近日，美國國家航空航天局（NASA）宣布，星際飛船將在第三次試飛中驗證在軌推進劑轉移專案，為月球探測、火力探測等深空探測任務做準備。 有分析認為，在軌加油技術論證難度不低，“星際飛船”計畫加緊測試專案的主要原因是保留美國“阿爾忒彌斯計畫”的關鍵節點，避免“重返月球”的程序拖延太多。
“重返月球”沒有出錯的餘地。
2024年，SpaceX被選為美國首家新一代載人登月艙開發商，將在“阿爾忒彌斯-3”任務中執行首次載人登月任務，其設計方案基於“星際飛船”改裝的第二階段。 此後，“星際飛船”承擔了更大的責任，畢竟該專案將在很大程度上決定美國“重返月球”的成敗和進展。
“星際飛船”改裝第二階段載人登月艙的效果圖。
今年4月和11月，“星艦”進行了兩次實驗發射，基本解決了第一級33臺發動機併聯的可靠性問題，成功實現了兩級熱分離。 然而，“星際飛船”的前兩次試射實際上未能順利完成SpaceX的原定計畫，與NASA原定的時間表相比，進度也明顯延遲。
此前，“阿爾忒彌斯3號”任務原定於2024年底發射，但不久前，美國**問責局發布報告稱，基於“星際飛船”的載人登月艙和登月服研製工作並不順利，導致美國太空人“重返月球”很可能不早於2024年。 顯然，載人登月版“星際飛船”被美國視為拖延載人登月的“罪魁禍首”之一，並施加了很大的壓力迫使SpaceX追趕進度，載人登月艙原型及其推進系統、特種電梯等測試已經完成， 但這只是“長征”的第一步。
目前，SpaceX正在為“星際飛船”的第三次試射做準備，其中包括用液氧甲烷在軌加油低溫推進劑。 按照原計畫，該專案應該在“星際飛船”成功送入軌道並實現**再利用後進行，現在測試已經大大推進，想必與趕超載人登月計畫的進展有關。
賽道加油是一項不小的挑戰
事實上，在2024年載人登月艙的評標中，美國宇航局列舉了“星際飛船”改進計畫的三個關鍵弱點，其中兩個與在軌加油有關，可見其難度高。 其中，第乙個關鍵弱點是“星際飛船”難以進行多次快節奏密集發射，如果能夠克服，有望彌補第二個關鍵弱點——多次在軌實施大規模低溫推進劑加油。
“星際飛船”在軌加油示意圖。
根據阿爾忒彌斯-3任務架構，SpaceX首先需要向近地軌道發射乙個專門設計的“星際飛船加油站”。 隨後，僅攜帶液氧和甲烷推進劑的貨運版星際飛船將被送入軌道，與星際飛船加油站對接，隨後將大部分推進劑轉移到星際飛船加油站，只留下少量推進劑自行返回發射場。 考慮到載人登月艙的結構、載荷質量、登月地點等多種因素，這種在軌加油過程很可能要重複5到10次。 在軌加油完成後，載人登月版“星艦”將發射入軌並與“星艦加油站”對接，在接收到足夠的推進劑後，再次點火，前往月球執行月球表面往返任務。
不難發現，與20世紀60年代的“阿波羅計畫”“一箭包登月”相比，基於“星際飛船”的載人登月計畫有很大不同，缺點是在軌加油大大加劇了任務的複雜性，優點是載人登月的規模和月球表面投送的質量有望大大提高， 甚至可以嘗試建造月球表面科考站。
事實上，在軌推進劑加油的概念也可以追溯到20世紀60年代。 當時，航空航天科學家意識到，儘管推進劑佔太空飛行器質量成分的很大一部分，但成本相對較低。 向軌道太空飛行器低成本運送推進劑將大大受益於衛星和載人空間站壽命延長到深空探測任務。 然而，這項技術長期沒有大規模應用，只停留在原理研究和小規模實驗階段，如空間站和衛星，只在室溫下進行公斤級推進劑轉移試驗。
2024年，聯合發射聯盟使用半人馬座上級進行了液氫和液氧低溫推進劑浸沒、晃動抑制和罐壓控制的示範試驗。 相關研究和實驗表明，低溫推進劑在軌加註面臨諸多技術挑戰，包括推進劑沉降、長期在軌管理、低溫閥門和對接機構效能、發動機反覆點火、在軌推進劑蒸發抑制、自主對接等。 至於“星際飛船”的在軌加油，由於其規模大、頻率高、載人安全要求嚴格，堪稱“難”。
因此，不難理解，SpaceX提前進行了“星際飛船”在軌加油技術的演示。 不過，“星艦”的第三次試飛不會測試兩艘“星艦”之間推進劑的轉移，而只是在“星艦”第二級的主儲罐和專門用於儲存著陸推進劑的小頭罐之間進行測試，其主要目的是掌握微重力環境下液氧和甲烷的流體特性，為後續試驗奠定基礎。 相關測試可能需要“星艦”在軌停留一定時間，因此“星艦”的第三次試飛不排除正式入軌的挑戰。
此外，據悉，為了趕上載人登月計畫的進展，SpaceX正在考慮在早期任務中將載有推進劑的“星際飛船”的貨運版本改為一次性發射。 外界分析人士認為，這可以增加單次推進劑的投放量，也有望減少在軌加油次數，降低風險，並繞過與“星際飛船”再利用相關的研發進度要求，但代價是任務成本飆公升。
可以說，“星艦”在軌加油試驗的結果將直接影響到美國“重返月球”偉大事業的關鍵進展，許多細節值得關注。
本文原載於《中國航天報》飛天科學週刊
溫 天鳳，編輯，高晨，評論，楊健，楊磊，製片人，索阿迪