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太阳能电推进——静止轨道通信卫星瘦身治疗方案漫谈

太空与网络 · 公众号 · 民航 · 2017-10-13 21:04

正文

作者 | 超级loveovergold

本期要讲的是，真正让卫星大幅减重提效的电推进技术！电推技术，让卫星瘦身减重，节省5000万美元的推进剂运费，这已经可以做到！

在《昂贵的自驾出行——地球静止轨道通信卫星独上3.6万公里》提到，打一颗地球静止轨道卫星，动辄上亿美元的发射费用，但七七八八一算，一颗5吨重的卫星，不起眼的配角推进剂居然达到了50%的重量占比，实际的有效载荷也就几百公斤～1吨左右。可以算一笔账，2017年9月29日发射的亚洲9号通信卫星，1个亿美元的发射费用，而卫星6.14吨重量里，近3吨的推进剂花了5千万美元！

和运费比起来，采购卫星的四氧化二氮、一甲基肼推进剂，单价350美元每公斤，合计100多万美元的推进剂的费用都不是什么事了。

这些金贵的推进剂用到哪里去了呢？

（一）GTO轨道远地点加速，调整倾角、定点

一般运载火箭上面级送卫星到GTO轨道，剩下的路只能靠卫星的远地点发动机，把静止轨道线速度提到3.07公里/秒，同时将倾角调整为0并圆化，以北纬28度附近的美国卡角和中国西昌为例，需要的速度增量为1824米/秒，需要消耗约80%的推进剂，这是大头。

（二）树欲静而风不止——静止轨道卫星抗拒三重诱惑和一个排挤上的开销

想在地球静止轨道安安静静工作的卫星，受到日月引力、地球扁率、太阳光压的叠加影响，导致其轨道平面不断发生进动。这三重“诱惑”和排挤的潜移默化，不加管控就卫星就“出轨”：

1、第一重——日月引力的摄动

地球自转轴和黄道面（地球公转轨道平面）成23.5度的夹角，每年从夏至开始太阳向南运动，像磁铁一样的万有引力把地球静止轨道上的卫星往南拽，冬至哪天开始又往北拽。这是太阳引力产生轨道倾角摄动，因此卫星需要南北位置保持。

上图是以地球为参照物，描述静止轨道卫星每年的“忐忑不安”

再说说月球，月球的公转轨道面（白道）和黄道呈5.15度夹角，且轨道面在不断进动，进动周期为18.6年，这期间，月球轨道和地球赤道的夹角在23.5±5.15度内变化，同样会导致静止轨道的通信卫星南南北北的被折腾。

上述日月摄动导致卫星倾角的初始变化率约为0.85°/年，每过26.5年倾角达到最大值15°。为了修正这项引力摄动，卫星需要进行定期的南北方向的轨道位置保持，每年用于修正倾角的总速度增量大约为50m/s，这是通信卫星在轨最大一笔开销。

2、第二重——地球偏心率的摄动

经度的漂移主要是由地球非球形导致的——赤道略呈椭圆形。静止轨道上有两个稳定的平衡点(75.3°E和104.7°W)和两个不稳定的平衡点(165.3°E和14.7°W)。位于静止轨道平衡点之间的卫星等航天器，在没有任何机动的情况下，会缓缓朝着两个稳定平衡点加速移动，这导致了经度的周期性变化。为了修正经度漂移效应，静止轨道卫星每年共需要大约2m/s的速度增量来进行东西方向的轨道保持，具体的数值取决于卫星的定点经度。

3、第三重——太阳光压

太阳光子具有动量，不停的照射在静止轨道卫星上，尤其是那一对硕大的太阳能帆板上，虽然太阳光子的动量很小，在地球轨道附近，靠太阳光子撞击产生的光压只有9N/平方公里，但日积月累，这的影响也不小，需要定期修正。

为了抗拒这三重诱惑和排挤，卫星的化学推进器定期要开机进行调整，一般以两周为单位。但如果卫星的推进剂耗尽，就无法在地球静止轨道“定点”，地面的接收站工作起来天线锅要摇头晃脑，非常辛苦！

