太空精酿：在轨卫星配有推进吗？

2017-10-08

现在，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。

为什么这么说？主要是以下三个方面的需求。

1. 航天任务（最终入轨+执行复杂的探索类太空任务）

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。

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，前段时间备受关注的中星9A。即使它正常入轨，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，工质的反推力与速度方向相同且呈一定夹角**，**将卫星速度加速到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（此时轨道周期是24h）。

（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）

**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。

2. 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。

3.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。

既然卫星的推进系统这么重要，那么都有哪些推进技术呢？

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。

1. 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

2. 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。

3. 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。

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。

4. 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

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。

5. 无工质推进

有个航天爱好者团队有个更疯狂的想法。他们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。

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，但这个团队能开展这样的研究，也算是做了些有意义的事情吧。

（科普中国出品，中国科学院计算机网络信息中心监制，原文发表于知乎，观察者网获授权转载）