在2024年秋季,“千帆星座”一期02组卫星成功发射升空后,业内观察家迅速注意到,有几颗卫星的轨道提升进程异常缓慢,未能如期进入预定轨道。尽管具体原因尚未明确,但可以借此机会深入探讨卫星轨道转移和维持的关键技术——“隐形驱动器”。
空间轨道与无线电频率资源均属稀缺资源,且遵循先到先得的原则。因此,拥有强大实力的国家和企业纷纷加速推进低轨卫星互联网计划,以期抢占先机。卫星互联网的建设不仅依赖于可回收火箭这一高效运输工具,还取决于每年发射的数百乃至上千颗卫星能否满足建设需求。若卫星无法顺利升轨,即便是拥有强大的卫星批量生产能力,建设成本也将难以遏制。
以SpaceX的Starlink项目为例,其发射的七千余颗卫星中,约有十分之一因设计或制造缺陷而脱离轨道。卫星一旦发射升空,为何还会失败?可以将卫星比作宇宙中的一艘船,其推进系统就如同“发动机”和“方向舵”,一旦该系统出现故障,卫星便无法上升并保持轨道运行。
卫星从发射升空到进入任务轨道,需要经历轨道转移过程。例如,传统的高轨同步通信卫星需从低地球轨道攀升至地球同步轨道,低轨通信卫星同样需从初始轨道爬升至目标位置。这一过程如同“太空打车”,推进系统为卫星提供变轨动力,确保其顺利到达工作岗位。
卫星推进系统主要包括冷气推进、化学推进和电推进三种类型。目前,无论是Starlink还是千帆星座,均采用电推进系统。科幻电影中航天飞行器飞行时发出的幽蓝光束,正是电推进的生动体现。与传统化学燃料相比,电推进具有显著优势。
化学火箭虽推力强大,但其局限性在于大部分燃料用于克服自身引力,剩余燃料才能推动火箭滑行。以“土星五号”为例,其能将120吨有效载荷发射至地球轨道,但与其自身重量和燃料消耗相比,这一成就显得微不足道。化学燃料火箭的提速时间短,适合短距离快速加速,但燃料消耗大。
相比之下,电推进系统通过加速带电粒子产生推力,离子体积小,燃料消耗少。电推进的比冲远高于化学推进,且所需推进剂少得多。然而,电推进的缺点是推力小,目前主要用于太空中卫星的位置保持、重定位和姿态控制。卫星与电推进系统的结合,不仅节省燃料、增加有效载荷,还能提高控制精度和卫星性能。
霍尔推进器是我国电推进产品的代表之一,其工作原理基于霍尔效应。推进器内部存在垂直的电场和磁场,电子在电场中运动时受磁场影响发生偏转,形成环形电子束。推进剂被送入电子束中,与电子碰撞后电离,离子在磁场作用下被加速推出喷口,产生推力。
霍尔推进器的电离和加速过程一体化,结构简单可靠,但比冲相对较低。其推力范围在0.001牛顿至几十牛顿之间,相当于推动一辆自行车的力量。在太空中,微小的推力足以持续推动航天器运行。
然而,霍尔推力器的设计难点在于需要精确控制磁场,以“管住电子”。磁场需精确调节,过强或过弱均会影响推进器效率。我国在磁约束技术研发方面具有优势,电推产品线齐全,但规模化后的品质仍需提升。