如何在太空中给卫星“加油”？

推进剂在轨补加是指在轨道上利用服务航天器对目标航天器进行推进剂补给的在轨操作，这是空间在轨服务操作技术体系的重要组成部分之一。推进剂在轨补加技术适用于卫星、空间站等多种航天器，本文主要介绍卫星推进剂在轨补加技术。

一、卫星推进剂在轨补加的方式

卫星推进剂在轨补加主要指通过推进剂的直接传输实现补加，主要方式为通过推进剂管路连接直接传输进行。随着技术的发展，在轨补加的方式不断拓展，出现了通过更换推进剂贮箱实现推进剂补加的方式，以及直接将整个推进系统模块进行更换的方式。

可实现在轨推进剂补加传输的卫星分为服务卫星和目标卫星，在轨补加任务的实施通过服务卫星与目标卫星协同配合来完成。服务卫星主动实施补加服务，一般配置主动补加接口、阀门、电动泵和吹除排放口等，具备主动实施在轨气密测试、推进剂在轨传输、残余推进剂吹除等功能，以及测量和计算推进剂补加量的能力。目标卫星被动接受服务，一般配置被动补加接口和管路、阀门等，通过阀门开关等动作配合完成在轨气密测试、推进剂在轨传输、残余推进剂吹除等功能。

根据卫星主要推进系统设计方案和补加需求，本文总结出以下3种主要补加模式：

（1）挤压式补加模式。服务卫星利用与目标卫星推进系统的压差或电动泵扬程驱动推进剂流动，实现与目标卫星的推进剂传输，推进剂进入目标贮箱，贮箱内挤压气体压力逐渐上升。

（2）交换式补加模式。服务卫星与目标卫星贮箱的气、液路分别连通，利用电动泵扬程驱动推进剂流动，实现与目标卫星的推进剂传输，推进剂通过液路连通管路进入目标贮箱；目标贮箱中的挤压气体通过气路连通管路进入服务卫星贮箱。目标卫星与服务卫星相互交换推进剂和贮箱气体。

（3）降压式补加模式。目标卫星贮箱通过气路排气降低贮箱压力后，服务卫星再利用与目标卫星推进系统的压差或电动泵扬程驱动推进剂流动，实现与目标卫星的推进剂传输，推进剂进入目标贮箱，贮箱内挤压气体压力逐渐上升。

服务卫星的推进系统包括供气模块、燃/氧推进剂贮存和供应模块、燃/氧推进剂驱动输送模块、燃/氧气液浮动断接器主动端；目标卫星的推进系统包括燃/氧推进剂贮存和供应模块、燃/氧接收补加模块和燃/氧气液浮动断接器被动端。图1为卫星推进系统在轨加注相关组成示意图。

图1 卫星在轨推进剂补加传输系统组成示意图

二、国外相关技术发展情况

（一）北美

1984年和1985年，美国先后执行了航天飞机STS任务41-C和51-C，在这两次任务中完成了可贮存液体管理验证（SFMD）试验，如图2所示。SFMD试验采用模拟液体进行，贮箱采用透明结构，使参与这次试验的航天操作人员能用眼睛直接观察到在微重力下的液体流动现象。长达16h的在轨试验验证了微重力下贮箱液体加注和挤出、液体的静力学和动力学行为。

图2 SFMD试验示意图

2007年，美国国防高级研究计划局（DARPA）实施了“轨道快车”计划，如图3所示。“轨道快车”在轨加注演示验证任务中，“自主空间传送机器人轨道器”（ASTRO）与“下一代耐用卫星”（NEXTSat）对接，开展了在轨补加试验，试验介质为无水肼。试验中，DARPA利用系统压差挤压式补加了15.50kg无水肼，利用系统电动泵驱动交换补加了26.1kg无水肼，验证了在轨加注技术的可行性。

图3 “轨道快车”计划示意图

2014年，美国国家航空航天局（NASA）卫星服务能力办公室（SSCO）启动了Restore-L在轨补加试验项目，如图4所示，旨在验证对低轨目标的在轨补加技术。Restore-L可为目标卫星贮存并提供燃料，其特有系统是燃料运输系统，能够对目标卫星进行长时间、多任务的燃料补给，该系统由燃料贮箱、电动泵、流量计、燃料运输管道等组成，其中电动泵能够在高压下传送燃料，流量计能够保证燃料补加系统定量、准确地传输燃料。