（三）动量轮卸载——推进剂在通信卫星保持精确指向中的日常开销

通信卫星要求其天线面精确指向目标区域、太阳帆板垂直对准太阳，但个别卫星的设计，头重脚轻，或者由于星上设备的工作产生磁场导致整星合成磁场不为零，那么在地球重力和磁场作用下，分别产生重力梯度力矩、地球磁场力矩，导致卫星歪头斜脑，指向精度和姿态稳定度不行。

重力梯度力矩，简单讲，就是卫星重的那一头，被地球万有引力给吸过去，侧身了！地球磁场力矩，卫星上的仪器，电流流动，按照安倍定则产生磁场，如果整星磁场不均衡，会被地球南北磁极给吸过去，拿大顶了！

目前主流的通信卫星采用了三轴稳定方式控制姿态，三轴稳定的作用机构，更多的采用了反作用轮（Reaction wheels）和控制力矩陀螺（CMG，Control Moment Gyroscope），提供精确的控制力矩,对其姿态进行准确修正，而且不需消耗工质、寿命长,已成为空间航天器姿态控制系统的主要执行机构。

1、反作用轮：

其工作原理，打个比方，就像在平衡木上快要掉下来的运动员，他张开双臂，努力顺着掉下的方向挥动，而身体通过反作用力试图保持平衡。用于姿态控制的全功能反应轮系统需要至少三个反作用轮，每个反作用轮用于俯仰，摇摆和偏转轴。姿态控制计算机精确的控制电机通过施加扭矩来增加角速度，反扭矩驱动卫星到令他满意的位置。

2、控制力矩陀螺：

通过调整内部高速旋转的反应轮转速来调整或稳定卫星的姿态，虽然精度高（哈勃太空望远镜就采用这个方式，精确窥视宇宙星系），但受限于转速和飞轮质量，力量小、调整速度慢，对于像国际空间站（ISS）那样的大家伙，在轨道交会对接的时候，光是靠动量轮则力不从心，则需要控制力矩陀螺(CMG, Control Moment Gyro)。

高速旋转的陀螺，由于转子的角动量，有抗拒方向改变的趋向，脾气“倔强”，控制力矩陀螺通过调整高速旋转转子的旋转轴的方向，对外输出控制力矩,调整卫星等航天器的姿态，可以提供“洪荒之力”，与传统动量轮相比, 控制力矩陀螺的输出力矩远大于反作用轮的输出力矩(通常在数百倍以上), 具有较高的能效比；与喷气推力器相比,控制力矩陀螺既能提供大的控制力矩, 又能精确、连续地输出力矩,并且不消耗燃料。因此对于大型长寿命航天器, 控制力矩陀螺是最为理想的姿态控制执行机构。

ISS的姿态由四个控制力矩陀螺和一个反作用力系统动组成，这些CMG大的惊人每分钟转速6600，每个100公斤重（光运费就不得了，安装人工费更贵）！

不过现在小型化CMG越来越多的在卫星上使用了。

3、动量轮卸载：

再回想一下，平衡木上挥动手臂的运动员，在他站稳了之后，第一件事情就是小心翼翼的把手抽回，以备下一个动作。上述两种采用轮控的姿态控制系统，当持续进行姿态调整的时候，工作的转轮的角动量会达到饱和（达到最大角动量），转速超限。在这种时候，必须借助推进剂工作的反作用力系统RCS（Reaction Control System）或磁力矩器，提供必要的扭矩执行动量轮卸载任务。

（四）离轨

一般来说，卫星的推进剂耗尽时，无法进行南北位置保持控制，如果其转发器以及星上其他系统还能正常工作，则发挥他的余热在倾斜轨道上运行，其星下点以赤道为中心画“8”字图案，只能说将就着用了。更科学的是通过推进剂，把卫星轨道提升到“坟墓”轨道处理掉。

上述四个部分的工作，需要通信卫星必须携带足够的推进剂，提供速度增量需求。“中星9A”发射的时候，挪用了宝贵的推进剂用来修复三级姿控出现的轨道问题，导致原定15年的寿命缩减为5年。

为什么不就地取材使用太阳能？

日地距离下，太阳辐射的全谱总能量达到1.368kw/平米，目前太阳能电池技术日新月异，从双结砷化镓电池的极限效率为30% ,三结砷化镓电池的极限效率为38% , 提升到四结砷化镓电池的极限效率——41%！因此几十个平方就可以提供10～20千瓦的电能！

