在2024年10月,“千帆星座”一期02组卫星发射升空后,一些业内观察者注意到,部分卫星的轨道爬升进程异常缓慢,未能如期进入预定轨道。尽管确切原因尚不清楚,但可以深入探讨卫星从初始轨道到目标任务轨道,再到稳定运行的背后驱动力。
空间轨道和无线电频率资源稀缺,且遵循先到先得的原则,这促使有能力的国家和企业加速推进低轨卫星互联网计划。然而,卫星互联网的建设不仅依赖于可回收火箭这一“经济高效的运输工具”,还取决于每年能否成功发射足够数量的卫星以满足建设需求。若卫星无法顺利升轨,无论生产能力多强,建设成本都将难以控制。
以SpaceX的Starlink项目为例,已发射的七千多颗卫星中,约有一成因设计或制造缺陷而偏离轨道。即便卫星已成功发射,若推进系统出现故障,也会导致任务失败。卫星如同宇宙中的航船,推进系统是其“引擎”和“舵”,一旦失效,卫星将失去上升和维持轨道运行的能力。
卫星进入太空后,需从初始轨道转移至任务轨道。这一过程如同精准的“太空导航”,推进系统为卫星提供变轨动力,将其送达预定位置。目前,星链和千帆星座等卫星项目主要采用电推进系统。科幻电影中的航天飞行器常发出幽蓝光束,而非传统火焰,这正是电推进系统的体现。
化学火箭虽然推力强大,但大部分燃料用于克服自身重力,实际用于推动火箭滑行的燃料有限。相比之下,电推进系统以离子为推进剂,通过精确控制和高效利用离子产生推力。虽然电推进系统的推力较小,但离子体积小,飞行器携带少量燃料即可持续使用。电推进系统的比冲远高于化学火箭,且所需推进剂更少。
霍尔推进器是我国电推进产品的代表,其工作原理基于上世纪60年代前苏联莫洛佐夫教授的技术路线。霍尔推进器内部存在互相垂直的电场和磁场,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。推进剂送入电子束中后,与电子碰撞电离,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高效且一体化,通过调节磁场强度可适应不同需求。然而,其推力较小,约为0.001牛顿至几十牛顿之间,相当于推动一辆自行车的力量。但在太空中,微小的推力即可持续推动航天器运行。
霍尔推进器的设计难点在于,需在有限空间内设计合适的磁场,以控制电子的运动轨迹。磁场需精确调节,过强或过弱均会影响推进器的效率。我国在磁约束技术方面具有优势,电推进产品线齐全,但规模化生产后的品质仍需提升。
未来,随着技术的不断进步,电推进系统或将在深空探测等领域发挥更大作用。