航天技术发展如火如荼，关键挑战的解决带来新的战略机遇。其中之一是在轨道上加油，这为宇航新水平打开了大门。在 Naked Science 独特的系统评论中了解更多信息。
空中加油的想法很久以前就出现了，并成功地在军用航空中扎根，成为那里的标准。在飞行中补充燃料的能力显著增加了飞机的实际航程。
例如，B-2精神战略轰炸机从美国密苏里州起飞，对阿富汗和伊拉克实施攻击。他们在空中进行了多次加油，最终达到了目标并返回密苏里州，有时在空中待了近两天而没有着陆。加油首先用于战略轰炸机等大型飞机，后来扩展到战斗机、战斗和运输直升机。
太空加油仅用于将燃料从航天器转移到轨道站。今天许多项目都包含它。例如，计划延长近地卫星的寿命并为其星座提供操作机动性。加油正在成为大规模载人任务的关键要素，包括月球和火星任务。
在太空中泵送比在航空中困难得多。首先，它需要设备的对接。它的第二个特点是油箱中的燃料在失重状态下的行为。还有其他方面使情况变得复杂。让我们看看太空中使用的是哪种液体燃料以及它的特性是什么。
太空液体燃料
最简单的单组分燃料是在运行过程中分解成加热气体的单一物质。与催化剂物质（不被消耗）接触时发生分解反应。由此产生的热气体和蒸汽混合物流入喷嘴。在那里，温度和压力加速喷嘴的流动，转化为流速和推力。
此类燃料的例子是用于姿态控制发动机的过氧化氢或联氨。它们分解过程中释放的能量解决了产生推力的问题。但这种反应产生的温度较低，发动机效率较低，因此通常用作辅助发动机。
在形成燃料对的两种不同成分（氧化剂和燃料）的化学反应过程中释放出更多的能量。它们进行氧化还原燃烧反应，将产物（气体混合物）加热到 2.5-3 千度。
更大的热量释放可以更强烈地加速喷射流，从而提高发动机效率。因此，双组分燃料在火箭和航天器级的主发动机（轨道机动、制动和着陆发动机）中燃烧。
燃料通常（并且错误地）被称为燃料，说的是“燃料和氧化剂”。但燃料和氧化剂在化学反应中具有明显相反的作用：燃料释放电子，氧化剂接受电子。燃料不能被指定为这些角色之一，无论是单组分还是双组分。
因此，当存在氧化剂时，第二成分正是燃料组合中包含的燃料。这个确切的名称将火箭与航空和其他运输区分开来，其中燃料是在发动机中燃烧的任何燃料，而不提及氧化剂 - 大气中的氧气。
高沸点和低温
与燃料燃烧不同，加油是液体成分的物理问题，而不是化学问题。密度、粘度、挥发性、蒸气压、热容、冰点和沸点、蒸发热和其他物理参数都在这里规则。燃料蒸气的主要划分是基于温度等级：非常冷的液化气体和具有“正常”温度的液体。它们被称为低温和高沸点燃料。
具有至少一种低温组分的燃料被认为是低温的。例如，苏联联盟号运载火箭的经典煤油-液氧，宇航员乘坐该运载火箭升入太空。
航天飞机的三个主发动机依靠燃料蒸汽运行，这两种燃料都是低温成分：液氧和氢。而苏联重型“质子”则使用来自普通非低温液体的高沸点蒸汽作为燃料，即经典的AT-UDMH（四氧化二氮-不对称二甲肼）。其成分相互接触后立即点燃。这种自燃燃料称为自燃燃料。它使发动机的启动变得可靠，并使航天器及其长期飞行熟悉这种燃料组合。
SSME 航天飞机的主发动机使用低温燃料对液氢-液氧运行。燃烧产物的流动是看不见的，它只是水蒸气。在图像底部，您可以看到急流中瞬间雾气的白色区域 / © Wikimedia Commons
液体在开始消耗之前才充满整个罐。然后出现自由体积，在工作压力下充满气体或蒸汽。
当逐渐倾斜的振动火箭发射进入轨道时，液体表面会以波浪形式穿过储罐并发生扭曲，从而改变储罐中燃料的排列。这会在油箱底部（包括燃油管路的入口颈部）产生压力差。设计人员正在尝试使用罐中的特殊隔板将过量的液体元素减少到可接受的水平。
零重力的特殊挑战
