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既然有火箭为什么卫星还要自带推进系统?
科普中国  2017-11-07

2017年6月19日,我国首颗国产广播电视直播卫星中星9A在西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭发射升空。然而由于火箭第三级滑行段姿控发动机滚动控制的推力器出现异常,卫星并没进入预定轨道,远地点比预计中低了近20000公里。

(中星9A原计划的同步转移轨道、实际转移轨道与最终的同步轨道对比图)

但这颗卫星并未就此宣告任务失败。

在随后的20天内,地面控制中心人员经过10次轨道调整,让这颗卫星逐渐“爬”到了目标轨道:位于东经101.4度赤道上空35786千米的点上。

在这里,可以实现与地球自转完全相同的轨道周期,相当于相对地面同步/静止。这样即可实现卫星预计的电视直播的任务。

不少媒体在报道这次卫星自救事件时甚至用起了“星坚强”这样的词汇。事实上,国内外火箭入轨错误的事故屡见不鲜,每年都有3-5起。但只要不是严重的火箭入轨错误,大都有弥补错误的空间,这个空间就是靠卫星本身的推进系统完成,但一般会付出巨大的寿命代价。中星9A就可能因为此事失去3-5年寿命(原计划12-15年)。

说到这儿,很多人可能会有疑问,既然有火箭了,为什么卫星还要自带推进系统呢?事实上,这是十分必要而且重要的。下面我们详细说一下。

1.卫星带有推进能力的必要性

可能会有人认为,卫星的发射、入轨全靠火箭。其实不然,“人生的路啊,要寄几走”这个道理,卫星也是很明白的呢。

目前,对于几乎任何一颗卫星,推进系统都是必备的,因为它实在是太重要了。

 航天任务的需求

即便今天的火箭发射技术已经日趋完善,但它也只能将卫星送入预订的轨道高度和轨道倾角上,剩下的都由卫星自我推进。

例如,即便中星9A正常入轨,也是进入一个同步转移轨道,这是一个距离地球最近300-500千米,而最远可达36000千米的超大椭圆。卫星距离地面越远速度越慢,到了最高点时,卫星上的推进设备工作,由此而来的推力与速度方向相反且呈一定夹角,将卫星速度减速到3.1千米每秒并改变速度方向,实现相对静止地“停”在赤道上空(此时轨道周期)。

而对于探索外太空之类的复杂任务,推进系统的重要性基本排名第一。例如探月任务,火箭只能将其送出地球几百公里,但目标却是远在38万公里外的月球,这个过程就需要经历复杂的机动过程。

我国在2010年国庆节发射的嫦娥二号,甚至在复杂的探月任务结束后,飞到了距地球150万公里的日地拉格朗日引力平衡点,又在700万公里外探访了一颗小行星,如今已经在1亿公里外了。

(嫦娥二号轨迹图,可以看出离开地球只是起点©新华社)

1977年美国发射的旅行者2号是人类历史上最高产的一个航天器,它在任务周期中探访了木星、土星、天王星和海王星这四个太阳系内全部的气态行星和它们的卫星体系,这个过程对轨道机动能力要求极高,可谓“失之毫厘,谬以千里”,如今它已经距离地球280亿公里,但还在保持与地球的通信。

 修正宇宙环境造成的轨道偏移

宇宙环境并不能简单模拟,因为影响因素实在太多。

例如,对于一颗飞在地球附近几百公里的卫星而言,需要考虑的影响就包括:地球非均匀的重力场(比如喜马拉雅山和太平洋的引力影响不同),月球、太阳甚至木星的引力摄动,地球海洋、陆地和大气的潮汐,太阳光和地球反射的太阳光对卫星造成的压力,极其稀薄大气造成的阻力等等因素。

在这些因素影响下,卫星会逐渐偏离轨道,此时必须依靠本身推进能力修正。

(国际空间站入轨前两年轨道高度变化,大部分轨道提高都来自美国航天飞机和俄罗斯的空间站舱段© http://keywordsuggest.org/)

一个典型的例子是已经入轨近20年的国际空间站,它目前飞在距离地面400千米的轨道上。可以从图中看出,它的轨道高度深受近地环境影响,如果不加以推进修正,就会迅速降低。虽然每次货运飞船对接国际空间站后,都会在返回地球前使出绝大部分能量将国际空间站推高,但目前已经是一个420吨的庞然大物的它每年都需要自我修正好几十次,并消耗掉高达7吨燃料。

避免相撞危险

(笔者研究的Swarm卫星两年内经历了12次大的轨道机动,以防止两颗卫星彼此以及和太空垃圾相撞©European Space Agency)

目前,地球周围已经分布有数亿个太空垃圾,在每秒七千多米的速度下,任何一个都是对正常航天器极其危险的威胁。有的编队卫星也要预防可能发生的碰撞事故。因此,卫星携带推进系统也非常必要。

(有了推进系统,才能这么帅得躲“子弹”啊)

