在2024年秋季，“千帆星座”一期02組衛(wèi)星成功發(fā)射升空后，業(yè)內(nèi)觀察家迅速注意到，有幾顆衛(wèi)星的軌道提升進(jìn)程異常緩慢，未能如期進(jìn)入預(yù)定軌道。盡管具體原因尚未明確，但可以借此機會深入探討衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移和維持的關(guān)鍵技術(shù)——“隱形驅(qū)動器”。
空間軌道與無線電頻率資源均屬稀缺資源，且遵循先到先得的原則。因此，擁有強大實力的國家和企業(yè)紛紛加速推進(jìn)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃，以期搶占先機。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)不僅依賴于可回收火箭這一高效運輸工具，還取決于每年發(fā)射的數(shù)百乃至上千顆衛(wèi)星能否滿足建設(shè)需求。若衛(wèi)星無法順利升軌，即便是擁有強大的衛(wèi)星批量生產(chǎn)能力，建設(shè)成本也將難以遏制。
以SpaceX的Starlink項目為例，其發(fā)射的七千余顆衛(wèi)星中，約有十分之一因設(shè)計或制造缺陷而脫離軌道。衛(wèi)星一旦發(fā)射升空，為何還會失敗？可以將衛(wèi)星比作宇宙中的一艘船，其推進(jìn)系統(tǒng)就如同“發(fā)動機”和“方向舵”，一旦該系統(tǒng)出現(xiàn)故障，衛(wèi)星便無法上升并保持軌道運行。
衛(wèi)星從發(fā)射升空到進(jìn)入任務(wù)軌道，需要經(jīng)歷軌道轉(zhuǎn)移過程。例如，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)星同樣需從初始軌道爬升至目標(biāo)位置。這一過程如同“太空打車”，推進(jìn)系統(tǒng)為衛(wèi)星提供變軌動力，確保其順利到達(dá)工作崗位。
衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)主要包括冷氣推進(jìn)、化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)三種類型。目前，無論是Starlink還是千帆星座，均采用電推進(jìn)系統(tǒng)?？苹秒娪爸泻教祜w行器飛行時發(fā)出的幽藍(lán)光束，正是電推進(jìn)的生動體現(xiàn)。與傳統(tǒng)化學(xué)燃料相比，電推進(jìn)具有顯著優(yōu)勢。
化學(xué)火箭雖推力強大，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，但與其自身重量和燃料消耗相比，這一成就顯得微不足道。化學(xué)燃料火箭的提速時間短，適合短距離快速加速，但燃料消耗大。
相比之下，電推進(jìn)系統(tǒng)通過加速帶電粒子產(chǎn)生推力，離子體積小，燃料消耗少。電推進(jìn)的比沖遠(yuǎn)高于化學(xué)推進(jìn)，且所需推進(jìn)劑少得多。然而，電推進(jìn)的缺點是推力小，目前主要用于太空中衛(wèi)星的位置保持、重定位和姿態(tài)控制。衛(wèi)星與電推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)合，不僅節(jié)省燃料、增加有效載荷，還能提高控制精度和衛(wèi)星性能。
霍爾推進(jìn)器是我國電推進(jìn)產(chǎn)品的代表之一，其工作原理基于霍爾效應(yīng)。推進(jìn)器內(nèi)部存在垂直的電場和磁場，電子在電場中運動時受磁場影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成環(huán)形電子束。推進(jìn)劑被送入電子束中，與電子碰撞后電離，離子在磁場作用下被加速推出噴口，產(chǎn)生推力。
霍爾推進(jìn)器的電離和加速過程一體化，結(jié)構(gòu)簡單可靠，但比沖相對較低。其推力范圍在0.001牛頓至幾十牛頓之間，相當(dāng)于推動一輛自行車的力量。在太空中，微小的推力足以持續(xù)推動航天器運行。
然而，霍爾推力器的設(shè)計難點在于需要精確控制磁場，以“管住電子”。磁場需精確調(diào)節(jié)，過強或過弱均會影響推進(jìn)器效率。我國在磁約束技術(shù)研發(fā)方面具有優(yōu)勢，電推產(chǎn)品線齊全，但規(guī)模化后的品質(zhì)仍需提升。
