在轨加油：能否让航天飞行摆脱垃圾阴影？

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今天，多个航天机构正在准备首次将载人任务送回月球，这是自阿波罗时代以来的首次。同时，商业航天产业蓬勃发展，越来越多的发射服务商正在部署卫星星座进入轨道。所有这些发展表明，我们生活在一个重新探索太空的时代：新航天时代，或称太空 2.0。

这一切主要得益于火箭回收和可重复使用技术的发展，这导致将有效载荷送入太空的成本显著下降。

另一种降低成本的方法是在轨加油（OOR），也称为空间推进剂转移。NASA已经研究这个概念数十年，以促进前往月球及更远地方的任务。如果像SpaceX这样的公司顺利实现他们的计划，低地球轨道（LEO）未来可能会充满加油站，从而使商业旅行前往月球甚至火星成为可能。

然而，OOR也可以在LEO中实现其他类型的操作，同时解决一个主要的环境问题：日益严重的太空垃圾。通过在轨道上提供卫星加油服务，政府机构、通信和商业航天公司可以无限期延长卫星的使用寿命。这将防止卫星在燃料耗尽后失效，并加剧太空中的环境危机。

为此，亚马逊和商业航天初创公司Arkisys最近宣布，他们将合作开发基于Arkisys提议的商业航天平台（称为“港口”）的卫星加油能力。这些在轨设施将使卫星的组装、集成和补给成为可能，卫星提供商可能会依赖这些设施来服务他们的星座。

轨道垃圾

根据欧洲航天操作中心（ESOC）太空垃圾办公室发布的最新数据，自从斯普特尼克 1号发射进入太空以来，发生了大约6960次发射（不包括失败的发射记录）。这些发射将无数有效载荷送入轨道，包括大约22310颗卫星。在过去的60年中，估计在过去60年中，故障卫星、废弃火箭和其他失效有效载荷之间发生了超过650次解体、爆炸或碰撞。

随着时间的推移，这导致了低地球轨道（LEO）目前的状况，那里布满了太空垃圾。这些物体对在轨卫星、航天器和空间站构成了重大威胁。更糟的是，失效卫星、废弃火箭级和其他发射到太空的有效载荷之间的碰撞会产生额外的碎片，这可能导致所谓的凯斯勒效应（或碰撞级联）。这一现象以NASA天体物理学家唐纳德·J·凯斯勒的名字命名，他在1978年发表的一篇论文中提出了这一理论。

在这种情况下，低地球轨道（LEO）中物体的密度变得足够高，导致物体之间的碰撞引发级联效应。物体碰撞后会产生更小的碎片，这些碎片又会与其他物体碰撞。每次碰撞都会产生更多的太空垃圾，进一步碰撞的可能性呈指数级增加。尽管航天机构和商业合作伙伴正在追求减缓和清除碎片的策略，但最大的因素是卫星的性质。

目前，卫星是一次性技术的典型例子，发射一次后，燃料耗尽后就被丢弃。

“卫星加油是延长卫星寿命的唯一方法，卫星通常的寿命约为4-8年（或一些地球静止轨道卫星约15年）。这意味着，每颗在太空中的卫星一旦达到这个时间点，就会变成太空垃圾，可能会引发数百甚至数千个碎片的爆炸。换句话说，卫星加油不仅是延长我们在地球轨道上存在的方式，也是避免我们无限期被限制在自己的星球上的方法，”普渡大学航空航天与宇航学博士候选人罗德里戈·施密特通过电子邮件告诉有趣工程。

在轨加油

NASA最初在1960年代探索在轨加油（OOR）的想法，最终在1969年导致了综合计划（IPP）——即航天运输系统（STS）。这个计划设想了一系列可重复使用的载人航天器，旨在支持超越阿波罗计划的长期任务，支持地球与月球之间的任务，以及首次人类前往火星的任务。

任务架构包括在低地球轨道和月球轨道上设立的轨道推进剂仓库，以减少航天器需要携带到太空的推进剂（因此也减少了质量）。这个计划最终被放弃，转而支持航天飞机计划，而术语STS用来指代轨道航天器——IPP中唯一实现的部分。