有了电，很多需要依靠化学推进剂做的事，就可以被替代——终于轮到本期的主角，电推进技术出场了（抱歉，前戏实在太长了）。

电推进技术的基本原理是由电能驱动工质，使其加速喷出以产生反作用力。依据产生推力的方式不同可分为3类：电加热式、静电式和电磁式。

1、电加热式推力器是通过电能加热工质使其膨胀加速喷出获得推力，分为电阻加热、电弧加热等，该类电推力器比冲适中，结构简单；

2、静电式，又称为离子发动机，是通过强静电场对离子化的工质加速后排出，能够达到较大的排气速度，具有最高的比冲，其功耗需求也最高。细分为电子轰击式、接触式、回旋加速谐振、场效应发射离子推进系统；

3、电磁式，电磁式电推力器依靠电磁场加速工质产生推力，又分为脉冲等离子体推力器（PPT）和稳态等离子体推力器（SPT），而后者又称为霍尔推力器。

电推这个家族实在太庞大，三代以内直系亲属有大约17种，限于篇幅，我这里，类似摘掉顶子放气的高压锅型电加热式推力器不做介绍了，就介绍一下当前商用的主流电推进器：

（一）离子电推进器（Ion thruster）

1960年6月美国研制成功了世界上第一台实用型电推进装置，并将其命名为离子推进器（Ion thruster），这种推进器被称作电子轰击式离子推进器，属静电式。其工作过程分为三步：

1、电离：用轰击等方式电离气体室中的气体（比如汞蒸气、铯蒸汽、氪气、氙气等），得到我们需要带正电的重离子。

2、加速射出：这些正离子被电场加速后快速喷出，产生推力。

3、中和：一个被称作电子中和枪的装置在不停地向发动机喷出的离子喷流中发射电子，以便中和正离子流，让航天器本身不会积累大量电荷。

1964年7月20日，两台NASA制造的离子推进器被装到了SERT-1号卫星完成了首发，其中汞离子推力器那台成功工作了31分16秒。

汞和铯都需要加热才能产生足够浓度的气体，而且等离子体羽流会溅射、腐蚀飞行器表面。目前主流离子推进器的工质采用氙，原因在于氙易电离（一次电离电位为12.13V）、离子重（原子量131.1）和对航天器附着腐蚀较少等特点成为了电推进系统中的优质工质，美国L-3公司的氙离子推进器（XIPS），XIPS-25工作寿命达到3万小时，比冲超过3400秒。

（二）PPT（不是我们办公的软件，是Pulsed Plasma Thruster，脉冲等离子推进器）

PPT，脉冲等离子体推进器有点像做刀削面，依靠脉冲大电流放电电离一层推进剂，并加速喷出：

1、充电：给推力器的电容器充电到它的工作电压, 电压高达3kV，这个电压也同时加到特氟龙固体推进剂隔开的电极间隙上。

2、点火：电点火器点火时产生的微量放电, 在特氟龙固体推进剂表面形成足够的电导率。

3、电离：推力器电容所贮存的能量沿特氟龙表面释放，推进剂的表面几层被烧蚀电离,并被电流产生的自生磁场所加速。

4、无需中和：由于形成的等离子体是电中性的, 所以无须进行电荷中和。在电容器放完电之后, 循环可以重复或者马上停止。

5、在特氟龙表面被削掉一层之后，馈送弹簧顶上，下一层继续！

特氟龙被一层层削出喷了！

一次脉冲工作时间仅为几十微秒之内，产生的瞬时推力可以高达一磅或者更高，并可通过电脉冲的占空比调制实现精确的推力调节，无需电气开关、阀门和磁体。特氟龙推进剂可以直接在空间环境的真空条件下贮存而无需任何贮箱。整个推进系统具有高的可靠性，耗电也仅为几十瓦，但其推力仅为微牛级别，而且电容器的由于工作在3kV，寿命还做不到很长，因此目前PPT应用场景更多聚焦在小卫星上。

地球观测者卫星上的脉冲等离子推进器

（三）霍尔推进器（Hall-effect thruster，HET）

霍尔推进器是SPT（Stationary Plasma Thruster）稳态等离子推进器家庭的一员。美苏两个国家都致力开发它，1960年代初美国率先公开发表，但嫌弃它性能不高而终止，但苏联坚持了下来并杀出一条血路。其工作过程，分为6步如下（动作分解后，我这版本应该是互联网上能够找到的最平易近人的了）：

