在2024年10月，“千帆星座”一期02組衛(wèi)星成功發(fā)射后，業(yè)界觀察者迅速注意到，部分衛(wèi)星的軌道爬升速度異常緩慢，未能如期進入預(yù)定軌道。盡管確切原因尚不明朗，但可以借此機會深入探討一下衛(wèi)星如何從其初始軌道順利抵達并穩(wěn)定于目標(biāo)任務(wù)軌道，這一過程中不可或缺的“隱形推手”究竟是什么。
空間軌道和無線電頻率資源稀缺且不可再生，遵循先申請先得的原則。因此，無論是國家還是企業(yè)，都在競相加速推進低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃，以期搶占先機。
在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)過程中，除了可回收火箭這一“經(jīng)濟型快遞員”的角色至關(guān)重要外，每年發(fā)射的數(shù)百甚至上千顆衛(wèi)星能否滿足建設(shè)需求同樣不容忽視。若衛(wèi)星無法正常升軌，無論生產(chǎn)效率多高，成本控制都將面臨巨大挑戰(zhàn)。
以SpaceX的Starlink項目為例，已發(fā)射的七千余顆衛(wèi)星中，約有一成因設(shè)計或制造缺陷而偏離軌道。衛(wèi)星一旦升空，為何還會失敗？可以將其比作宇宙中的一艘船，推進系統(tǒng)便是其“發(fā)動機”和“方向舵”。一旦這一系統(tǒng)失效，衛(wèi)星便失去了上升和維持軌道運行的能力。
衛(wèi)星發(fā)射進入太空后，需從初始軌道轉(zhuǎn)移至任務(wù)軌道，如傳統(tǒng)的高軌同步通信衛(wèi)星需從低地球軌道攀升至地球同步軌道，低軌通信衛(wèi)星亦需自行爬升至目標(biāo)位置。這一過程如同一次精準(zhǔn)的“太空導(dǎo)航”，推進系統(tǒng)需為衛(wèi)星提供變軌動力，確保其抵達工作崗位。
衛(wèi)星推進系統(tǒng)主要包括冷氣推進、化學(xué)推進和電推進三種類型。目前，無論是Starlink還是千帆星座，所使用的衛(wèi)星大多采用電推進系統(tǒng)?？苹秒娪爸?，航天飛行器飛行時發(fā)出的幽藍光束，正是電推進而非傳統(tǒng)化學(xué)燃料的體現(xiàn)。
化學(xué)火箭以其強大的推力著稱，但其局限性在于，大部分燃料用于克服飛行器和燃料自身的地球引力，僅剩余少量燃料用于推動火箭滑行。以“土星五號”為例，其能將120噸有效載荷發(fā)射至地球軌道，但與之相比，其自身重量和燃料消耗顯得微不足道。盡管化學(xué)火箭的推力巨大，但火箭發(fā)射目前仍依賴化學(xué)燃料，因為要在極短時間內(nèi)獲得極高速度以擺脫地球引力。
與化學(xué)火箭不同，電推進系統(tǒng)通過丟棄離子（加速帶電粒子）產(chǎn)生推力。離子體積小，意味著飛行器只需攜帶少量燃料即可持續(xù)推動很久。航天領(lǐng)域常用“比沖”來衡量推進系統(tǒng)的效率，即單位重量推進劑產(chǎn)生的沖量。電推進的比沖遠大于化學(xué)推進，所需推進劑卻少得多。然而，電推進的缺點是推力小，目前僅適用于太空中衛(wèi)星的位置保持、重定位和姿態(tài)控制。
衛(wèi)星與電推進的結(jié)合堪稱完美，不僅能節(jié)省燃料、增加有效載荷，還能提高控制精度和衛(wèi)星性能。對于超高精度航天器定位任務(wù)而言，電推進系統(tǒng)無疑是最佳選擇。電推進發(fā)動機還具有“持久穩(wěn)定”的特點，非常適合執(zhí)行長期的深空探測任務(wù)。
目前，我國電推進產(chǎn)品的代表是霍爾推進器，該技術(shù)路線源自上世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)莫洛佐夫教授的研究。霍爾推進器內(nèi)部存在互相垂直的電場和磁場，利用霍爾效應(yīng)使電子聚集形成環(huán)形電子束。推進劑送入電子束中后，與電子碰撞電離，離子在磁場作用下加速推出噴口，產(chǎn)生推力。
霍爾推進器的電離和加速過程一氣呵成，可靠性高。但其推力較小，約在0.001牛頓至幾十牛頓之間，與推動一輛自行車的力相當(dāng)。在太空中，這一微小推力足以持續(xù)推動航天器運行。
霍爾推進器的設(shè)計難點在于，需要在有限空間內(nèi)設(shè)計合適的磁場，以控制電子的運動軌跡。磁場過強或過弱都會影響推進器的效率。我國在磁約束技術(shù)方面具有優(yōu)勢，但電推產(chǎn)品規(guī)模化后的品質(zhì)仍需提升。
