在美国策划的“人类重返月球”项目中，一项革命性的太空技术即将进入关键测试阶段。
根据美国航空航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）官员最新披露，美国太空探索技术公司 SpaceX 计划最早于 2025 年 3 月进行首次轨道燃料转移测试，试图用新技术为人类时隔半个多世纪后重返月球铺平道路。
在今年 3 月的测试飞行中，SpaceX 已迈出了关键的一步。它成功实现了飞船内部两个油箱之间的低温推进剂（液氧）转移。
这次测试得到了 NASA 的资金支持，并且让工程师们得以深入了解推进剂在低重力环境下的行为特征。
接下来的轨道加油测试，将有望成为航天史上最具挑战性的任务之一。
图 | SpaceX 计划于 2025 年进行船对船推进剂转移演示（来源：NASA）
据披露，SpaceX 届时将在三到四周内连续发射两艘星舰。
第一艘将作为目标飞船在低地球轨道等待，配备增强型电源系统和更大容量的电池，以确保有足够的能源维持较长时间的轨道运行。第二艘则扮演加油船的角色，负责输送燃料。
两艘飞船都将为内部管道配备热绝缘层和真空护套，以最大限度减少推进剂的损耗，这些技术细节对整个任务的成功至关重要。
在实际操作中，两艘星舰将在距地面数百英里的太空中进行自主对接。对接方式将是“腹对腹”的，过程虽然困难，但 SpaceX 可以借鉴其多年来向国际空间站发射龙飞船积累的经验。
图 | SpaceX 船对船加油示意图（来源：NASA）
与龙飞船不同的是，执行对接任务的星舰油箱中仍装有推进剂，它们可能会在机动过程中产生晃动，给控制系统带来额外的挑战。
为了应对这一问题，工程师们计划密切监测推进剂的晃动情况和油箱压力，并观察流体如何响应小型推进器的脉冲（微调）。
一旦两艘飞船成功对接，它们将使用与地面加注推进剂相同的接口进行连接。
推进剂将通过油箱之间的压力差进行转移，同时还要避免消耗过多的燃料。这种方案比使用泵送系统更为简单可靠，不过具体操作细节仍在打磨之中。
据估计，每次月球任务可能需要执行约 10 次轨道加油，但这一数字很可能会随着项目的进行而改变。
目前星舰可以装载约 1200 公吨推进剂。SpaceX 正在开发更大型号的星舰，以便运载更多货物和燃料进入轨道，减少未来月球任务所需的加油次数。
此外，SpaceX 计划在美国德克萨斯州的星舰基地增建发射塔，并在美国佛罗里达州太空海岸建设至少两个星舰发射台，为未来频繁的发射和加油任务做准备。
计算机模型和来自众多火箭的飞行数据显示，其已经可以控制低温蒸发、燃料箱压力和推进剂在太空中的沉淀。
但是，从未有人尝试过将低温推进剂从轨道上的一个航天器输送到另一个航天器。
“在我看来，太空低温传输相关的技术问题都已经解决。”
SpaceX 竞争对手联合发射联盟的前首席科学家乔治·索尔斯（George Sowers）对媒体表示，“现在只需要演示和微调技术和程序。我认为我们正处于转折点，很高兴看到 SpaceX 正在努力实现这一目标。”
图 | 两艘星舰输送燃料的渲染图（来源：SpaceX）
NASA 已与 SpaceX 签署了价值 40.5 亿美元的合同，订购两艘载人星舰飞船。这些飞船将在“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划中发挥关键作用，预计在 2026 年 9 月实现自阿波罗时代以来的首次载人登月。
值得一提的是，2023 年，NASA 还与美国航天公司蓝色起源（Blue Origin）签订了合同，共同开发其“蓝月”（Blue Moon）月球着陆器，为登月任务提供了双重保障。
NASA 月球与火星项目负责人阿米特·克沙特里亚（Amit Kshatriya）公开表示，星舰的测试计划正在稳步推进。
自今年 4 月起，SpaceX 已在生产方面取得显著进展，火箭发动机正源源不断地运抵工厂。
然而，真正的挑战在于技术创新，尤其是轨道加油这一前所未有的壮举。“这是一个重大的开发挑战，但也是我们必须攻克的难关，我们正在为深空探索建立蓝图。”克沙特里亚对媒体表示。
令人鼓舞的是，在 10 月 13 日测试中，SpaceX 首次成功使用发射塔上的“筷子”装置捕获了超级重型火箭助推器，展现了其在火箭回收技术方面的又一重大突破。
在测试中，当星舰助推器降至离地面约 2000 米时，13 台发动机同步进行制动减速，并控制助推器姿态和飞行轨迹。
下降一段距离后，10 台发动机被关闭，仅留下 3 台继续调整姿态，使助推器落在两根机械臂（“筷子”）中间，并被其成功捕获。
图 | SpaceX 完成了“筷子夹火箭”（来源：SpaceX）
在接下来的关键时期，NASA 将密切关注星舰的设计。NASA 宇航员每月都会与 SpaceX 团队会面，就飞船内部设计提供意见。
与此同时，SpaceX 正在其位于美国博卡奇卡的基地建造船员舱的实体模型，包括睡眠区和实验室。这些设计将在 2025 年夏季的关键设计评审中，接受 NASA 的检查。
鉴于“在轨加油”技术前所未有，SpaceX 团队预计会进行多次测试。
究竟能转移多少燃料？整个过程需要多长时间？实际效果是否与分析预期相符？这些问题都需要通过实践来回答。
团队可能需要进行三次以上的推进剂转移测试，才能完全掌握这项技术。
这项开创性的技术不仅将支持人类重返月球，更为未来深空探索开辟了新道路。
一旦成功实现轨道加油，人类将能够在地球轨道之外运送更多的有效载荷，这对于建立月球基地和实现火星移民等深空探索目标都具有重要意义。
参考资料：
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：刘雅坤