图4 Restore-L在轨补加示意图

从2009年开始，NASA与加拿大航天局实施机器人燃料加注任务（RRM），如图5所示。RRM所有的空间操作均由地面控制，由“国际空间站”上21.34m长的机械臂（Dextre和Canadarm-2组合体）操作，利用RRM模块模拟非合作目标（无被补加卫星）。RRM是“国际空间站”机械臂首次用于空间技术验证，通过旋拧、剪切、夹持、剥离、插拔等操作为燃料加注、故障维修、在轨组装等独立飞行任务打下了良好的基础。

图5 RRM模块

RRM分为3个阶段：RRM1主要验证燃料加注的相关操作工具性能和技术，参与RRM1的包括Dextre机械臂、RRM模块、4个末端工具及适配器；RRM2主要验证在轨监测、修复故障及制冷剂补加等在轨服务所需的技术、工具和工艺；NASA规划的第三阶段任务围绕未来载人深空探测等任务对制冷剂补充和电推进使用的氙气补给需求展开，届时将使用新模块开展验证。

加拿大麦德（MDA）公司提出了利用机械臂对寿命末期的地球静止轨道（GEO）卫星进行燃料加注的GEO延寿系统方案设想，如图6所示。该系统利用机械臂捕获目标的远地点发动机喷管形成刚性组合体，然后再打开目标卫星的加排阀门，插入软管补加适量燃料。

图6 GEO延寿系统示意图

（二）欧洲

1989年，欧空局（ESA）提出了“地球静止轨道服务飞行器”（GSV），对GEO卫星进行燃料加注等在轨服务。但GSV仅停留在概念阶段，如图7所示。

图7 GSV概念设计图

后来，ESA围绕空间站补加应用进行研制的“自动转移飞行器”（ATV）是用“阿里安”5E火箭发射的货运飞船，主要任务是为“国际空间站”服务。2008年3月9日，ATV发射升空，并于4月初与“国际空间站”实现对接；6月17日，ATV为“国际空间站”一次性补加了约810kg推进剂，包括280kg的偏二甲肼和530kg四氧化二氮，整个补加过程持续大约0.5h。同年8月，ATV帮助提升空间站的运行轨道；9月，ATV携带空间站上的垃圾脱离空间站。ATV的对接和补加系统全部由俄罗斯来承担，采用的技术仍然是增压气体回用技术。俄方提供的补加模块与“进步”货运飞船的补加模块类似，与卫星基于表面张力贮箱的补加技术差异较大。

ESA、德国航空航天中心（DLR）和宇宙公司（Kosmas）还合作开展了“赫尔墨斯”（Hermes）计划，研究“国际空间站”在轨收集和加注技术。Hermes计划对失效卫星、常规卫星及火箭上面级进行收集，对GEO通信卫星进行在轨补加。Hermes计划目前还处在方案阶段，如图8所示。

图8 Hermes在轨加注概念图

（三）日本

日本也在积极开展与在轨补加技术相关的研究，并且在一些相关领域，尤其是空间机器人和对接装置研究方面取得了较大进展。

从20世纪末开始，日本参与了一系列前沿性空间活动，例如，参与“国际空间站”的活动——研制“日本实验舱”（JEM）、可重复使用的“希望”货运飞船和先进空间平台等飞行器。这些空间活动都需要交会对接和在轨操作服务技术及应用空间机器人支持执行各种飞行任务。此外，1997年日本发射了“工程试验卫星”7（ETS-7）进行空间试验。该卫星用于验证空间机器人和空间交会对接技术，完成了世界上首次在太空中通过空间机器人抓取自由活动的在轨卫星的试验。

ETS-7卫星的空间操作过程为：卫星被H-2火箭发射到380km工作轨道，变轨后上升到550km高度的圆轨道，然后释放目标星，在此基础上开始进行交会对接飞行试验。进行交会对接试验时，追逐星按要求环绕目标星一圈（总长度达8km）。最终的接近过程将在目标星前方约114m处开始进行，一部接近雷达将目标星引导到约2.44m距离之内，然后改由一台逼近传感器引导对接。地面控制人员利用追逐星的遥控机械臂进行一系列捕捉试验，该机械臂长2m，质量为140kg，有6个自由度，其控制操作通过追逐星上的计算机来进行。地控人员还利用一台从追逐星上取出的在轨可替换单元（ORU）进行遥控设备更换试验。ORU用于进行模拟燃料再补加、部件与设备更换或检查等操作。

