摘要：得益于美国国家航空航天局等航天机构正在进行的研究以及向商业航天领域的衍生应用，在轨加注可能很快成为现实。除了SpaceX希望用于星舰和超重型火箭任务服务的轨道燃料库计划外，出于为卫星加注燃料的目的，在轨加注也正在被深入研究。

从机械臂到"空间加油站"，燃料加注正在重塑卫星的未来。

在上一部分中，我们探讨了在轨加注 —— 这一自太空时代以来就已存在的概念。

得益于美国国家航空航天局等航天机构正在进行的研究以及向商业航天领域的衍生应用，在轨加注可能很快成为现实。除了SpaceX希望用于星舰和超重型火箭任务服务的轨道燃料库计划外，出于为卫星加注燃料的目的，在轨加注也正在被深入研究。

特别是，像Arkisys和Orbit Fab这样的商业航天公司正在开发可为卫星加注燃料的商业平台，这将极大地延长卫星的服务寿命。

这也将显著减少轨道碎片（又称太空垃圾）构成的威胁，该问题正日益失控。如果任其发展，这些垃圾将在未来几年内成为一个自我延续的问题，威胁近地轨道的运营 —— 即所谓的凯斯勒效应。

虽然目前正在制定许多清除或消除太空垃圾的策略，但这些策略治标不治本。通过改变卫星和航天器作为一次性使用技术的范式，可以从源头上解决空间碎片问题。

卫星燃料加注

需要明确的是，在太空加注燃料非常具有挑战性，因为卫星并非为此设计。传统上，技术人员通过覆盖保护层的三重密封阀为卫星的燃料箱加注燃料。此后，卫星的燃料系统便不再被触及。轨道环境也使情况复杂化，微重力带来了各种导航挑战。

正如施密特所述："卫星燃料加注并不容易。你首先想到的可能是抓取固定和机器人操作的复杂性（这本身已经足够困难），但是，为了接近一颗卫星并为其加注燃料，还存在另一个主要障碍。首先，你需要使用你的服务卫星识别目标 —— 这只能通过先进的空间导航软件来完成。

此外，一旦你接近目标，你需要控制你的相对位置和姿态，使其与目标的配置相匹配 —— 这在空间导航领域也是极具挑战性的。为此，大多数提出的解决方案在目标卫星上使用某种二维码作为视觉参考 —— 但太空中大多数卫星并不具备这个。"

施密特说，好消息是这种情况即将改变。如今，许多商业航天公司正涌现出来，以满足对航天器、卫星乃至（或许有一天）空间站在轨服务的需求。此外，得益于NASA和其他航天机构进行的开创性实验，卫星燃料加注技术一直在进步。这些实验的成果随后已提供给商业部门，并且涌现出许多初创公司来开发必要的应用。

发展历程

在2011年至2013年间，NASA通过其机器人燃料加注任务计划进行了在轨加注实验，该技术演示由戈达德太空飞行中心的卫星服务能力办公室和加拿大航天局联合开发。该任务使用国际空间站上的特殊目的灵巧机械臂（又名"Dextre"）来演示通过机器人手段在轨道上为卫星加注燃料。

戈达德太空飞行中心的卫星服务能力办公室开发了机器人燃料加注任务，以演示在轨为卫星加注燃料的技术和工具。在完成概念验证后，NASA通过NASA的技术转移计划将所有数据转移给了商业部门。该实验包括一个约洗衣机大小的箱子，内含机器人工具、卫星接口和活动板。

与此同时，中国国家航天局似乎也进行了类似的实验。在7月2日至6日期间，中国的实践二十一号和实践二十五号卫星似乎在轨道上合并。官方媒体后来证实，实践二十五号的目的是测试燃料加注技术，但未分享更多细节。

欧空局也推进了多项关于卫星和航天器在轨服务的倡议。一项关键贡献是为月球门户开发了ESPRIT欧洲系统提供燃料加注基础设施和通信燃料加注模块，该模块将允许在太空进行燃料转移，并延长环月任务的寿命。

空间平台

Arkisys公司成立于2014年，旨在开发创建类似航海港口的轨道平台的架构。就像传统港口让船舶能够获得维护、补给和加油一样，Arkisys的平台（统称为"The Port"）将实现"空间服务"。这将包括原型制作、测试、组装和集成，同时作为轨道转移飞行器的目的地。

这些平台的一个关键组成部分是Orbit Fab的RAFTI系统，这是一种协作式对接和燃料加注接口，可替代卫星现有的加注/排放阀，以实现轨道和地面燃料加注。2021年2月4日，Arkisys和Orbit Fab宣布合作，共同创造实现卫星燃料加注和推进相关协议所需的能力和技术。