失重使“罐内情况”变得复杂。燃料的分配不是通过纵向过载、地球重力以及飞行中发动机运行产生的惯性负载。由于润湿力，失重的液体沿着罐壁扩散。在这种情况下，充满气体的自由体积实际上是罐中间的一个空腔，它受到表面张力的影响。从“正常”液体流下储罐到失重状态的转变是通过液体和“空”的各种奇怪的中间组合而发生的，这些组合有时以复杂且不可预测的方式分布在储罐中。
如果在零重力下，从油箱吸入燃料的管线颈部有一个气体腔而不是液体会怎么样？该成分不会进入管道并填充主泵。他们不会将燃油泵入无法启动的发动机。因此，为了启动暂时处于自由飞行失重状态的分离式第二级或第三级的发动机，其油箱中的燃油专门存放在接收颈部。
这是通过短暂启动小型火药发动机来完成的。它们会产生微弱的纵向过载，足以使部件滑到水箱底部并填充进气颈。管路充满，泵后压力升至工作压力，主发动机启动。造成进一步的过载和燃料在颈部的密集沉积。
对于航天器来说，其发动机较弱且流速较低，通常不需要燃油泵。通过进入油箱的压缩气体的位移，将部件从油箱供应到发动机。为了防止气体和液体混合，它们被柔性、耐用的膜隔开。薄铝，可能是波纹或弹性聚合物，玻璃纤维或带有聚合物浸渍的柔性碳基体。
膜上的气压迫使燃料从油箱流向发动机。这称为位移进给，在零重力下效果很好。
但也出现了其他问题：由于液体仅沿压力减小的方向流动，因此供应的罐中的压力必须超过发动机燃烧室中的压力。填充气罐空出容积的压缩气体有其自身的质量，气罐本身必须耐用；其壁厚增加了储罐的质量。
您还需要一个厚壁的高压气瓶来存储这种压缩气体。随着船舶或舞台尺寸的增加，排水量供给变得更大并且效率降低。
地球静止卫星
在地球静止轨道的高空，空间人口非常密集。地球天空的静止性和观察地球表面三分之一的能力吸引了大型、复杂和昂贵的航天器。与低轨小型“冰箱”、“洗衣机”和小型立方体卫星不同，地球静止卫星正变得越来越大、越来越昂贵，达到了公共汽车的大小和重量。这些是真正的处理和输送信息的工厂，持久，具有明显的成本回收期，包括发射到如此高的轨道。这些设备的标准运行时间为 15 年或以上。当机载燃料供应耗尽时，这种对地静止“公共汽车”的运行就会结束。
地球静止轨道（GSO）只是二体问题的一条计算线。事实上，卫星受到月球、行星、太阳和许多其他物体的干扰引力的影响。例如，它们的表现是，由于月球和太阳引力的影响，轨道每年偏离地球赤道平面 0.85°。它必须通过一年内每秒 45 米的设备校正加速度来补偿。对于重达数吨的结构来说，这意味着消耗整英担的燃料。 15年的供应量将达到数吨。当它们用完后，只剩下将储备罐转移到废弃轨道。
运输足以维持大型卫星十年寿命的燃料的成本将在两到三年内收回，因为卫星本身已经在那里，不需要被提升到轨道上。是的，将货物运输到 GSO 的高空是非常昂贵的。但最终的收益证明了成本的合理性。这不仅产生了加油的需求，而且还产生了使用和支付解决该问题的技术系统的服务的意愿。
让我们提醒您，除了轨道校正引擎之外，设备上还有定向引擎。大多数时候，稳定系统操作动力飞轮或陀螺仪（它们不是同一件事）——旋转巨大的圆盘。使用它们，您可以设置设备在空间中所需的旋转。
陀螺仪由太阳能电池板提供电力，但不能无限期地工作：它们会积累扭矩，之后就不再工作。它们需要卸载——通过消耗燃料的定向喷气发动机不时地对船体进行强力旋转。这可能比一对卫星的主发动机更简单，就像同一个单组分联氨一样 - 但它应该仍然存在。
军方：胜利不在于利润
美国太空部队USSF于2024年1月资助2550万美元，用于开发军用卫星轨道加油机。开发商是美国Astroscale US公司，根据合同，必须在2026年之前制造并移交APS-R（Astroscale Prototype Servicer for Refueler）加油机原型机进行飞行测试。它将演示联氨的运输和转移，以对地球静止轨道上的美国军用和政府卫星进行多次加油。
