太陽能電推進——靜止軌道通信衛星瘦身治療方案漫談

科技 10-15

作者說

本期要講的是，真正讓衛星大幅減重提效的電推進技術！電推技術，讓衛星瘦身減重，節省5000萬美元的推進劑運費，這已經可以做到！本文原載《衛星與網路》，作者超級LOVEOVERGOLD，轉載已獲授權。

往期鏈接：在《一次昂貴的自駕出行---地球靜止軌道通信衛星獨上3.6萬公里》提到，打一顆地球靜止軌道衛星，動輒上億美元的發射費用，但七七八八一算，一顆5噸重的衛星，不起眼的配角推進劑居然達到了50%的重量佔比，實際的有效載荷也就幾百公斤～1噸左右。可以算一筆賬，2017年9月29日發射的亞洲9號通信衛星，1個億美元的發射費用，而衛星6.14噸重量里，近3噸的推進劑花了5千萬美元！

和運費比起來，採購衛星的四氧化二氮、一甲基肼推進劑，單價350美元每公斤，合計100多萬美元的推進劑的費用都不是什麼事了。

這些金貴的推進劑用到哪裡去了呢？

（一）GTO軌道遠地點加速，調整傾角、定點

一般運載火箭上面級送衛星到GTO軌道，剩下的路只能靠衛星的遠地點發動機，把靜止軌道線速度提到3.07公里/秒，同時將傾角調整為0並圓化，以北緯28度附近的美國卡角和中國西昌為例，需要的速度增量為1824米/秒，需要消耗約80%的推進劑，這是大頭。

（二）樹欲靜而風不止——靜止軌道衛星抗拒三重誘惑和一個排擠上的開銷

想在地球靜止軌道安安靜靜工作的衛星，受到日月引力、地球扁率、太陽光壓的疊加影響，導致其軌道平面不斷發生進動。這三重「誘惑」和排擠的潛移默化，不加管控就衛星就「出軌」：

1、第一重——日月引力的攝動

地球自轉軸和黃道面（地球公轉軌道平面）成23.5度的夾角，每年從夏至開始太陽向南運動，像磁鐵一樣的萬有引力把地球靜止軌道上的衛星往南拽，冬至哪天開始又往北拽。這是太陽引力產生軌道傾角攝動，因此衛星需要南北位置保持。

上圖是以地球為參照物，描述靜止軌道衛星每年的「忐忑不安」

再說說月球，月球的公轉軌道面（白道）和黃道呈5.15度夾角，且軌道面在不斷進動，進動周期為18.6年，這期間，月球軌道和地球赤道的夾角在23.5±5.15度內變化，同樣會導致靜止軌道的通信衛星南南北北的被折騰。

上述日月攝動導致衛星傾角的初始變化率約為0.85°/年，每過26.5年傾角達到最大值15°。為了修正這項引力攝動，衛星需要進行定期的南北方向的軌道位置保持，每年用於修正傾角的總速度增量大約為50m/s，這是通信衛星在軌最大一筆開銷。

2、第二重——地球偏心率的攝動

經度的漂移主要是由地球非球形導致的——赤道略呈橢圓形。靜止軌道上有兩個穩定的平衡點(75.3°E和104.7°W)和兩個不穩定的平衡點(165.3°E和14.7°W)。位於靜止軌道平衡點之間的衛星等航天器，在沒有任何機動的情況下，會緩緩朝著兩個穩定平衡點加速移動，這導致了經度的周期性變化。為了修正經度漂移效應，靜止軌道衛星每年共需要大約2m/s的速度增量來進行東西方向的軌道保持，具體的數值取決於衛星的定點經度。

3、第三重——太陽光壓

太陽光子具有動量，不停的照射在靜止軌道衛星上，尤其是那一對碩大的太陽能帆板上，雖然太陽光子的動量很小，在地球軌道附近，靠太陽光子撞擊產生的光壓只有9N/平方公里，但日積月累，這的影響也不小，需要定期修正。

為了抗拒這三重誘惑和排擠，衛星的化學推進器定期要開機進行調整，一般以兩周為單位。但如果衛星的推進劑耗盡，就無法在地球靜止軌道「定點」，地面的接收站工作起來天線鍋要搖頭晃腦，非常辛苦！

