火箭上的發動機見多了，今天來說說衛星發動機！

發動機就像人的心臟一樣，心臟維持人的一切生命活動，而發動機則推動機器的運轉。之前，我們聊過了飛機的發動機、火箭的發動機，今天，我們就來看看衛星上的發動機又是什麼樣的！

高壓冷氣——小動力，大作用

早期的衛星，由於推進技術還不成熟，多使用高壓冷氣推進，而這裡的冷氣主要是氮氣。不僅是衛星，其他航天器比如前蘇聯的「東方一號」載人飛船、美國的「空間實驗室」也用到了冷氣推進。

冷氣推進的優點是安全可靠，無污染，但是推進動力小，性能低下。

大象站地上，巍然不動，你加速向其跑去並撞它，大象還是巍然不動。但假如，大象在執行太空行走任務時，恰好放了一大個屁，則大象姿態必有所改變。所以，高壓冷氣推進雖然性能不高，但用來調整衛星在太空中的各種姿態是綽綽有餘的。

因此，我國有一小部分衛星依然還在使用高壓氮氣。

1984年，美國航天員布魯斯·麥克坎德雷斯二世

成為第一個無繫繩的太空行走人員。他使用的是氮氣噴射推進背包。

單組元推進系統——神奇的「肼」

第二次世界大戰時，肼是德國V2導彈的其中一種燃料。在催化劑銥的作用下，肼會瞬間分解成氮氣和氫氣，並在幾毫秒內達到800℃高溫。

後來，肼則是廣泛地用在了衛星動力上。

如果發動機只使用一種推進劑，就叫單組元推進劑。而像「液氧和液氫」、「液氧和煤油」這些組合就叫雙組元推進劑。相應地，只使用一種推進劑比如肼的推進系統，就叫單組元推進系統。

單組元肼發動機原理示意圖

肼（N2H4）通過催化床後分解，產生大量高溫氣體並噴出

此外，探測過冥王星，且是有史以來以最快發射速度離開地球的探測器「新視野號」，其電力由9.75公斤的鈈-238氧化物粒料提供，而它的姿態調整以及軌道修正則由安全可靠的單組元肼發動機控制——新視野號攜帶了77公斤肼，作為對比，整個新視野號僅有470公斤左右。

雙組元推進系統——雙劍合璧

與單組元推進系統相比，雙組元推進系統使用兩種推進劑。

阿波羅17號月球模塊的上升動圖

其推力系統使用了四氧化二氮和Aerozine 50

目前，廣泛應用於北斗導航衛星、嫦娥一號和嫦娥二號等衛星上的490N發動機，便是屬於雙組元推進系統。該發動機的推進劑為四氧化二氮(N2O4) 和甲基肼，其真空推力為490N，主要用來進行軌道調整，比如爬高。

上面列舉的這些衛星上所用的，均是該款發動機的第一代。

2012年6月，第二代490N發動機產品成功應用在中星2A衛星上。2013年5月發射的中星11號衛星也使用了490N發動機。

2016年初，我國第三代490N發動機通過試車考核，試車壽命超過25000秒，第三代採用錸銥推力室，比沖達到325秒，比國際同行產品高出2秒。錸銥推力室負責人徐方濤說：「由於衛星攜帶的推進劑有限，要想提高衛星的壽命，就必須提高衛星發動機的性能。據統計，發動機的比沖每提高1秒，可節約數千克燃料，帶來近億美元的經濟效益。」

前段時間的「中星9A」衛星，使用的正是490N發動機。至於是第二代還是第三代，暫無資料可查。

電推進系統——輕裝上陣

最後，就是最新的電推進系統，它主要採用離子推力器，但是，實際上在非全電推進的系統中，還可能用到「肼增強推力器」和「電弧推力器」。

最核心的離子推進器，其原理是先將氣體電離，後用電場力將帶電的離子加速後噴出，繼而產生推力。

而肼增強推力器就是單組元肼發動機中分解出高溫氮氣、氫氣等氣體後，這些氣體再次通過電阻加熱器加熱，進一步提高燃氣的溫度。電弧推力器則是通過電弧加熱氣體，氣體受熱膨脹高速噴出從而產生推力。

2015年3月，獵鷹9火箭發射了兩顆全電推進的通信衛星

圖為上下兩顆衛星在發射前的組裝狀態

如果是全電推進系統，則衛星不再擁有化學發動機和化學燃料，衛星重量可降低40%以上，其帶來的好處不言而喻。比如，就發射成本而言，如果以前一枚火箭只能發射一枚衛星，那麼，在採取全電推進後，衛星重量得以大幅下降，就能同時發射兩顆衛星了，發射成本瞬間降一半！

在軌高度3.6萬公里的靜止軌道上的那些衛星，它們為了維持在軌15年左右的時間，還有就是其通過自身動力從轉移軌道提升到靜止軌道時，會消耗大量燃料。因此，這些衛星有超過一半的重量都是由推進劑帶來的。

而離子推力器不需要攜帶推進劑，因此，可以大幅降低衛星重量，並延長在軌時間。當然，它同時也要付出代價。例如，若使用化學發動機，那麼衛星從發射到定點就位只要一周或兩周時間，但使用全電推進的話，此過程將耗費4到9個月，可謂龜速。不過，對於在軌十幾年的通信衛星來說，犧牲五六個月的時間是可以接受的。

圖片來自Jacobon

外行看熱鬧，內行看門道。不少小國家也能造衛星，甚至具有發射能力。然而，相同軌道高度和重量的衛星，我在軌18年，你在軌6年，這就是差距，而這種差距，很大的原因是由衛星上的推進系統決定的。從冷氣推進到電推進系統，我國衛星上的發動機不斷改造升級，這見證了我們在衛星製造和發射上所取得的一系列卓越成就！

出品：科普中國

製作：寒木釣萌

監製：中國科學院計算機網路信息中心

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本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。

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