近日，美国国家航空航天局（NASA）宣布，星际飞船将在第三次试飞中验证在轨推进剂转移项目，为月球探测、火力探测等深空探测任务做准备。 有分析认为，在轨加油技术论证难度不低，“星际飞船”计划加紧测试项目的主要原因是保留美国“阿尔忒弥斯计划”的关键节点，避免“重返月球”的进程拖延太多。
“重返月球”没有出错的余地。
2024年，SpaceX被选为美国首家新一代载人登月舱开发商，将在“阿尔忒弥斯-3”任务中执行首次载人登月任务，其设计方案基于“星际飞船”改装的第二阶段。 此后，“星际飞船”承担了更大的责任，毕竟该项目将在很大程度上决定美国“重返月球”的成败和进展。
“星际飞船”改装第二阶段载人登月舱的效果图。
今年4月和11月，“星舰”进行了两次实验发射，基本解决了第一级33台发动机并联的可靠性问题，成功实现了两级热分离。 然而，“星际飞船”的前两次试射实际上未能顺利完成SpaceX的原定计划，与NASA原定的时间表相比，进度也明显延迟。
此前，“阿尔忒弥斯3号”任务原定于2024年底发射，但不久前，美国**问责局发布报告称，基于“星际飞船”的载人登月舱和登月服研制工作并不顺利，导致美国宇航员“重返月球”很可能不早于2024年。 显然，载人登月版“星际飞船”被美国视为拖延载人登月的“罪魁祸首”之一，并施加了很大的压力迫使SpaceX追赶进度，载人登月舱原型及其推进系统、特种电梯等测试已经完成， 但这只是“长征”的第一步。
目前，SpaceX正在为“星际飞船”的第三次试射做准备，其中包括用液氧甲烷在轨加油低温推进剂。 按照原计划，该项目应该在“星际飞船”成功送入轨道并实现**再利用后进行，现在测试已经大大推进，想必与赶超载人登月计划的进展有关。
赛道加油是一项不小的挑战
事实上，在2024年载人登月舱的评标中，美国宇航局列举了“星际飞船”改进计划的三个关键弱点，其中两个与在轨加油有关，可见其难度高。 其中，第一个关键弱点是“星际飞船”难以进行多次快节奏密集发射，如果能够克服，有望弥补第二个关键弱点——多次在轨实施大规模低温推进剂加油。
“星际飞船”在轨加油示意图。
根据阿尔忒弥斯-3任务架构，SpaceX首先需要向近地轨道发射一个专门设计的“星际飞船加油站”。 随后，仅携带液氧和甲烷推进剂的货运版星际飞船将被送入轨道，与星际飞船加油站对接，随后将大部分推进剂转移到星际飞船加油站，只留下少量推进剂自行返回发射场。 考虑到载人登月舱的结构、载荷质量、登月地点等多种因素，这种在轨加油过程很可能要重复5到10次。 在轨加油完成后，载人登月版“星舰”将发射入轨并与“星舰加油站”对接，在接收到足够的推进剂后，再次点火，前往月球执行月球表面往返任务。
不难发现，与20世纪60年代的“阿波罗计划”“一箭包登月”相比，基于“星际飞船”的载人登月计划有很大不同，缺点是在轨加油大大加剧了任务的复杂性，优点是载人登月的规模和月球表面投送的质量有望大大提高， 甚至可以尝试建造月球表面科考站。
事实上，在轨推进剂加油的概念也可以追溯到20世纪60年代。 当时，航空航天科学家意识到，尽管推进剂占航天器质量成分的很大一部分，但成本相对较低。 向轨道航天器低成本运送推进剂将大大受益于卫星和载人空间站寿命延长到深空探测任务。 然而，这项技术长期没有大规模应用，只停留在原理研究和小规模实验阶段，如空间站和卫星，只在室温下进行公斤级推进剂转移试验。
2024年，联合发射联盟使用半人马座上级进行了液氢和液氧低温推进剂浸没、晃动抑制和罐压控制的示范试验。 相关研究和实验表明，低温推进剂在轨加注面临诸多技术挑战，包括推进剂沉降、长期在轨管理、低温阀门和对接机构性能、发动机反复点火、在轨推进剂蒸发抑制、自主对接等。 至于“星际飞船”的在轨加油，由于其规模大、频率高、载人安全要求严格，堪称“难”。
因此，不难理解，SpaceX提前进行了“星际飞船”在轨加油技术的演示。 不过，“星舰”的第三次试飞不会测试两艘“星舰”之间推进剂的转移，而只是在“星舰”第二级的主储罐和专门用于储存着陆推进剂的小头罐之间进行测试，其主要目的是掌握微重力环境下液氧和甲烷的流体特性，为后续试验奠定基础。 相关测试可能需要“星舰”在轨停留一定时间，因此“星舰”的第三次试飞不排除正式入轨的挑战。
此外，据悉，为了赶上载人登月计划的进展，SpaceX正在考虑在早期任务中将载有推进剂的“星际飞船”的货运版本改为一次性发射。 外界分析人士认为，这可以增加单次推进剂的投放量，也有望减少在轨加油次数，降低风险，并绕过与“星际飞船”再利用相关的研发进度要求，但代价是任务成本飙升。
可以说，“星舰”在轨加油试验的结果将直接影响到美国“重返月球”伟大事业的关键进展，许多细节值得关注。
本文原载于《中国航天报》飞天科学周刊
温 天凤，编辑，高晨，评论，杨健，杨磊，制片人，索阿迪