尽管如此，NASA和美国国防部（DOD）在1980年代进行了大量的空间服务研究。这促成了1990年代初期由NASA约翰逊航天中心新倡议办公室与Hernandez Engineering, Inc.（HEI）合作进行的系统工程与集成研究。这些研究表明，轨道加油是可行的，但仍需要进行飞行演示。

自21世纪初以来，这一概念得到了广泛的探索。这包括2009年美国空军和联合发射联盟（ULA）进行的实验性轨道演示，使用了改装的Centaur上级火箭。在飞行过程中，进行了六次演示，涉及转移12,000磅（约5,400千克）的液氧（LOX）和液氢（H₂）推进剂。2010年，NASA的未来太空操作（FISO）工作组召开会议，讨论用于月球间运输的单一航天器推进剂仓库概念。

2011年，NASA与四家航空航天公司签订合同，以“定义演示任务，验证在太空中储存低温推进剂的概念，从而减少深空探索对大型发射载具的需求。”根据合同，分析机械协会、波音、洛克希德·马丁和巴尔航空航天公司获得了60万美元，用于开发储存和转移低温推进剂的技术以及低温仓库的概念。

2021年4月，NASA选择SpaceX开发人类着陆系统（HLS）用于阿尔忒弥斯计划。任务架构包括OOR，由多个油轮车辆组成，负责为低地球轨道的加油仓库提供服务。在星舰的第三次综合飞行中，演示了轨道内的舱内推进剂转移。原定于2025年进行的舱间推进剂转移演示任务，现在已推迟到2026年。

超大星座即将到来

在未来几年，多家公司计划部署卫星“超大星座”来提供宽带互联网服务。SpaceX旗下的 Starlink 目前在这个市场中占据主导地位，截至2025年5月，已有超过7600颗卫星在轨道上运行，覆盖约130个国家和地区。但随着像蓝色起源的子公司Project Kuiper、中国的 Spacesail 等公司进入市场，预计地球轨道将在未来几年内完全“商业化”。

到目前为止，中国的Spacesail自2024年8月起，已经部署了大约90颗计划中的14000颗卫星，用于其Qianfan（中文意为“千帆”）星座。今年3月，该公司与巴西国有电信公司Telecomunicacoes Brasileiras（Telebras）签署了一份 谅解备忘录 (MoU)，以探讨在光纤基础设施缺乏的地区对卫星互联网的需求。

与此同时，Project Kuiper的部署计划分为五个阶段，互联网服务将在首批578颗卫星发射后启动。根据其于2023年获得的 FCC许可证，亚马逊必须在2026年7月30日之前发射并运营一半的卫星，另一半则需在2029年7月30日之前发射。

2023年4月，亚马逊与联合发射联盟、阿丽亚娜航天和蓝色起源（由亚马逊创始人杰夫·贝索斯拥有）签署了发射合同，使用他们的Vulcan、Ariane 6和New Glenn火箭发射卫星。随后，亚马逊在 2023年12月 与竞争对手SpaceX签署了一份合同，使用他们的Falcon 9火箭发射三批卫星。

在2025年4月，Kuiper Atlas-1 (KA-1) 任务使用ULA的Atlas 5火箭将Project Kuiper的首批 27颗卫星 送入太空。随后在6月23日和7月16日分别发射了 KA-2和KA-3，将24颗和27颗卫星送入轨道（分别）。最近的发射KA-4于 2025年8月11日 发送了另外24颗卫星到太空，使星座的总数增加到100颗卫星。

这将导致地球轨道环境变得相当拥挤。Arkisys 首席执行官 Dave Barnhart 通过电子邮件告诉 IE，“低地球轨道 (LEO) 星座的形成得益于技术的进步以及发射和卫星成本的降低。”

“因此，现在可以通过多个小型卫星在“珍珠串”中环绕地球的任何区域提供 24/7 的覆盖，而不是使用那些非常大且昂贵的卫星在静止轨道上。这不仅为地面客户降低了成本，还带来了一个在50年前太空产业刚起步时未曾预见的有趣困境：那就是轨道变得非常拥挤！”

为此，Arkisys 最近与 Orbit Fab 合作，这是一家致力于消除一次性航天器的商业航天公司。这项合作可能为其他OOR服务铺平道路，开启后发射太空服务的新纪元。这将大幅延长卫星的服务寿命，同时减少轨道中失效卫星的数量（以及由碰撞造成的太空垃圾）。