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NASA联合SpaceX开发太空加油技术,这是飞往火星关键难题

北极蚊子 2019-8-5 14:36

我们来谈谈在太空建“加油站”的事情。

近日,美国宇航局(NASA)宣布与 10 家私营公司达成 19 项合作,共同推进多种太空技术和实际运用,以支持后续的月球、火星,甚至是更远的太空探索计划。

其中, SpaceX 将会与马歇尔太空飞行中心(Marshall Space Flight Center)、格伦研究中心(Glenn Research Center )共同研究在地球轨道上对航天器加注燃料的技术,让飞船有充足的的燃料飞往火星。

虽然 SpaceX 的 Starship 飞船目前还未研制成型,不过在现阶段就围绕飞船设计加油方案,无疑是一大利好消息。Starship 背后的重要工程师 Paul Wooster 也表示,在轨道上加注燃料对该公司来说,是实现火星愿景的最大困难之一。

将大量的荷载送上地球轨道甚至更远的月球、火星等,并不是一件简单的事情。由于地球引力巨大,航天器在飞出地球阶段就要耗费大量的燃料,而为了带更多的东西前往火星,其中一种方式是:将一艘 Starship 送至低地球轨道,飞船在地球轨道上将“油箱”再次加满,以载着所有的载荷飞往火星。

图|太空加油站概念图(来源: NASA )

由于荷载众多,路途遥远且复杂。最终飞向火星的飞船可能需要在轨道上补充上百吨的燃料,包括液氧和甲烷。公司预估,将这些燃料从地面送上地球轨道就需要 5 艘 Starship 飞船。在实现这一方案的过程中,在地球轨道上进行“空中加油”的技术属于必不可少的一环。

不过,这种做法并不仅仅能够用于火星之旅。曾任 NASA 首席技术专家的 Bobby Braun 表示,人类要进行长足的深空探索,还有一系列的前沿技术需要突破,而在太空加油就是其中的一个关键技术。

不过这一做法目前还没有先例,需要不断摸索和验证。

由于太空环境极为特殊,对航天器燃料的储存要求非常苛刻,要进转移也是困难重重。比如燃料可能在太空环境中直接沸腾,燃料箱里的氢原子甚至可以直接穿过燃料箱造成泄露等等。

图|火星之旅方案图(来源: SpaceX )

NASA 此前就在这方面进行了大量的研究,不过这项技术仍存在挑战。在拉上了 SpaceX 、马歇尔太空飞行中心、格伦研究中心后,多方的合作可能会让这项史无前例的技术得到更好的发展。

Braun 认为,马歇尔太空飞行中心、格伦研究中心的人员在这方面非常有天赋,同时 SpaceX 对自家开发的 Starship 的性能和需求最为了解,分工明确的合作将能够取得更好的成果。

值得一提是, NASA 牵头的这项合作也被视为是对在轨加油方案以及 Starship 飞船的认可。

图|Starship 概念图(来源: SpaceX )

早在 2010 年左右,当时的奥巴马政府更倾向于资助私人航天企业,并制定了相关的计划支持新的太空技术,这个“太空加油”便是其中之一。不过这一做法在当时也存在着不小的争议。

当时美国的航天飞机已临近退役,国会希望 NASA 能继续造大火箭,也就是如今的空间发射系统(Space Launch System,简称“SLS”火箭)。

最终,国会的意见占据了上风, NASA 打造 SLS 重型火箭。NASA 官员当时曾表示,从技术角度看,在轨加油还未迎来最好的发展阶段,集中资源专心开发重型火箭更加吸引人。

但在轨加油和 SLS 火箭背后又存在微妙的竞争关系,若前者被证明是一个可行、可靠的方案,那么这项技术将允许 NASA 在深空探索任务中选择更小、更便宜的运载火箭,这对 SLS 火箭来说是一个潜在的威胁。

加之当时有一部分 NASA 官员尚对 SpaceX 火箭持不信任态度,轨道加油技术在一定程度上受到了打压。

后来的故事大家都知道了, SpaceX 的猎鹰 9 火箭已经成功发射数十次,证明了其可靠性,而一直备受质疑的重型猎鹰也在过去的一年半时间里三次发射成功。

反观曾被寄予厚望的 SLS 火箭,自 2011 年以来, NASA 已经花费了超过 140 亿美元用于 SLS 火箭相关的研发,但到目前为止,这款火箭依然未能达到发射的标准,首飞时间已经从最初计划的 2017 年推迟到了 2021 年,超时的同时也造成了研发费用超支。

如今特朗普政府已经提出了新一轮的月球计划 Artemis ,旨在 2024 年登上月球,但火箭研制的进展不顺会直接拖累登月计划的进行。

SLS 火箭的一拖再拖,也让 NASA 对私营火箭公司的火箭松开了口,如今开展这项空中加油的研究也被认为是 NASA 正在更加认真地对待轨道加油这一方案,同时也是对 Starship 的首次认可。

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