2. 卫星推进技术都有哪些

在卫星应用领域,人类已经有了很多种推进方案,但总结下来就是最基本的牛顿运动学定律:

推力能改变卫星的运动状态(第一定律),

推力越大改变能力就越强(第二定律),

推力与反推力是同时存在的(第三定律)。

因此,卫星推进的本质就是当一些工质被加速离开卫星时产生反推力,可以改变卫星的运动状态。

这里有个术语叫“工质”,其实就是可以将热能和化学能等转换成机械能的“工作物质”,火箭燃料和燃烧后的燃气是航天里最典型的工质。汽车、轮船和飞机里的石油产品和燃气,也可以理解为一种工质。

目前推进技术基本以工质不同来分开,下面我们就来细数下彼此的异同。

 化学燃烧推进

这是最常见也被人类最为掌握的技术,通过氧化剂和还原剂燃烧释放大量热量,燃烧的产物高速离开发动机,产生反推力。由于这个燃烧过程比较剧烈,且需要很重的发动机存在,一般不适合小型卫星而适用于大型航天器。生活中汽车通过燃烧汽油来驱动,就是利用了化学燃料。

所用工质:化学燃料燃烧后的产物

应用:航天飞机的轨道转移系统,国际空间站推进系统,天宫二号推进系统

 物理变化推进

这个过程中不会发生化学反应,通过工质的物理变化,例如液态变成气态的过程,加速离开卫星产生反推力。它的好处在于不需要发动机燃烧室,质量和体积都很小,可以提供较小且容易控制的推力。这种技术适用于任何一个卫星,也是目前应用最广的卫星推进方式。而且它不仅可以用来改变轨道,还可以通过小型推力装置控制姿态。生活中,水烧开后蒸汽将水壶盖顶起,利用的就是水的物理变化。

所用工质:高压液态气体,常态液体

应用:几乎所有卫星

例如2006年发射的新视野号(New Horizons)就携带了几十公斤液氦进行轨道和姿态控制。利用微小喷管的精细控制,新视野号的轨道机动精度极高,最后成功抵达冥王星这一距离我们最为遥远的矮行星(很不幸冥王星已经被从太阳系九大行星中除名)。

其中几个最典型的操作为:

a. 2006年3月9日, 76秒内速度变化1.16m/s;

b. 2007年9月25日,937秒内速度变化2.37m/s;

c. 2010年6月30日,35.6秒内速度变化0.44m/s;

要知道新视野号的速度在15000-45000 m/s的区间,如此小的速度变化是其他推进系统无法实现的。

 电推进

电推进就是将工质电离后送入磁场,在磁场作用下离子以极高速度离开卫星,从而产生反推力。由于电离效率很高且工质离开的速度轻易达到几万米每秒,远远超过化学燃料工质最高几千米每秒的速度,电推进也是目前效率最高的推进方式,消耗工质少而推进效果好。

所用工质:可被电离粒子(例如氙)

应用:新一代各国卫星

虽然电推进的推力很小,目前连一牛顿都是个巨大的障碍(一牛顿仅仅能拿起一个鸡蛋而已)。但电推进是未来人类太空旅行的必备法宝,几乎可以一直工作的电推发动机可以持续给航天器加速,聚沙成塔,到最后反而成为最有效的推进方式。

(采用了电推进的GOCE卫星,甚至可以飞在距离地面仅250千米的轨道,电推可以持续克服空气阻力©European Space Agency)

我国在实践十七号卫星和实践十八号卫星上都应用了电推进技术。目前在这个领域,我国处于国际领先水平。

光能推进

前文也提到了,太阳光照在卫星表面上被反弹时会产生压力,而如果合理利用,这部分压力就可以变成推力。目前国际上关于它的研究也是航天领域的热点。

所用工质:光子

应用:实验阶段

(2010年发射的日本星际风筝是目前唯一依靠太阳能作为推进系统的航天器©日本航空宇航开发局)

霍金和一些疯狂的科学家甚至提出了采用人造激光推进航天器进行星际旅行的想法。他们通过地面激光发射站组网,可以将无数个指甲大小的小型航天器加速到四分之一光速,从而拜访距离太阳最近的恒星,4.2光年外的比邻星。

(霍金提出的推进系统想象图,但目前仅仅是想法©https://www.theverge.com/)

 无工质推进?

目前,还有一个航天爱好者团队提出了无工质推进系统的可能性,这个想法看似像永动机一样夸张:不使用任何工质,意味着不必携带多余负重,也不依赖宇宙环境,凭空产生动力。

在很多专家质疑民科的情况下,NASA还是支持了一个叫做EMdrive的无工质发动机研究项目,它通过封闭锥型腔体内的微波光子电磁跳跃来产生推力。

(发动机外形图© http://emdrive.com/)

但它目前并未获得科学界认可,给NASA的报告中,在不能排除其他因素影响的前提下,也仅仅产生了微牛顿级别的推力。

虽然这个的确在理论上不能让人信服,但这个团队作为高端的民科能进行这样的研究,也算是做了些有意义的事情吧。

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