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卫星组网成功率的关键:不在火箭推力,而在卫星“隐形驱动器”电推技术?

时间:2025-01-15 00:41:14来源:太空与网络编辑:快讯团队

在2024年10月,“千帆星座”一期02组卫星发射升空后,业内观察家注意到部分卫星的轨道爬升速度异常缓慢,未能按计划进入预定轨道。尽管具体原因尚未明确,但可以借此机会深入探讨卫星轨道转移和维持的技术核心——“隐形驱动器”。

随着空间轨道和无线电频率资源的日益紧张,这些资源的“先到先得”原则促使各国和企业加速推进低轨卫星互联网计划。因为无论是通信还是导航,谁先占据有利位置,谁就能在未来的信息竞争中占据先机。

然而,卫星互联网的建设并非易事。除了需要高效的可回收火箭作为“廉价快递员”外,每年发射的数百上千颗卫星能否满足建设需求同样至关重要。若卫星无法正常升轨,那么无论生产效率多高,成本都将难以控制。

以SpaceX的Starlink项目为例,尽管已发射了七千多颗卫星,但其中约有一成因设计或制造缺陷而离轨。卫星就像是宇宙中的一艘船,其推进系统就是“发动机”和“方向舵”。一旦这个系统出现问题,卫星就会失去前进的动力和方向。

卫星推进系统主要包括冷气推进、化学推进和电推进三种。而无论是Starlink还是千帆星座,它们所使用的卫星推进系统都是电推进。在许多科幻电影中,航天飞行器飞行时并非依靠传统的火焰,而是发出幽蓝的光束,这正是电推进的写照。

化学火箭虽然推力大,但其大部分燃料都被用来克服自身重力,只有剩余的少量燃料才能用于推动火箭前进。相比之下,电推进系统则是通过加速带电粒子来产生推力。虽然推力较小,但离子微小,因此飞行器只需携带少量燃料就能持续很长时间。

航天领域常用“比冲”来衡量推进系统的效率。化学燃料火箭发动机的比冲通常在300多秒左右,而电推进的比冲则要大得多,可以达到前者的数倍甚至10倍以上。因此,电推进系统不仅能节省燃料、增加卫星的有效载荷,还能提高控制精度和卫星性能。

然而,电推进系统也面临一些挑战。由于推力较小,目前只能用于太空中卫星的位置保持、重定位和姿态控制。电推进产品的设计也颇具难度。以霍尔推进器为例,其内部需要设计适合的磁场来控制电子的运动。磁场需要精确调节,过强或过弱都会影响推进器的效率。

霍尔推进器通过霍尔效应将电子聚集到推进器的壁面形成环形电子束。当推进剂进入电子束中时,会与电子发生碰撞并电离。在磁场的作用下,离子被加速推出推进器的喷口,从而产生推力。霍尔推进器的电离和加速过程一气呵成,且能利用磁场的强弱来控制电子的运动,以适应电离区和加速区的不同需求。

尽管霍尔推进器的推力较小,但在太空中的优势在于没有阻力。因此,即使微小的推力也能持续推动航天器运行。霍尔推进器还具有结构简单、可靠性高的优点。然而,其比冲与其他电推器相比稍低,且设计难度较大。

我国在磁约束方面的研发具有显著优势,电推产品线也比较全。然而,随着对产品规模化后的品质要求不断提高,市场化的参与者在技术水平上仍需进一步完善。

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