在美國策劃的“人類重返月球”項目中，一項革命性的太空技術即將進入關鍵測試階段。

根據美國航空航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）官員最新披露，美國太空探索技術公司 SpaceX 計劃最早于 2025 年 3 月進行首次軌道燃料轉移測試，試圖用新技術為人類時隔半個多世紀后重返月球鋪平道路。

在今年 3 月的測試飛行中，SpaceX 已邁出了關鍵的一步。它成功實現了飛船內部兩個油箱之間的低溫推進劑（液氧）轉移。

這次測試得到了 NASA 的資金支持，并且讓工程師們得以深入了解推進劑在低重力環境下的行為特征。

接下來的軌道加油測試，將有望成為航天史上最具挑戰性的任務之一。

（來源：NASA）

據披露，SpaceX 屆時將在三到四周內連續發射兩艘星艦。

第一艘將作為目標飛船在低地球軌道等待，配備增強型電源系統和更大容量的電池，以確保有足夠的能源維持較長時間的軌道運行。第二艘則扮演加油船的角色，負責輸送燃料。

兩艘飛船都將為內部管道配備熱絕緣層和真空護套，以最大限度減少推進劑的損耗，這些技術細節對整個任務的成功至關重要。

在實際操作中，兩艘星艦將在距地面數百英里的太空中進行自主對接。對接方式將是“腹對腹”的，過程雖然困難，但 SpaceX 可以借鑒其多年來向國際空間站發射龍飛船積累的經驗。

圖 | SpaceX 船對船加油示意圖（來源：NASA）

與龍飛船不同的是，執行對接任務的星艦油箱中仍裝有推進劑，它們可能會在機動過程中產生晃動，給控制系統帶來額外的挑戰。

為了應對這一問題，工程師們計劃密切監測推進劑的晃動情況和油箱壓力，并觀察流體如何響應小型推進器的脈沖（微調）。

一旦兩艘飛船成功對接，它們將使用與地面加注推進劑相同的接口進行連接。

推進劑將通過油箱之間的壓力差進行轉移，同時還要避免消耗過多的燃料。這種方案比使用泵送系統更為簡單可靠，不過具體操作細節仍在打磨之中。

據估計，每次月球任務可能需要執行約 10 次軌道加油，但這一數字很可能會隨著項目的進行而改變。

目前星艦可以裝載約 1200 公噸推進劑。SpaceX 正在開發更大型號的星艦，以便運載更多貨物和燃料進入軌道，減少未來月球任務所需的加油次數。

此外，SpaceX 計劃在美國德克薩斯州的星艦基地增建發射塔，并在美國佛羅里達州太空海岸建設至少兩個星艦發射臺，為未來頻繁的發射和加油任務做準備。

計算機模型和來自眾多火箭的飛行數據顯示，其已經可以控制低溫蒸發、燃料箱壓力和推進劑在太空中的沉淀。

但是，從未有人嘗試過將低溫推進劑從軌道上的一個航天器輸送到另一個航天器。

“在我看來，太空低溫傳輸相關的技術問題都已經解決。”

SpaceX 競爭對手聯合發射聯盟的前首席科學家喬治·索爾斯（George Sowers）對媒體表示，“現在只需要演示和微調技術和程序。我認為我們正處于轉折點，很高興看到 SpaceX 正在努力實現這一目標。”

圖 | 兩艘星艦輸送燃料的渲染圖（來源：SpaceX）

NASA 已與 SpaceX 簽署了價值 40.5 億美元的合同，訂購兩艘載人星艦飛船。這些飛船將在“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃中發揮關鍵作用，預計在 2026 年 9 月實現自阿波羅時代以來的首次載人登月。

值得一提的是，2023 年，NASA 還與美國航天公司藍色起源（Blue Origin）簽訂了合同，共同開發其“藍月”（Blue Moon）月球著陸器，為登月任務提供了雙重保障。

NASA 月球與火星項目負責人阿米特·克沙特里亞（Amit Kshatriya）公開表示，星艦的測試計劃正在穩步推進。

自今年 4 月起，SpaceX 已在生產方面取得顯著進展，火箭發動機正源源不斷地運抵工廠。

然而，真正的挑戰在于技術創新，尤其是軌道加油這一前所未有的壯舉。“這是一個重大的開發挑戰，但也是我們必須攻克的難關，我們正在為深空探索建立藍圖。”克沙特里亞對媒體表示。

令人鼓舞的是，在 10 月 13 日測試中，SpaceX 首次成功使用發射塔上的“筷子”裝置捕獲了超級重型火箭助推器，展現了其在火箭回收技術方面的又一重大突破。

在測試中，當星艦助推器降至離地面約 2000 米時，13 臺發動機同步進行制動減速，并控制助推器姿態和飛行軌跡。

下降一段距離后，10 臺發動機被關閉，僅留下 3 臺繼續調整姿態，使助推器落在兩根機械臂（“筷子”）中間，并被其成功捕獲。

圖 | SpaceX 完成了“筷子夾火箭”（來源：SpaceX）

在接下來的關鍵時期，NASA 將密切關注星艦的設計。NASA 宇航員每月都會與 SpaceX 團隊會面，就飛船內部設計提供意見。

與此同時，SpaceX 正在其位于美國博卡奇卡的基地建造船員艙的實體模型，包括睡眠區和實驗室。這些設計將在 2025 年夏季的關鍵設計評審中，接受 NASA 的檢查。

鑒于“在軌加油”技術前所未有，SpaceX 團隊預計會進行多次測試。

究竟能轉移多少燃料？整個過程需要多長時間？實際效果是否與分析預期相符？這些問題都需要通過實踐來回答。

團隊可能需要進行三次以上的推進劑轉移測試，才能完全掌握這項技術。

這項開創性的技術不僅將支持人類重返月球，更為未來深空探索開辟了新道路。

一旦成功實現軌道加油，人類將能夠在地球軌道之外運送更多的有效載荷，這對于建立月球基地和實現火星移民等深空探索目標都具有重要意義。

參考資料：

https://techcrunch.com/2024/11/01/spacex-wants-to-test-refueling-starships-in-space-early-next-year/

https://arstechnica.com/space/2024/04/nasa-exploration-chief-lays-out-next-steps-for-starship-development/#gsc.tab=0

排版：劉雅坤