（三）動量輪卸載——推進劑在通信衛星保持精確指向中的日常開銷

通信衛星要求其天線面精確指向目標區域、太陽帆板垂直對準太陽，但個別衛星的設計，頭重腳輕，或者由於星上設備的工作產生磁場導致整星合成磁場不為零，那麼在地球重力和磁場作用下，分別產生重力梯度力矩、地球磁場力矩，導致衛星歪頭斜腦，指向精度和姿態穩定度不行。

重力梯度力矩，簡單講，就是衛星重的那一頭，被地球萬有引力給吸過去，側身了！地球磁場力矩，衛星上的儀器，電流流動，按照安倍定則產生磁場，如果整星磁場不均衡，會被地球南北磁極給吸過去，拿大頂了！

目前主流的通信衛星採用了三軸穩定方式控制姿態，三軸穩定的作用機構，更多的採用了反作用輪（Reaction wheels）和控制力矩陀螺（CMG，Control Moment Gyroscope），提供精確的控制力矩,對其姿態進行準確修正，而且不需消耗工質、壽命長,已成為空間航天器姿態控制系統的主要執行機構。

1、反作用輪：

其工作原理，打個比方，就像在平衡木上快要掉下來的運動員，他張開雙臂，努力順著掉下的方向揮動，而身體通過反作用力試圖保持平衡。用於姿態控制的全功能反應輪系統需要至少三個反作用輪，每個反作用輪用於俯仰，搖擺和偏轉軸。姿態控制計算機精確的控制電機通過施加扭矩來增加角速度，反扭矩驅動衛星到令他滿意的位置。

2、控制力矩陀螺：

通過調整內部高速旋轉的反應輪轉速來調整或穩定衛星的姿態，雖然精度高（哈勃太空望遠鏡就採用這個方式，精確窺視宇宙星系），但受限於轉速和飛輪質量，力量小、調整速度慢，對於像國際空間站（ISS）那樣的大傢伙，在軌道交會對接的時候，光是靠動量輪則力不從心，則需要控制力矩陀螺(CMG, Control Moment Gyro)。

高速旋轉的陀螺，由於轉子的角動量，有抗拒方向改變的趨向，脾氣「倔強」，控制力矩陀螺通過調整高速旋轉轉子的旋轉軸的方向，對外輸出控制力矩,調整衛星等航天器的姿態，可以提供「洪荒之力」，與傳統動量輪相比, 控制力矩陀螺的輸出力矩遠大於反作用輪的輸出力矩(通常在數百倍以上), 具有較高的能效比；與噴氣推力器相比,控制力矩陀螺既能提供大的控制力矩, 又能精確、連續地輸出力矩,並且不消耗燃料。因此對於大型長壽命航天器, 控制力矩陀螺是最為理想的姿態控制執行機構。

ISS的姿態由四個控制力矩陀螺和一個反作用力系統動組成，這些CMG大的驚人每分鐘轉速6600，每個100公斤重（光運費就不得了，安裝人工費更貴）！

不過現在小型化CMG越來越多的在衛星上使用了。

3、動量輪卸載：

再回想一下，平衡木上揮動手臂的運動員，在他站穩了之後，第一件事情就是小心翼翼的把手抽回，以備下一個動作。上述兩種採用輪控的姿態控制系統，當持續進行姿態調整的時候，工作的轉輪的角動量會達到飽和（達到最大角動量），轉速超限。在這種時候，必須藉助推進劑工作的反作用力系統RCS（Reaction Control System）或磁力矩器，提供必要的扭矩執行動量輪卸載任務。

（四）離軌

一般來說，衛星的推進劑耗盡時，無法進行南北位置保持控制，如果其轉發器以及星上其他系統還能正常工作，則發揮他的餘熱在傾斜軌道上運行，其星下點以赤道為中心畫「8」字圖案，只能說將就著用了。更科學的是通過推進劑，把衛星軌道提升到「墳墓」軌道處理掉。

上述四個部分的工作，需要通信衛星必須攜帶足夠的推進劑，提供速度增量需求。「中星9A」發射的時候，挪用了寶貴的推進劑用來修復三級姿控出現的軌道問題，導致原定15年的壽命縮減為5年。

為什麼不就地取材使用太陽能？

日地距離下，太陽輻射的全譜總能量達到1.368kw/平米，目前太陽能電池技術日新月異，從雙結砷化鎵電池的極限效率為30% ,三結砷化鎵電池的極限效率為38% , 提升到四結砷化鎵電池的極限效率——41%！因此幾十個平方就可以提供10～20千瓦的電能！

