表示，NASA登月任务将首先由SpaceX向近地轨道发射一个能够储存推进剂的星舰燃料补给站版本。

在燃料补给站进入太空后，SpaceX将通过发射装载燃料的补给船为其加注。

这些补给船需要追上该补给站，与其对接，并将从地面运来的推进剂转移进去。目前尚不清楚需要进行多少次发射。

在太空中进行燃料补给预计将是一项具有挑战性的操作。推进剂需要在超低温下储存和转移，不仅难以管理，而且很容易汽化挥发。

补给站加满燃料后，一艘着陆器版星舰将发射升空并在那里加注燃料。

然后，该着陆器将飞往月球轨道，从NASA的“猎户座”飞船上接上宇航员。该着陆器将把他们送上月球，然后再送回飞船。之后，“猎户座”飞船将把宇航员送回地球。

SpaceX和蓝色起源提议使用的推进剂本身的特质使得输送工作尤为棘手。为了保持液态，这些燃料需冷却至超低温，而且容易汽化挥发。

“在地球上做这件事都不容易。但现在你必须在太空中做，把它从一个大冰箱泵到另一个大冰箱里，”托马斯·库利(Thomas Cooley)说。他曾是美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory)一个航天器小组的首席科学家，现在拥有一家太空咨询公司。

蓝色起源的首席执行官戴夫·林普(Dave Limp)在7月的一篇社交媒体帖子中表示，该公司在防止推进剂在太空中汽化挥发的技术成熟方面取得了重大进展。

燃料在太空中也会表现出奇怪的特性。当你给汽车油箱加油时，汽油会以可预测的方式流入，但在太空轨道上不一定如此。在那里，企业将要应对Eta Space首席执行官威廉·诺塔多纳托(William Notardonato)所说的“液体采集问题”。

“你不知道你的液体储存在哪里。推进剂可能在燃料箱的顶部。这就引出了一个问题，在微重力环境下，哪里是顶部？”诺塔多纳托说。他位于佛罗里达州罗克利奇的公司正在开发一个太空推进剂补给站，并正在进行一项任务，将使用摄像头跟踪超低温推进剂在卫星燃料箱中的行为。

周而复始的发射

在轨加注的另一个未知数是：SpaceX和蓝色起源为深空任务的飞行器加满燃料需要进行多少次发射。

SpaceX已经证明，发射可以比过去频繁得多，但火箭离像商用飞机那样轻松飞行还有很长的路要走。与此同时，该公司将使用在轨加注的飞行器“星舰”仍处于试验阶段，而蓝色起源仍在加紧推进该公司的运载火箭新格伦。

在今年早些时候的一次演讲中，蓝色起源的一位高管没有具体说明，该公司为NASA执行一项将宇航员从月球轨道运送至月球表面的任务，可能需要多少次加注飞行。

据NASA的官员称，针对SpaceX为NASA执行的宇航员登月任务，该公司已经在计划对其“星舰”航天器的油船版本进行多次发射，以便在近地轨道上为一个“星舰”补给站加注燃料。然后，该公司将把一艘登月版“星舰”送往该补给站加注燃料。之后，该着陆器将飞往月球。

去年年初，SpaceX的一位高管估计，为NASA执行一次登月任务可能需要大约10次飞行，而该公司另一位领导人去年秋天预测大约需要16次。一些现任和前任航天业官员表示，所需的发射次数可能会更多。

一位前NASA领导人今年2月份在美国国会的一次听证会上说，可能需要多达20次。记者看到过的一份在部分行业官员中流传的技术文件暗示，至多可能需要40次。

在最近一次关于SpaceX火星计划的演讲中，马斯克没有讨论将一艘“星舰”送往这颗红色星球需要多少次飞行。据《华尔街日报》报道，该公司员工已经谈论过，明年尝试用少至三次的加注飞行将一艘基础的无人飞船送往火星。

马斯克最近在他自己的社交媒体网站X上发表的一篇帖子中表示，要在2026年实现“星舰”飞往火星将很难，认为其发生的可能性很小。

■