此次试验的目的之一是控制追逐星和机械臂的姿态，保证卫星相对于机械臂运动的稳定性。试验中涉及的重要技术还包括轨道上机械臂的延时遥控操作、在轨卫星维护操作（如目视检查）和轨道替换装置及软燃料囊的处置等。

ETS-7卫星成功演示了燃料贮箱ORU模块的在轨更换，充分验证了通过推进模块更换进行在轨补加的可行性。ORU模块大小类似一个微波炉，包括一个液体推进剂贮箱、阀门、液体连接器和电连接器，贮箱通过一个液体传输连接器与目标星的其他贮箱连接，实现推进剂的补加。该试验成功拓展了通过推进剂进行直接传输加注的传统在轨补加概念，为在轨补加的实现增加了新的途径。

三、我国技术发展情况

我国在轨补加技术方面的主要研究单位包括上海空间推进研究所、北京控制工程研究所和国防科技大学等科研单位和高校。通过近20年的研究积累，我国在相关基础理论及单项关键技术研究方面取得了较大进展，突破了可补加表面张力贮箱、补加对接机构、电动泵、流路控制阀组、超声波流量计、贮箱剩余量测量系统等关键技术，完成了关键部件的地面样机研制，建立了在轨加注地面集成技术验证系统并开展了全系统试验验证，部分性能指标已达到国际先进水平。

（一）上海空间推进研究所

上海空间推进研究所在国内首次研制并成功完成了空间站在轨补加任务。基于空间站在轨补加技术研制经验和卫星推进系统研制经验，该所开展了基于卫星推进系统的推进剂在轨补加技术研究和关键技术攻关。

2013年，上海空间推进研究所联合上海宇航系统工程研究所开展了卫星推进剂在轨补加方案的流体动力学仿真和地面试验研究。由于地面状态无法模拟持续的微重力环境，因此补加过程贮箱内的微重力流动特性主要通过流体仿真进行研究，图9所示为板式表面张力贮箱结构及微重力环境加注过程流体仿真分析。

图9 板式表面张力贮箱结构及加注过程分析

2014年，该所开展了补加原理地面系统试验，着重对补加原理的可行性、补加流程控制及故障处理方法等进行研究和验证工作，进行了20多次气体挤压和电动循环泵驱动两种方案的补加试验，图10为补加系统地面试验装置。

图10 地面补加试验装置

2015年，该所开展了在轨加注系统方案研究、论证和设计工作，完成空间服务飞行器、空间燃料站、可接收服务卫星系统的可维护方案论证工作，形成初步在轨加注服务体系的系统方案（见图11），梳理出一系列系统和单机关键技术。

图11 在轨加注服务体系

该所开展了气体激励法的剩余量测量技术研究，用外部高压气体通过连接阀门管路向贮箱注入一定质量的气体，在贮箱内产生压力增加的激励效果。用温度传感器测量激励产生的贮箱温度变化，用压力传感器测量激励产生的气体压力变化，计算液体推进剂的体积量。气体激励法的剩余量测量技术已完成了地面考核试验，并在高轨卫星型号上成功应用。

从空间站在轨补加技术工程研制开始，该所便开展了管路对接用浮动断接器研制工作，先后成功研制单路、双路、四路浮动断接器样机，如图12所示。形成了补给管路对接装置型谱产品，其中单路浮动断接器已应用于“天舟”一号和“天宫”二号飞行试验。

图12 浮动断接器系列

2023年，该所联合上海宇航系统工程研究所和北京控制工程研究所完成了卫星在轨补加推进剂传输流程技术规范，为未来卫星在轨补加体系建设奠定了基础。目前正在研制的多颗卫星均具有补加或被补加功能。