有了電，很多需要依靠化學推進劑做的事，就可以被替代——終於輪到本期的主角，電推進技術出場了（抱歉，前戲實在太長了）。

電推進技術的基本原理是由電能驅動工質，使其加速噴出以產生反作用力。依據產生推力的方式不同可分為3類：電加熱式、靜電式和電磁式。

1、電加熱式推力器是通過電能加熱工質使其膨脹加速噴出獲得推力，分為電阻加熱、電弧加熱等，該類電推力器比沖適中，結構簡單；

2、靜電式，又稱為離子發動機，是通過強靜電場對離子化的工質加速後排出，能夠達到較大的排氣速度，具有最高的比沖，其功耗需求也最高。細分為電子轟擊式、接觸式、回旋加速諧振、場效應發射離子推進系統；

3、電磁式，電磁式電推力器依靠電磁場加速工質產生推力，又分為脈衝等離子體推力器（PPT）和穩態等離子體推力器（SPT），而後者又稱為霍爾推力器。

電推這個家族實在太龐大，三代以內直系親屬有大約17種，限於篇幅，我這裡，類似摘掉頂子放氣的高壓鍋型電加熱式推力器不做介紹了，就介紹一下當前商用的主流電推進器：

（一）離子電推進器（Ion thruster）

1960年6月美國研製成功了世界上第一台實用型電推進裝置，並將其命名為離子推進器（Ion thruster），這種推進器被稱作電子轟擊式離子推進器，屬靜電式。其工作過程分為三步：

1、電離：用轟擊等方式電離氣體室中的氣體（比如汞蒸氣、銫蒸汽、氪氣、氙氣等），得到我們需要帶正電的重離子。

2、加速射出：這些正離子被電場加速後快速噴出，產生推力。

3、中和：一個被稱作電子中和槍的裝置在不停地向發動機噴出的離子噴流中發射電子，以便中和正離子流，讓航天器本身不會積累大量電荷。

1964年7月20日，兩台NASA製造的離子推進器被裝到了SERT-1號衛星完成了首發，其中汞離子推力器那台成功工作了31分16秒。

汞和銫都需要加熱才能產生足夠濃度的氣體，而且等離子體羽流會濺射、腐蝕飛行器表面。目前主流離子推進器的工質採用氙，原因在於氙易電離（一次電離電位為12.13V）、離子重（原子量131.1）和對航天器附著腐蝕較少等特點成為了電推進系統中的優質工質，美國L-3公司的氙離子推進器（XIPS），XIPS-25工作壽命達到3萬小時，比沖超過3400秒。

（二）PPT（不是我們辦公的軟體，是Pulsed Plasma Thruster，脈衝等離子推進器）

PPT，脈衝等離子體推進器有點像做刀削麵，依靠脈衝大電流放電電離一層推進劑，並加速噴出：

1、充電：給推力器的電容器充電到它的工作電壓, 電壓高達3kV，這個電壓也同時加到特氟龍固體推進劑隔開的電極間隙上。

2、點火：電點火器點火時產生的微量放電, 在特氟龍固體推進劑表面形成足夠的電導率。

3、電離：推力器電容所貯存的能量沿特氟龍表面釋放，推進劑的表面幾層被燒蝕電離,並被電流產生的自生磁場所加速。

4、無需中和：由於形成的等離子體是電中性的, 所以無須進行電荷中和。在電容器放完電之後, 循環可以重複或者馬上停止。

5、在特氟龍表面被削掉一層之後，饋送彈簧頂上，下一層繼續！

特氟龍被一層層削出噴了！

一次脈衝工作時間僅為幾十微秒之內，產生的瞬時推力可以高達一磅或者更高，並可通過電脈衝的占空比調製實現精確的推力調節，無需電氣開關、閥門和磁體。特氟龍推進劑可以直接在空間環境的真空條件下貯存而無需任何貯箱。整個推進系統具有高的可靠性，耗電也僅為幾十瓦，但其推力僅為微牛級別，而且電容器的由於工作在3kV，壽命還做不到很長，因此目前PPT應用場景更多聚焦在小衛星上。