Arkisys首席执行官戴夫·巴恩哈特通过电子邮件解释道："Orbit Fab在开发实现燃料加注的关键技术方面领先，即油泵和龙头！他们的RAFTI系统很先进，并计划在接下来两年内的一次任务中进行测试，以验证其在轨操作。Arkisys Port也在考虑将Orbit Fab的燃料加注'接口'以及一些其他方案用于我们的首次任务。

你可以从两个方面来思考卫星燃料加注：一种是Arkisys提出的方式，即卫星前往某个轨道上的固定或稳定平台（即我们的Port模块）进行'加油'，类似于地球上的固定加油站。另一种是飞机在跑道上由加油车开过去加油的方式；在太空中，这将是一个空间服务航天器飞近卫星，并提供机器人燃料加注臂和技术。"

巴恩哈特表示，这两种方法都能延长卫星寿命，减少轨道上失效卫星的数量，并促进可持续性。就像维护汽车或飞机而不是报废它们有助于减少我们产生的废物一样，轨道燃料加注将有助于保持轨道通路的畅通和安全。考虑到近地轨道在未来几年预计将有的高交通量，清除沿途的碎片和垃圾是非常可取的。

引导与经济性

自然，在实现这一太空可持续性愿景之前，必须克服一些挑战。这些挑战包括在轨道上安全交会的技术难题，以及使燃料加注系统和服务平台具有成本效益的经济性挑战。克服第一个挑战对于避免轨道碰撞是必要的，碰撞不仅威胁正常运行的卫星，还可能引发导致更多空间碎片的爆炸。

巴恩哈特说："想象一下城市道路变得拥堵，不仅仅是因为停放的车辆，还因为车辆穿梭于车道间进出。每个轨道高度就像多车道高速公路上的一个行车线。解决方案在于改变思维方式。就像现代汽车被设计成易于维修一样，未来的卫星需要为发射后的维护而设计。"

为了解决这个问题，开发人员正在研究引导和导航软件，以实现安全交会和避碰。这包括施密特今年早些时候通过普渡大学新创业挑战赛共同创立的公司。"[我们]正在开发先进的人工智能模型，能够相对于任何卫星进行导航，无论是否存在预设标记，"施密特说。"这还包括远程导航，使我们能够从几十公里远的距离接近太空中的任何目标！"

正如巴恩哈特所解释的，第二个挑战可能更困难 —— 即商业案例。简而言之，轨道上小型卫星的激增可能会使卫星服务复杂化。这些低质量卫星成本效益很高，可以以小集群方式发射，但被严格设计为一次性使用技术。

巴恩哈特解释说："'燃料加注'的价值对于较大的航天器和那些在轨运行10年或更长时间的航天器最有意义。它们的'价值'更高，因此投资回报率随着寿命的延长而上升。相反，近地轨道和小卫星星座的新兴趋势几乎采取了相反的方法：优化每个卫星的成本和效率，使其仅持续几年，然后进行替换。延长它们的寿命意义较小，因为它们的数量成百上千，'加注燃料'需要很长时间，因此它们对于燃料加注的价值主张是不同的。"

他补充说，解决方案在于改变思维方式。"就像现代汽车现在被设计成易于维修（想想即插即用部件或电动汽车充电端口一样），未来的卫星需要为发射后的维护而设计。欧洲已经在这方面领先：到2035年，所有欧盟卫星都将被要求支持在轨服务。"

"那么类比是什么？这取决于你的'车辆'：你开的是玛莎拉蒂还是平托，你在赛道上还是乡间小路上？每种情况都需要不同的后勤保障 —— 但更好的规划能让每个人更安全、更长久、更高效，"他补充道。

预计有几家卫星开发商将在未来几年达到关键里程碑，并且政府机构也在参与进来。2023年，美国太空军向一个由Arkisys领导的团队授予了一份价值160万美元的SpaceWERX小企业创新研究合同，以演示机器人卫星组装。根据该合同，Arkisys、Novawurks、Motiv Space Systems、Qediq、iBoss和德克萨斯农工大学将演示他们如何利用Arkisys Port模块上的机械臂组装一个三轴稳定卫星。

在四月份举行的第40届太空研讨会上，太空军还宣布已与太空初创公司Astroscale签订合同，进行轨道燃料加注演示。根据协议，该公司的APS-R航天器将于2026年夏季发射至地球同步轨道，与一颗太空军卫星交会并为其加注燃料。随后，APS-R将从Orbit Fab建造的另一艘航天器为自己加注燃料，然后再为另一颗太空军卫星加注燃料。

尽管这些努力仍处于起步阶段且挑战依然存在，但致力于实现解决方案的人和初创公司并不少。与公共部门、学术界和研究机构的无数合作伙伴一起，这些努力为了一个共同的目标而团结起来：使太空可持续发展并向后代开放。

来源：知新了了一点号