1、阴极稳定释放电子；

2、电子在电场作用下进入放电室；

3、电子形成的电流在环形磁场的洛伦兹力的作用下，螺旋加速坠向阳极，这个电子束便是霍尔电流的来源；

4、这股高速环形运动的电子束，在阳极附近狙击喷出的推进剂工质，激烈碰撞后使工质电离；

5、在电磁场的作用下，推进器工质的离子产生轴向加速度，并最终高速喷出，形成推力；

6、工质离子羽流被中和。

霍尔推进器的外观特点是，中心那个磁铁芯发黑，看上去稳重

霍尔推进器的比冲在1400～1600秒左右，相比较离子推进器低了一半且羽流发散易飞溅。但是他的突出优势是：

1、结构简单，无需安装离子推进系统所需要的栅极（易变形、易烧蚀、易短路），STP-100的重量仅为4公斤；

2、功耗低、电压低：霍尔推进器的功耗为1350瓦，80mN推力级别较离子推进器功耗下降了约40%；放电电压约300伏，是PPT的十分之一左右，因此其可靠性更高。

苏联的这项技术在解体之后迅速被美欧采购并开展大规模的商业化应用。其中苏联火炬设计局(OKB Fakel ) 研发的SPT-100系列被西方国家合作进行了研究和再开发，这个推进器是墙内开花墙外红。2003火炬设计局亮相了二代SPT-100B,在2011展出下一代SPT-100M原型。

（四）电推进器技术小结

1、比冲高带来重量大为减轻，节省大量的推进剂：化学推进剂的比冲，实用的液氢液氧最高也就460秒左右，卫星通常采用的双组元推进剂，比冲在300秒左右，但电推，比冲轻轻松松超过一千。像XIPS-25电推进系统的比冲已经达到了3400秒以上，比冲高带来的好处是显而易见的，相同速度增量的要求，推进剂消耗仅为原先的1/10左右，通信卫星的重量，由之前的5～6吨，一下子可降到2～3吨，发射费用打对折，卫星寿命还只高不低。

2、推力小：和高比冲形成强烈反差的是，电推进器多为几十mN，目前商用最大也就200mN，个别小个子是微牛级别，可以说是润物细无声了。

3、寿命长：根据M·V=F·S，既然推力小，那就积少成多、长时间工作，电推力器寿命都在几万小时，最高甚至到5万小时左右，从而提供可观的总冲量。电推力器能重复启动。

4、安全性好：除去和卫星共贮箱的电加热式外，其他几款电推推进剂无毒、脾气好，操作安全。

5、太阳能，电推进推力调节方便，达到高的控制精度。

电推布局

静止轨道通信卫星恨不得它的脸有一个篮球场那么大，可以让各种馈源和反射天线长的整整齐齐，不用折叠。

澳大利亚的Sky Muster互联网卫星，劳拉空间公司的杰作，6.4吨，8个天线全Ka波段，80Gb带宽，“宽带澳洲”战略的双星星座，给澳洲农/牧/岛民带去宽带，下/上行25/5Mbps。可以发现明显的，脸大（方圆12米）！

可是运载火箭的整流罩，最大也直径就5米左右，因此各种天线和太阳帆板都可折叠，发射前紧紧的缩在卫星身体四周和头上，满足腰围、体积控制等各方面的要求。

澳大利亚的Sky Muster互联网卫星在地面乖巧、紧凑的外形，8副天线和馈源以及10个太阳能板全部折叠。

可是在太空之后，这个澳大利亚的Sky Muster互联网卫星在太空徐徐展开太阳能帆板，完美绽放8个硕大天线及馈源，完全暴露了她26米长、12米宽、9米高的身板。

发射升空之后，卫星在太空徐徐展开并对准地球。那么远地点发动机、姿态控制发动机或电推发动机装哪里？对，只剩下一个面了，位于卫星的BUTTOM，业内叫—背地板（背着地球那个板，anti nadir face）。执行南北/东西位置保持的电推推进器，四台电推发动机的安装位置朝向地心方向，对准卫星的质心。

这种布局，朝后喷射可改善电推进离子羽流对航天器的污染程度，尤其能降低其对GEO 静止卫星太阳电池帆板的溅射污染。而且电推和南北面的天线挨得比较近，近水楼台先得月，优化整星工艺布局。