地球觀測者衛星上的脈衝等離子推進器

（三）霍爾推進器（Hall-effect thruster，HET）

霍爾推進器是SPT（Stationary Plasma Thruster）穩態等離子推進器家庭的一員。美蘇兩個國家都致力開發它，1960年代初美國率先公開發表，但嫌棄它性能不高而終止，但蘇聯堅持了下來並殺出一條血路。其工作過程，分為6步如下（動作分解後，我這版本應該是互聯網上能夠找到的最平易近人的了）：

1、陰極穩定釋放電子；

2、電子在電場作用下進入放電室；

3、電子形成的電流在環形磁場的洛倫茲力的作用下，螺旋加速墜向陽極，這個電子束便是霍爾電流的來源；

4、這股高速環形運動的電子束，在陽極附近狙擊噴出的推進劑工質，激烈碰撞後使工質電離；

5、在電磁場的作用下，推進器工質的離子產生軸向加速度，並最終高速噴出，形成推力；

6、工質離子羽流被中和。

霍爾推進器的外觀特點是，中心那個磁鐵芯發黑，看上去穩重

X-3霍爾發動機，由密歇根大學與NASA和USAF合作研發，作為美國未來深空空間站DSG（Deep Space Gate）的關鍵推進系統，在近期實驗中多次打破電推發動機的推力紀錄，真空推力高達5.4N，推力驚人但耗電也嚇人，耗電量為100kw甚至更高，對航天器的供電是一個嚴峻的考驗

X-3的試車照-1

X-3的試車照-2

霍爾推進器的比沖在1400～1600秒左右，相比較離子推進器低了一半且羽流發散易飛濺。但是他的突出優勢是：

1、結構簡單，無需安裝離子推進系統所需要的柵極（易變形、易燒蝕、易短路），STP-100的重量僅為4公斤；

2、功耗低、電壓低：霍爾推進器的功耗為1350瓦，80mN推力級別較離子推進器功耗下降了約40%；放電電壓約300伏，是PPT的十分之一左右，因此其可靠性更高。

蘇聯的這項技術在解體之後迅速被美歐採購並開展大規模的商業化應用。其中蘇聯火炬設計局(OKB Fakel ) 研發的SPT-100系列被西方國家合作進行了研究和再開發，這個推進器是牆內開花牆外紅。2003火炬設計局亮相了二代SPT-100B,在2011展出下一代SPT-100M原型。

（四）電推進器技術小結

1、比沖高帶來重量大為減輕，節省大量的推進劑：化學推進劑的比沖，實用的液氫液氧最高也就460秒左右，衛星通常採用的雙組元推進劑，比沖在300秒左右，但電推，比沖輕輕鬆鬆超過一千。像XIPS-25電推進系統的比沖已經達到了3400秒以上，比沖高帶來的好處是顯而易見的，相同速度增量的要求，推進劑消耗僅為原先的1/10左右，通信衛星的重量，由之前的5～6噸，一下子可降到2～3噸，發射費用打對摺，衛星壽命還只高不低。

2、推力小：和高比沖形成強烈反差的是，電推進器多為幾十mN，目前商用最大也就200mN，個別小個子是微牛級別，可以說是潤物細無聲了。

3、壽命長：根據M·V=F·S，既然推力小，那就積少成多、長時間工作，電推力器壽命都在幾萬小時，最高甚至到5萬小時左右，從而提供可觀的總衝量。電推力器能重複啟動。

4、安全性好：除去和衛星共貯箱的電加熱式外，其他幾款電推推進劑無毒、脾氣好，操作安全。

5、太陽能，電推進推力調節方便，達到高的控制精度。

電推布局

靜止軌道通信衛星恨不得它的臉有一個籃球場那麼大，可以讓各種饋源和反射天線長的整整齊齊，不用摺疊。

澳大利亞的Sky Muster互聯網衛星，勞拉空間公司的傑作，6.4噸，8個天線全Ka波段，80Gb帶寬，「寬頻澳洲」戰略的雙星星座，給澳洲農/牧/島民帶去寬頻，下/上行25/5Mbps。可以發現明顯的，臉大（方圓12米）！