该原型机尺寸较小（60x70x115厘米），重量仅为200公斤。但它的任务是系统性的：根据操作算法，首先它本身将从同样悬挂在地球静止轨道上的油轮上补充联氨。然后它将通过兼容的燃料补给口将产生的联氨运输到目标卫星。
接下来，加油机返回加油机进行补给，并再次飞往另一颗目标卫星，为其带来联氨。重复这个循环将使得仅用一艘航母和加油机就可以为许多地球静止设施补充燃料。可以通过建立定期燃料输送系统来增加它们的数量。
低温巨人：数百吨泵送
弹道定律有两个因素：运动和能量。能量守恒定律是一条基本定律，基于它的计算不会欺骗人。轨道变化可以很容易地以特定推进剂的千克数来表示。毕竟，正如我们所记得的，它在船上的储备是解决运动变化的弹道问题的能量。
要评估从月球着陆和起飞，您需要了解开始着陆时需要多少燃料。它应该足够着陆和上升返回。在阿波罗飞行期间，处于月球轨道上准备着陆的登月舱载有10.5吨燃料，总质量为15吨。一吨结构的着陆和返回低轨道（尽管整个结构着陆并且只有部分起飞）需要2.3吨燃料。
以同样的比例，可以评估月球星际飞船（Starship HLS，Starship Human Landing System）的着陆情况。它由埃隆·马斯克 (Elon Musk) 的 SpaceX 公司根据与 NASA 的合同进行开发，作为阿耳忒弥斯计划中将宇航员运送到月球表面的关键要素。该估计将是一个非常粗略的估计，具有不同的设计和燃料蒸汽；然而，我们对订单本身感兴趣：是吨、几十吨还是几百吨？
星舰的干重为120吨。我们再加一辆货车，80吨。毕竟，星舰的设计目的是将几节火车车厢的质量发射到太空。它将一辆满载的马车运送到月球。空容器被送回轨道。将载有货物的星舰轨道集装箱转移到月球表面，接近阿波罗登月舱的起飞方案。按照其比例，在月球前轨道上载重200吨的星舰需要450吨燃料。
在从门户空间站轨道下降到它的过程中，另外五十吨将燃烧。从低月球轨道返回空间站的费用也相同。加上着陆前机上的错误、估计和各种飞行情况的储备，我们需要600-700吨的部件。这是登月舱需要用加油机带的东西。这就是在月球表面着陆货运车的抽气量的绘制方式：我们卫星的首次着陆很可能会执行此飞行任务。
您还可以计算从地球发射汽车并将其从近地轨道移动到近月轨道到网关站需要多少燃料。物流（弹道）和技术系统的能量完美结合到一辆车的运输中将变得显而易见。这里不会有太多的泵送；它们是在常规发射加油站从地球发射的。让我们将由此产生的 700 吨作为一次泵送的体积和一艘轨道油轮的近似体积。基本型星舰包含 1,200 吨燃料，其中 500 吨用于飞行的其他阶段。
将数百吨储备燃料投入深空类似于为南极探险提供食物或为攀登珠穆朗玛峰提供氧气。这些储备将为攻击深空和太阳系珠穆朗玛峰做好准备。
吸奶的关键问题是：用什么吸奶以及如何吸奶？
让我们暂时以工程师的形式来说：策略的问题很清楚，但如何进行这种抽水呢？我们记得，对于数百吨燃料来说，大量吨置换气体的置换供应将变得非常重。这意味着我们将使用泵进行抽水。它们可以通过电动机旋转：所需的消耗不像发动机那么高，并且该过程可以延长几个小时。
主要问题是：如何在零重力下向管线的入口颈部供应液体？油轮和装有粉末火箭以超载储存燃料的船舶的加速将改变它们的轨道。这并不总是有效；我们需要其他方法来为瓶颈提供燃料。
您可以将两艘船绕其纵轴或横轴稍微扭转。这将通过定向发动机以及泵送后停止旋转来完成。液体在惯性离心力的作用下，会聚集到罐内距旋转轴最远的点；值得在其中制作一个进气颈。一个小扭转就足够了，因为旋转然后不会减慢，几乎无限期地持续下去。您只需花几分钟时间让组件安定到颈部，然后就可以开始泵送。