在精确计算下，通过四台发动机的协作，完成南北/东西位置保持：

1、推力器1、2提供指向南边的法向力（轨道面垂直方向），推力器3、4提供指向北边的法向力。

2、推力器1、3产生指向东边的切向力（轨道切线方向），提升轨道，使经度向东的漂移率减小；推力器2、4产生指向西边的切向力，降低轨道，使经度向东的漂移率增大。（为什么会是这样安排？这个问题留给读者）

Inmarsat-5 F4卫星，波音BSS-702HP平台，其一侧电推发动机的安装位置，用黄圈标注。

静止轨道通信卫星电推任务应用的3种模式

（一）EASY模式：完成卫星平台的南北位置保持(以下简称位保）任务

前面说了，卫星需要进行定期的南北方向的轨道位置保持，每年用于修正倾角的总速度增量大约为50m/s，这是通信卫星在轨最大一笔开销。从20世纪9 0年代末开始，电推进逐渐被商业卫星用于南北位保，而化学推进完成轨道提升。对于南北位保任务，在一天的控制周期内，两个原则：

1、必须在升交点和降交点动手，确保轨道平面和赤道面重合；

2、保持南北两侧推力器的控制量相等：由于推力器在产生南北向的速度增量的同时，也产生地心径向速度增量操作不当会引起偏心率上升。而升降交点的经度相差180°，如果两次点火南北两侧各推力器控制量相等，相互抵消径向速度增量，可避免对轨道偏心率的影响。

执行南北位置保持的工作过程

我国中星十六号/实践十三号于2017年4月12日19:04由长征三号乙火箭从西昌成功发射，兰州物理研究所研制的LIPS-200离子电推进系统在轨成功点火，推力40mN,比冲3000秒，该电推进系统完成的就是卫星的南北位置保持工作。下图用红圈标注的是一侧电推的布局。

（二）NORMAL模式：在轨位保位+部分轨道转移任务

在南北位保任务的基础上，电推进还执行部分轨道转移的任务，在轨道转移最后阶段做轨道提升。化学推进则相应地更加侧重于完成轨道转移前期的轨道提升。波音公司在波音卫星系统－702HP/MP卫星平台上已经实施了应用XIPS－25离子电推进系统完成最终静止轨道轨道圆化的部分轨道转移任务,其中化学推进把卫星送入近地点约30000 km、远地点约42000 km、倾角0º的中间椭圆轨道，电推进在1.5个月内把卫星送入地球静止轨道。

电推进行部分轨道转移任务还为发射添加双保险：

1、在2001年7月发射的欧洲“阿蒂米斯”（ARTEMIS）卫星上，由于运载上面级故障卫星未能进入预定轨道，用电推进系统经过18个月轨道转移最终到达同步轨道并定点，首次证明了电推进系统修复轨道错误的能力。

2、在2010年8月发射的洛马公司先进极高频－1（AEHF－1）卫星上，发生了卫星双组元化学推进故障，应用2台BPT－4000推力器同时工作，在14个月内完成了几乎全部的轨道转移任务。

（三）HARD模式：位保+轨道转移，需要的只是时间！时间！

此方式下卫星不配置远地点化学发动机，卫星的推进任务主要依赖电推进实现，波音BSS-702SP全电卫星即为典型的此类设计方案！该星的星体结构和设备的总质量为2 350kg，氙气加注量可达400公斤，可承载500公斤有效载荷（５１路转发器），有效载荷功率为3～8kW，卫星工作寿命15年。该平台采用４台XIPS-25氙离子推力器，单台推力为165mN，比冲为3500秒，功率为4.5千瓦，变轨时２台离子推力器同时工作。

“亚洲广播卫星3A” 就采用了702SP平台，带24个Ku、24个C波段转发器，在2015年3月1日发射，发射重量1954kg，于2015年8月28日前后结束轨道转移和圆化，历时6个月（还提前了一个月），该星由此成为全球首颗投入运行的全电推进卫星。如果换作用肼为燃料，GTO变轨+南北/东西位保+动量轮卸载，卫星需要携带近2吨燃料，这颗卫星的发射质量将会是4000kg。发射费用节省达到数千万美元左右。