Orbit Fab：透過太空加油站為衛星補充燃料

當汽車沒油或沒電時，我們只需開到加油站加油，或是插上充電器即可。一次性使用的車輛將會極其低效、昂貴，且不具永續性。如果我們的汽車與商用車輛在一桶油用完後就被淘汰，人類今日的發展恐怕根本無法達成。

然而，衛星系統平均造價高達 1 億到 3 億美元，且需耗費數年開發，目前卻全都是一次性使用。衛星的壽命取決於發射時搭載的燃料量，即使衛星本身仍能正常運作也是如此。一旦衛星燃料耗盡，它就會依據位置，不是在地球大氣層中燃燒殆盡，就是被推進至墓園軌道，也就是其他衛星運作軌道之外的區域。在 2023 年，約有 2,600 個物體被送入軌道──而這個數字每年還在穩定上升──代表太空中正有越來越多的物體在爭奪有限的空間。

為了協助航太產業提升衛星的效率與永續性，Orbit Fab 正在打造全球首個商業化太空船補充燃料服務。目標是終結一次性使用的太空船，並推動新一代任務，以延長衛星壽命與提升機動操作的無限彈性為核心。Orbit Fab 成立於 2018 年，是第一家為國際太空站 (ISS) 補充水資源的民間企業，並已成功發射並測試全球首座燃料儲存站，未來幾年也將與多家政府與商業客戶合作，為其衛星補充燃料。

加滿燃料：為太空船補充燃料

為了以高效率且具成本效益的方式實現這項願景，Orbit Fab 開發了本質上如同 Gas Stations in Space™ 的系統。其補充燃料服務使用可重複利用的燃料運輸器，將燃料從儲存站直接運送至太空船。客戶的太空船將配備快速接合流體轉移介面 (RAFTI™)，可直接接入現有的推進系統。

這些儲存站配有簡易的推進與航電系統，主要設計用於維持定點與控制燃料的熱條件。這些燃料運輸器是具備完整功能的太空船，配備：

• 產品抓取與補給介面 (GRIP™) 主動式燃料補給組件
• RAFTI為一種對接與補充燃料介面，能支援在軌與地面加注作業，並相容於多種可儲存推進劑
• 一套具備六個自由度的姿態測定與控制系統(ADCS)以及推進系統
• 近距會合操作與對接 (RPOD) 系統

這些運輸器與儲存站經過策略性部署，能利用各自的軌道位置，降低前往客戶所需的 delta-V 消耗，進而降低補充燃料的成本。

透過通用任務規劃軟體 (UMPIRE)，Orbit Fab 能根據每位客戶的任務需求最佳化補充燃料服務。藉由該工具，Orbit Fab 可判斷客戶何時、在哪裡以及需要補充多少燃料。這些運輸器會在儲存站加滿燃料，接著前往客戶太空船，透過 GRIP 與 RAFTI 對接，完成燃料傳輸後再返回儲存站。

確保太空中的熱與結構完整性

由於太空與各系統中存在大量變數，Orbit Fab 使用模擬來測試介面。「Ansys 在前期分析中確實提供了很大幫助，以瞭解我們的設計是否可行。」Orbit Fab 的首席工程師 Kevin Smith 表示。

Orbit Fab 團隊使用 Ansys Thermal Desktop 熱中心建模軟體與 Ansys Mechanical 結構有限元素分析 (FEA) 軟體，進行介面的熱與結構分析。

「我們在所有產品設計中都高度仰賴 Thermal Desktop 軟體。」Orbit Fab 的熱工程師 Diarmuid Gregory 說道。「這套工具幫助我們判斷在太空船對接時，是否會產生不利的影響。」

由於太空中沒有大氣，因此熱量無法透過對流有效散逸。這也是為什麼太空船會配備輻射防護裝置，使飛行過程中產生的熱量能透過輻射傳熱方式散逸。GRIP 裡面多個馬達所產生的熱量可能導致過熱，進而對 GRIP 本體或其連接的客戶 RAFTI 造成問題。為了進行測試與研究，團隊建立了 GRIP 的初始模型，並在熱真空艙中進行測試。接著團隊將這些資料輸入 Thermal Desktop 軟體中，以更精確地校準模型。「能夠參數化設定對於進行設計取捨研究與嘗試各種設計選項非常有幫助。」Gregory 表示。「我們使用 Thermal Desktop 軟體進行快速迭代，確保分析結果能反映實際在軌道上會發生的情況。」

熱設計與分析只是這個複雜拼圖中的一部分。任何東西送入太空都會產生大量振動，若連接方式不當，可能會導致結構鬆脫甚至破壞。GRIP 的捕捉機構以螺栓固定在燃料運輸器頂部，因此 Orbit Fab 使用 Mechanical 軟體模擬最佳螺栓佈局，並測試共振頻率。

「我們使用 Ansys Mechanical 軟體評估螺栓是否會鬆脫、使用的材料是否正確，或是否需要調整螺栓佈局。」Smith 說道。「我們也會針對 GRIP 內部進行振動研究。如果 GRIP 的某個部位在特定頻率下開始振動，並進一步引發其他部位共振，就可能產生相當破壞性的力道。」

讓您的 Delta-V 發揮更大效益

需要頻繁改變軌道的任務，需要能夠快速執行的任務規劃分析模型，以便針對多次操作需求進行快速迭代。為滿足這項需求，Orbit Fab 開發了自有的任務架構分析與規劃平台 UMPIRE，整合 Ansys Systems Tool Kit (STK) 數位任務工程軟體，以最低成本與最小影響規劃客戶太空船的最佳燃料補給方案。

「這個概念是讓您能輸入衛星要執行的所有任務。」Orbit Fab 的任務分析工程師 Nate Wilson 表示。「從某軌道開始、轉移至另一軌道、在該軌道上停留 (指定) 時間並維持定點，接著透過 UMPIRE 判斷補充燃料的方式、時間與地點。」

在設計階段即納入燃料補給規劃，有助於讓太空船設計能針對其他需求進行最佳化，而非侷限於燃料消耗與儲存。可補充燃料的設計讓燃料槽得以縮小，進而讓太空船變得更輕盈。客戶可以利用這部分空間搭載不同酬載，甚至整體縮小太空船尺寸。

「STK 軟體協助我們精準計算燃料消耗，讓我們清楚知道每個時間點使用了多少燃料，以及每次機動操作消耗了多少 delta-V。」Wilson 表示。「從軌道分析的角度來看，STK Astrogator 的功能對於確保機動計算過程中掌握燃料使用狀況極為有用。」

除了燃料消耗之外，STK 軟體也能協助 Orbit Fab 團隊確保燃料運輸器不會失控撞擊客戶衛星。Orbit Fab 在新墨西哥州柯特蘭空軍基地的機器人操作控制 (ROC) 實驗室中，測試其 RPOD 平台。透過三個自由度系統，團隊能模擬燃料運輸器與客戶太空船之間的受控碰撞。這次碰撞產生的力道小到連一支原子筆都按不下去。

「衛星的操作重點就是要避免彼此碰撞。」Smith 說道。「因此，我們面臨的一大挑戰是，要如何實現可控的碰撞？我們又該如何讓人們相信我們不會讓太空船互撞？模擬正是幫助我們解決這個問題的關鍵。」

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