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罢工的卫星

“千帆星座”一期02组在2024年10月发射成功后，就有业内观察人士发现，一直有几颗卫星高度爬升缓慢，未能成功入轨。当然，这些卫星可能还在缓慢地调整中，具体原因我们并不清楚，但是可以为大家探究一下，卫星从初始轨道前往目标任务轨道，再稳稳当当地保持于此的“隐形驱动器”到底是什么。

空间轨道资源有限，无线电频率资源更有限，这些“不可再生”资源又都秉承着先到先得原则，谁先提出申请，谁就享有某段频率、某低空轨道的优先使用权。这也是有能力的国家或企业都在加速发展低轨卫星互联网计划的重要原因之一。

而卫星互联网的建设过程中的关键环节，可不只是可回收火箭这个“廉价快递员”的有无，每年发射升空的数百上千颗卫星能不能满足建设需求也很重要：如果卫星不能正常升轨，那无论卫星批量生产的能力有多高，建设成本都将难以控制。

截至目前，SpaceX的Starlink（星链）项目发射升空的七千多颗卫星中，就有大约一成左右的卫星因为设计或制造的缺陷而离轨。明明都已经发射上天了，怎么还是会失败？读者可以把卫星想象成一艘漂浮在宇宙中的船，那它的推进系统就是它的“发动机”和“方向舵”，一旦这个不起眼的系统失灵，卫星就会失去上升和保持轨道运行的能力。

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化学燃料VS电推

当卫星发射进入太空后，往往需要从初始轨道转移到任务轨道，比如传统用于通信的高轨同步卫星，要从低地球轨道（LEO）攀升至地球同步轨道（GEO），低轨通信卫星同样也要从初始轨道自己爬升到目标位置。

这就像一场精准的“太空打车”，推进系统需要为其提供变轨动力，将卫星送到工作岗位。

卫星推进系统主要分为冷气推进系统、化学推进系统以及电推进系统，而无论是星链还是千帆星座，其使用的卫星基本都是“电推”系统。很多科幻电影里的航天飞行器飞行时靠的都不是磅礴烈焰，而是发出幽蓝的光束，这说明它们用的不是传统化学燃料，而是电。

牛顿第三定律告诉我们，一个作用力必然会产生一个大小相同方向相反的反作用力，这就是火箭的基本原理。无论是用液氧煤油还是液氧甲烷作为推进剂，现在常见的火箭几乎都归属于化学火箭。

化学火箭推力大，但其固有局限性在于，它的大部分燃料消耗都是为了克服飞行器和燃料自身所受的地球引力，剩余那点燃料才能被用来推动火箭的滑行，火箭飞往目的地实际大部分时间里依靠的主要是惯性而非化学燃料引擎提供的助力。

以运载能力最强的“土星五号”为例，它能将120吨的有效载荷发射到地球轨道，将45吨的有效载荷发射到月球，很厉害吧？但这跟它自身的重量相比根本不值一提。土星五号一级助推器装有2075吨液氧煤油推进剂，发动机点火后，这些燃料要在2分34秒内全部烧完；在它全部能够产生的3500吨推力中，很大一部分其实是被用来推动火箭自身和2000多吨燃料。

现在读者能理解120吨的载荷背后要有多大“牺牲”吧，但是火箭发射目前还只能用化学燃料，因为想要摆脱地球引力，火箭必须在极短时间内获得极高的速度。这就像短跑运动员起跑，提速时间当然越短越好，所以要尽快、尽力蹬地起跑。化学燃料发动机就相当于一个短跑冠军，越快把燃料“丢”出去，产生的推力就越大。

霍尔推进器示意图

电推进系统其实也可以这么理解：化学燃料是把燃料快速丢下推进剂产生推力，电推进系统是把离子（或者说加速带电粒子）作为推进剂丢掉，以利用反作用力产生推力。当然，整个过程也要精确控制并且高效利用离子。

离子非常小，这意味着飞行器带一点燃料就能丢很久。

航天上常用“比冲”，也就是单位重量推进剂产生的冲量来衡量推进系统的效率。比冲的单位是秒，可以理解为火箭发动机用一公斤燃料产生一公斤的推力，可以持续多少秒。一般化学燃料火箭发动机的比冲可以达到300多秒，而电推进比化学推进的比冲大得多，可以达到前者的数倍到10倍以上，而电推所需推进剂却少得多。

不过，电推的缺点是推力太小，光是在大气层内克服大气阻力都力不从心，因此目前只能用于太空中卫星的位置保持、重定位和姿态控制。

卫星和电推简直是天作之合，不仅能节省燃料、增加卫星的有效载荷，还能获得比化学推进更高的控制精度，进而提高卫星性能和效益，对一些超高精度航天器定位的任务而言，非电推系统莫属。而且电推进发动机还有个优势，那就是“静水流深”，很适合执行长期的深空探测任务。

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电推难点

目前我国电推进产品的代表都是霍尔推进器，这属于上世纪60年代前苏联莫洛佐夫教授主导的技术路线，我们就用它来详解一下电推产品的工作原理。

霍尔推进器内部

霍尔推进器的内部有一对互相垂直的电场和磁场，由于磁场的作用，电子沿着电场方向运动时会发生偏转，这种现象就叫做“霍尔效应”；在它的外部有一个持续放电的电源，在霍尔效应的影响下，电子会被聚集到推进器的壁面，形成一个环形的电子束。

当我们把推进剂——通常是惰性气体氙气或者氡、氩、铋、碘、镁和锌——送入到这个电子束堆中后，推进剂就会跟电子产生距离碰撞，推进剂的离子如带正电的氙离子，会在磁场的作用下被加速推出推进器的喷口，从而产生反方向的推力。

简单来说，霍尔推进器的电离和加速过程是一气呵成的，还能利用磁场的强弱来控制电子，去适应电离区和加速区的不同需求，因而推进器相对简单，可靠性会更高；硬要说缺点，那就是比冲与其他电推器相比稍低。

那推力一般又有多大？大概在0.001牛顿至几十牛顿之间，最大也就跟我们推动一辆自行车所用的力差不多。在太空里的优势是没有阻力，一点点微小的推力都能持续推动航天器运行。

深空探测火箭或许有一天也可以用上电发动机

而霍尔推力器最大的设计难度在于，需要在发动机中设计好适合的磁场，把电子管住。

“管住电子”指的是通过磁场控制电子的运动，使其在特定区域内运动。这个设计挑战是在有限空间内通过磁场控制电子的轨迹，让它们保持在加速器的工作区域。若磁场分布不均，电子可能会逃逸或者无法形成高效的电子云，进而影响离子加速和推力产生。

磁场需要精确调节，过强的磁场可能会导致电子在加速器内的运动不稳定，反而会影响推进器的效率；过弱的磁场则无法有效聚集电子，导致电离和离子的加速效率降低。

设计一个合适强度且稳定的磁场是一个技术挑战。值得一提的是，我国在磁约束方面的研发绝对是有优势的，电推整个产品线都比较全，但现在要求的是产品规模化后的品质，市场化的参与者在技术水平上还不够完美。

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编辑｜张毅

审核｜吴新

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