（二）国防科技大学

国防科技大学基于侧音测相和实时多场耦合测量方法完成高精度超声波流量计样机研制（见图13），测量误差小于0.6%FS，并在“天源”一号试验卫星上完成飞行试验验证。同时，还采用体积激励原理开展推进剂补加量测量技术研究，完成体积激励测量装置样机研制（见图14），测量误差小于0.6%FS，并完成了飞行试验验证。

图13 超声波流量计

图14 体积激励剩余量测量装置

国防科技大学与北京控制工程研究所联合完成了“在轨加注关键技术验证搭载实验”载荷研制工作（见图15），试验系统搭载了2~5L板式表面张力贮箱和试验测量系统等设备，于2016年6月搭乘“长征”七号运载火箭发射入轨。试验系统首次在轨开展了基于表面张力贮箱的去离子水传输试验，以及多孔介质气液分离实验、多孔介质推进剂管理实验、两相管道流动行为观测实验、不对称内角弯曲流道实验、降压沸腾实验与传热沸腾实验等多项探索研究。

图15 在轨加注关键技术验证搭载实验载荷

（三）北京控制工程研究所

从20世纪90年代开始，北京控制工程研究所开展推进剂在轨补加技术研究，在863项目支持下开展了降压式和交换式在轨补加技术研究。针对航天器在轨补加的关键技术开展了一系列研究工作，并完成了补加对接机构等关键单机产品的研制，目前已完成原理样机的研制工作，搭建了补加过程地面演示验证系统，开展了相关地面试验验证工作。

四、卫星推进剂在轨补加技术发展趋势

随着航天技术的不断进步，补加技术也在迅速发展。根据当前的技术进展情况预测未来补加技术的主要发展趋势体现在以下几个方面。

（一）高可靠的补加产品

随着电动泵、流量计、补加对接机构等主要关键技术的突破，补加技术的在轨试验试用即将开展，但补加技术的在轨大量应用还需要以高可靠的关键产品作为支撑。补加技术应用的一项重要需求就是重复使用，只有提高补加关键产品的可靠性，补加技术的经济性才能得到充分发挥。

（二）补加技术的标准化

补加技术在轨应用涉及服务卫星和目标卫星之间的补加接口、系统配置、参数和补加流程等多方面的匹配性，服务卫星甚至需要匹配多种目标卫星，卫星之间的协同关系至关重要。从在轨补加体系建设顶层考虑，实现补加技术的标准化势在必行。目前，各相关单位正在逐步开展补加接口、补加流程的标准化工作，未来结合在轨试验情况和应用需求，可进行补加技术的必要拓展和规范化，形成补加技术规范，为补加技术应用生态建设奠定基础。

（三）瞄准未来需求的补加技术发展

现阶段，卫星推进剂在轨补加技术主要开展了液体推进剂和低压气体的补加研究，这是大多数在轨卫星的补加需求，补加技术还需要瞄准未来技术的发展方向和应用需求。例如，补加服务卫星的在轨重复使用对高压氦气补加的需求，电推进系统对氙气、氪气等工作介质的补加需求，深空探测等任务的低温推进剂补加需求，热控系统对冷却工质的补加需求等。针对这些可能的需求，提前开展高性能氦气压气机技术、热压缩技术等关键技术攻关。

（四）补加技术的自主化、智能化发展

随着卫星在轨补加应用体系建设，补加任务数量逐渐增加，补加任务的执行大量依靠地面遥控完成，这将成为限制应用发展的瓶颈。因此，补加技术应逐步向自主化、智能化方向发展，以任务可靠执行为基础，逐步增加流程控制、参数判读等环节自主性，改进优化故障自主检测机制，提升故障应急处理能力，不断提高补加任务的自主化、智能化水平。

五、结束语

在轨补加技术为卫星提供了全新的生命力，不仅极大提升了卫星任务适应能力，拓展了任务范围，而且为卫星总体设计提供了全新思路，为航天事业发展带来了新机遇。各国的技术进展表明这一技术具有无限潜力和可能性。为了保护宝贵的太空环境，需要进一步加强技术研发，鼓励国际间的合作，共同促进在轨补加技术的发展和广泛应用。（本文原刊载于《中国航天》2023年第11期）

本文来自微信公众号：中国航天（ID：zght-caecc），作者：朱一骁、路子阳、景育、张乾鹏、王申（上海空间推进研究所、上海空间发动机工程技术研究中心）