可以以不同的方式使用旋转原理：使罐中的液体沿着壁旋转，就像漩涡一样。泵将沿着油箱的圆周驱动燃料流。而为了防止船舶因反方向的反作用力而转向，需要使内部部件进行两次相反方向的旋转，将彼此运动的角动量归零。
但是如何收集悬挂在罐中间的失重液体呢？将两个带有薄宽叶片的叶轮放置在罐轴上，以相反方向缓慢旋转。它们将从油箱中部捕获燃料并将其送入外围涡流。通过使设计变得轻而慢，我们将降低沉积系统电动机的能源成本。
其他设计方案也是可能的。他们的选择以及将燃料沉积到进气孔的过程的组织，成为未公开的专有技术、专利方法、自己的封闭技术和技术系统。
另一个严重的问题是低温。对于液化气体的长期储存，需要良好的（并且不可避免地增加重量）热保护。与热保护相结合的另一个解决方案是制冷装置——结构紧凑、重量轻，消除了从超低温燃料中收集的热流。
能源将由无穷无尽的太阳能量提供，这与加热水箱的能量相同。稳定低温温度的一套措施可能很复杂，并且需要可靠地控制储罐的热平衡。然后，低温部件可以在轨道上储存数月甚至数年，而不会造成重大损失。
在轨燃料的前景：低温技术占据主导地位
不仅近地轨道需要泵浦，月球和火星上空也需要泵浦，月球和火星是未来距离最近的、但距离遥远且具有宜居基地的太空天体。所有进出它们的物流都将随着燃料消耗而增加。利用当地资源进行生产将简化并增加货运流程，从而实现大规模开发。
月球和火星的水冰会通过水的分解产生燃料组合液氧-液氢。月球上的热阱中的固体二氧化碳，以及火星上的大气层，将使萨巴蒂尔反应产生甲烷，这是第二个完全低温对的燃料。多达两种本地低温燃料正在成为泵入其天体轨道的候选者。它们或许将成为第一批出口的本地生产产品。
这考虑到了蓝月项目，即乔·贝佐斯的蓝色起源公司的载人月球着陆器。它的三个BE-7主发动机使用液氧-氢燃料组合运行，该装置本身将在Gateway月球轨道站和月球表面基地之间穿梭。为了防止低温部件沸腾，计划使用太阳能供电的20度（维持氢气液化温度20开尔文）低温调节器。
对于此类飞行，他们希望通过洛克希德·马丁公司制造的地月运输机为月球轨道上的蓝月亮加油。它由拖船和加油机两部分组成，从地球发射到近地轨道，还将配备低温调节器。
运输机将能够将低温燃料运送到门户站的月球轨道上，并在那里将其泵送到蓝月亮上，以便飞往地表。
月球上有已证实的水冰储量和强大的水分解能源（例如核反应堆），月球上的燃料生产不会造成任何根本困难。它被送入月球轨道将使其成为大型长途探险的发射台，其性能远远优于今天的探险。
随着冷冻二氧化碳的发展，月球上甲烷燃料生产和甲烷-氧气物流的转变将会到来。这使得低温燃料成为太空泵送的未来和战略重点。
下一场太空竞赛
因此，卫星加油任务正在向几个方向发展：向近地卫星输送大量高沸点燃料，并泵送数百吨低温部件。第三个是为核火箭发动机输送工作流体。这里的能量直接位于发动机中，而不是输送的加速材料中。但正是他将反应堆的热量转化为设备的运动。而使用工作液补充燃料将扩大核动力船舶的潜力和操作空间。
嫦娥6号发射
来自多个方面、不同数量和类型的燃料以及不同参与者对轨道燃料传输任务的攻击表明，时机已经到来，需求已经成熟。总体而言，新兴项目已经显而易见。但球员们并不急于公开转会细节。所选方案的详细信息、技术泵装置的特性、工艺参数和其他细节尚未发布到公开信息空间。
这是新太空竞赛的体现——谁掌握了在轨道上泵送燃料的技术，谁在太空中的效率就高得多。这场太空燃料竞赛与其他竞赛相互关联：第二次登月竞赛、可重复使用竞赛和超重型火箭系统竞赛。今天，毫无疑问它将为实用航天学的发展提供强大的推动力。
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