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即將結束的2月份中,特朗普下場調停了俄烏沖突,以色列再度對黎巴嫩展開了轟炸。當全世界的目光都集中在兩大地區沖突時,中國航天界卻悄無聲息的干了一件大事。
2月20日,由中國航天科技研制的實踐25號衛星在距地表3.6萬千米的高空之上,完成了人類史上的首次太空加油壯舉。它為服役多年的北斗2號衛星共計加注了142kg燃料,使其軌道維持能力激增300%,霎那間煥發新生,仿佛年輕了八歲之多。
通過精密控制,我國科學家將本次加注過程的誤差控制在了0.0003毫米級別。這場太空手術展現了中國航天的卓越實力,同時也引發了西方世界的關注和猜忌。那么問題來了,我國實現衛星太空加油,為何西方反應如此強烈呢?
中國航天偉大成就
將視線抬升至距地球赤道上空3.6萬千米處,我們能觀賞到一條獨一無二的衛星軌道。這條軌道上的運轉衛星,環繞地球的運行周期剛好是24小時,與地球自轉周期一致,因此又被稱之為地球靜止軌道(GEO),軌道上的衛星自然被稱之為地球靜止軌道衛星。
地球靜止軌道如同一道光環,承載著人類發射的導航衛星、氣象衛星以及通信衛星,甚至還有不少的導彈預警衛星以及遙感衛星。這些衛星可對全球經濟、軍事、科研產生直接重大影響。
同時這又是一條異常擁擠的衛星軌道,同一頻段、區域內的地軌衛星只有保持一定間隔,測控站才能準確分析出不同的衛星信號。雖然現在有了先進軌道共位技術,但目前全球只有美中德日等少數國家才能掌握。
除了軌道資源緊張,衛星的燃料壽命也是有限的。GEO衛星會在地球、月球乃至太陽的引力下逐漸飄離軌道,它們需要燃料消耗來進行軌道維持與誤差修正。通常情況下,一顆5噸重的衛星在發射之初會攜帶2~3噸的燃料,這能供它正常運轉十幾年。
然而一旦燃料面臨枯竭,衛星將會徹底報廢淪為垃圾。盡管衛星本身元器件和性能還能繼續維持下去,但燃料壽命卻成為了影響衛星長期服役的最大瓶頸。
中國目前發射的空間站、衛星等飛行器數量在500顆以上。僅2023年我國便發射了203顆衛星,數量之多僅次于美國。但同時衛星發射的成本又包含設計、制造、測控等各類費用。
浙商證券曾做過計算,在中國制造一顆低軌通信衛星的成本至少要3000萬,但美國星鏈一個衛星折合下來也只要700萬。由此可見,中國衛星制造成本整體偏高的問題是十分明顯的。
比如實踐二十號衛星,是用于驗證高通量通信技術的關鍵GEO衛星,它重達八噸具有極高的價值和成本,想要延長其運行壽命,唯一的破局之道就是通過太空加油提供燃料供給。因此,太空加油便應運而生,通過在軌補充燃料,能顯著延長衛星壽命,減少衛星更換頻率。
2025年1月7日,西昌衛星發射中心順利發射了實踐25號衛星,這也是我國首款執行太空加油實驗的航天器。它能對20多顆不同類型的衛星多次加注燃料。
根據計算,如果給地球同步軌道衛星加注60kg燃料,就能一次性延長該衛星12個月的壽命。若一次性加注300kg,能至少延長5年壽命。若該技術得到廣泛應用,預計地球的高軌衛星壽命能普遍再提升8年之久,達到23年的運轉壽命。
衛星加油涉及多個精妙環節,首先是機動變軌技術。衛星在軌道上是沿著極高的速度運行,在燃料補給過程中,補給衛星自身就需要擁有強大的機動變軌能力。必須在太空復雜環境下完成自主調節軌道參數,與目標衛星的高度、傾角保持之一,才能成功實現的可能。
其次是自主導航技術,補給衛星搭載先進自主導航,可通過星載傳感器對周邊環境做到實時感知,并識別到目標衛星的具體信息,從而計算出最佳飛行路徑。
最后是機械臂抓取與對接,補給衛星靠近目標后,需要通過機械臂精準抓取目標,以毫米經精度完成整套操作過程。對接中,還要確保燃料傳輸口的緊密連接,防止燃料泄露。
2月20日,我國實踐25號衛星成功為北斗G7衛星完成了燃料加注。本次任務的圓滿完成共解決了兩大核心難題,第一是微重力環境的燃料傳輸。本次加注的142kg燃料是在太空始終環境下完成的,將會面臨氣泡擾動以及流動性不穩定的問題。實踐25號解決該問題的方式是通過18組衛星渦流發生器構建定向流場,讓燃料傳輸的誤差降低在50毫升內。
第二是超高精密接口對接,衛星貯箱接口直徑僅有3.8毫米,要求必須達到毫米級定位精度。我國科學家為實踐25號衛星搭載了激光視覺相融合的太空鷹眼系統,從而實現了燃料穩定注入。歐洲航天局對此評價道:中國航天技術已經從軌道維持,正式邁向了燃料精細管理階段。
美西方的震驚
實踐25號實現人類首次在軌衛星燃料加注壯舉的消息傳至國外后,瞬間便引起了輿論駭浪。一些美西方媒體大篇幅轉載報道,認為中國突破該技術后,會帶來一些潛在的軍事威脅。
美國對我國太空加油技術的擔憂,可歸納為以下幾個方面:第一是為軍事衛星加注燃料,提升中國的太空態勢感知能力,還有可能用于干擾別國衛星。
第二是此前我國的實踐21號衛星曾將一顆廢棄衛星拖至墓地軌道,我國的本意是清理太空垃圾。但事件傳到西方媒體口中,就變成了我國蓄意挑動空間站的體現,他們甚至認為我國會利用該技術攔截破壞它國衛星。如今實踐25號的成功再次引起了美西方警覺,他們總是忽略我國本意,去可以放大每項技術的軍事潛力,這是不折不扣的偏見。
我國研制實踐25號衛星的目的非常明確,就是想去探索在軌加油技術,這一點中國官方已經幾番對外證明。如果我們真的想將該技術拓展至軍事范疇,那從戰略層面分析,實踐25號的相關技術的確對太空軍事層面有著巨大潛力作用。它能提升軍用衛星的持續作戰能力,可以延長各類軍事衛星的任務周期。
且實踐25號在任務過程中展現的機器臂和變軌能力,也表明我國衛星技術已經擁有了對敵方目標的軟殺傷能力。但問題的關鍵在于,我國從未設想過將該技術應用在軍事層面,在未來也不會有相關打算。
其實美國早在2019年就開始探索太空加油技術,這一年格魯曼公司成功為IS-901通信衛星加注了燃料,使其壽命提升了五年,同時為世人驗證了太空加油的可行性。但6年過去了,美國的太空加油技術卻依然依賴機械對接提供推力,始終未能突破燃料直接加注難題。
相比之下,中國在太空加油技術方面處于絕對的領先地位。
早些年間,格魯曼公司預測太空加油至少有32億美元的市場,當時地球上一共有70多顆在軌衛星需要加油。但隨著近些年太空衛星的井噴,太空加油業務的市場規模也在成百上千倍的膨脹,中國實踐25號衛星為我們揭開了未來的無限可能。
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