可是運載火箭的整流罩，最大也直徑就5米左右，因此各種天線和太陽帆板都可摺疊，發射前緊緊的縮在衛星身體四周和頭上，滿足腰圍、體積控制等各方面的要求。

澳大利亞的Sky Muster互聯網衛星在地面乖巧、緊湊的外形，8副天線和饋源以及10個太陽能板全部摺疊

可是在太空之後，這個澳大利亞的Sky Muster互聯網衛星在太空徐徐展開太陽能帆板，完美綻放8個碩大天線及饋源，完全暴露了她26米長、12米寬、9米高的身板

發射升空之後，衛星在太空徐徐展開並對準地球。那麼遠地點發動機、姿態控制發動機或電推發動機裝哪裡？對，只剩下一個面了，位於衛星的BUTTOM，業內叫—背地板（背著地球那個板，anti nadir face）。執行南北/東西位置保持的電推推進器，四台電推發動機的安裝位置朝向地心方向，對準衛星的質心。

這種布局，朝後噴射可改善電推進離子羽流對航天器的污染程度，尤其能降低其對GEO 靜止衛星太陽電池帆板的濺射污染。而且電推和南北面的天線挨得比較近，近水樓台先得月，優化整星工藝布局。

在精確計算下，通過四台發動機的協作，完成南北/東西位置保持

1、推力器1、2提供指向南邊的法向力（軌道面垂直方向），推力器3、4提供指向北邊的法向力。

2、推力器1、3產生指向東邊的切向力（軌道切線方向），提升軌道，使經度向東的漂移率減小；推力器2、4產生指向西邊的切向力，降低軌道，使經度向東的漂移率增大。（為什麼會是這樣安排？這個問題留給讀者）

靜止軌道通信衛星電推任務應用的3種模式

前面說了，衛星需要進行定期的南北方向的軌道位置保持，每年用於修正傾角的總速度增量大約為50m/s，這是通信衛星在軌最大一筆開銷。從20世紀9 0年代末開始，電推進逐漸被商業衛星用於南北位保，而化學推進完成軌道提升。對於南北位保任務，在一天的控制周期內，兩個原則：

1、必須在升交點和降交點動手，確保軌道平面和赤道面重合；

2、保持南北兩側推力器的控制量相等：由於推力器在產生南北向的速度增量的同時，也產生地心徑向速度增量操作不當會引起偏心率上升。而升降交點的經度相差180°，如果兩次點火南北兩側各推力器控制量相等，相互抵消徑向速度增量，可避免對軌道偏心率的影響。

執行南北位置保持的工作過程

我國中星十六號/實踐十三號於2017年4月12日19:04由長征三號乙火箭從西昌成功發射，蘭州物理研究所研製的LIPS-200離子電推進系統在軌成功點火，推力40mN,比沖3000秒，該電推進系統完成的就是衛星的南北位置保持工作。下圖用紅圈標註的是一側電推的布局。

（二）NORMAL模式：在軌位保位+部分軌道轉移任務

電推進行部分軌道轉移任務還為發射添加雙保險：

1、在2001年7月發射的歐洲「阿蒂米斯」（ARTEMIS）衛星上，由於運載上面級故障衛星未能進入預定軌道，用電推進系統經過18個月軌道轉移最終到達同步軌道並定點，首次證明了電推進系統修復軌道錯誤的能力。

2、在2010年8月發射的洛馬公司先進極高頻－1（AEHF－1）衛星上，發生了衛星雙組元化學推進故障，應用2台BPT－4000推力器同時工作，在14個月內完成了幾乎全部的軌道轉移任務。

（三）HARD模式：位保+軌道轉移，需要的只是時間！時間！

此方式下衛星不配置遠地點化學發動機，衛星的推進任務主要依賴電推進實現，波音BSS-702SP全電衛星即為典型的此類設計方案！該星的星體結構和設備的總質量為2 350kg，氙氣加註量可達400公斤，可承載500公斤有效載荷（５１路轉發器），有效載荷功率為3～8kW，衛星工作壽命15年。該平台採用４台XIPS-25氙離子推力器，單台推力為165mN，比沖為3500秒，功率為4.5千瓦，變軌時２台離子推力器同時工作。

「亞洲廣播衛星3A」就採用了702SP平台，帶24個Ku、24個C波段轉發器，在2015年3月1日發射，發射重量1954kg，於2015年8月28日前後結束軌道轉移和圓化，歷時6個月（還提前了一個月），該星由此成為全球首顆投入運行的全電推進衛星。如果換作用肼為燃料，GTO變軌+南北/東西位保+動量輪卸載，衛星需要攜帶近2噸燃料，這顆衛星的發射質量將會是4000kg。發射費用節省達到數千萬美元左右。