“千帆星座”一期02組在2024年10月發射成功後，就有業內觀察人士發現，一直有幾顆衛星高度爬升緩慢，未能成功入軌。當然，這些衛星可能還在緩慢地調整中，具體原因我們並不清楚，但是可以為大家探究一下，衛星從初始軌道前往目標任務軌道，再穩穩當當地保持於此的“隱形驅動器”到底是什麼。
空間軌道資源有限，無線電頻率資源更有限，這些“不可再生”資源又都秉承著先到先得原則，誰先提出申請，誰就享有某段頻率、某低空軌道的優先使用權。這也是有能力的國家或企業都在加速發展低軌衛星網際網路計劃的重要原因之一。
而衛星網際網路的建設過程中的關鍵環節，可不只是可回收火箭這個“廉價快遞員”的有無，每年發射升空的數百上千顆衛星能不能滿足建設需求也很重要：如果衛星不能正常升軌，那無論衛星批次生產的能力有多高，建設成本都將難以控制。
截至目前，SpaceX的Starlink（星鏈）專案發射升空的七千多顆衛星中，就有大約一成左右的衛星因為設計或製造的缺陷而離軌。明明都已經發射上天了，怎麼還是會失敗？讀者可以把衛星想象成一艘漂浮在宇宙中的船，那它的推進系統就是它的“發動機”和“方向舵”，一旦這個不起眼的系統失靈，衛星就會失去上升和保持軌道執行的能力。
當衛星發射進入太空後，往往需要從初始軌道轉移到任務軌道，比如傳統用於通訊的高軌同步衛星，要從低地球軌道（LEO）攀升至地球同步軌道（GEO），低軌通訊衛星同樣也要從初始軌道自己爬升到目標位置。
這就像一場精準的“太空打車”，推進系統需要為其提供變軌動力，將衛星送到工作崗位。
衛星推進系統主要分為冷氣推進系統、化學推進系統以及電推進系統，而無論是星鏈還是千帆星座，其使用的衛星基本都是“電推”系統。很多科幻電影裡的航天飛行器飛行時靠的都不是磅礴烈焰，而是發出幽藍的光束，這說明它們用的不是傳統化學燃料，而是電。
牛頓第三定律告訴我們，一個作用力必然會產生一個大小相同方向相反的反作用力，這就是火箭的基本原理。無論是用液氧煤油還是液氧甲烷作為推進劑，現在常見的火箭幾乎都歸屬於化學火箭。
化學火箭推力大，但其固有侷限性在於，它的大部分燃料消耗都是為了克服飛行器和燃料自身所受的地球引力，剩餘那點燃料才能被用來推動火箭的滑行，火箭飛往目的地實際大部分時間裡依靠的主要是慣性而非化學燃料引擎提供的助力。
以運載能力最強的“土星五號”為例，它能將120噸的有效載荷發射到地球軌道，將45噸的有效載荷發射到月球，很厲害吧？但這跟它自身的重量相比根本不值一提。土星五號一級助推器裝有2075噸液氧煤油推進劑，發動機點火後，這些燃料要在2分34秒內全部燒完；在它全部能夠產生的3500噸推力中，很大一部分其實是被用來推動火箭自身和2000多噸燃料。
現在讀者能理解120噸的載荷背後要有多大“犧牲”吧，但是火箭發射目前還只能用化學燃料，因為想要擺脫地球引力，火箭必須在極短時間內獲得極高的速度。這就像短跑運動員起跑，提速時間當然越短越好，所以要儘快、盡力蹬地起跑。化學燃料發動機就相當於一個短跑冠軍，越快把燃料“丟”出去，產生的推力就越大。
霍爾推進器示意圖
電推進系統其實也可以這麼理解：化學燃料是把燃料快速丟下推進劑產生推力，電推進系統是把離子（或者說加速帶電粒子）作為推進劑丟掉，以利用反作用力產生推力。當然，整個過程也要精確控制並且高效利用離子。
離子非常小，這意味著飛行器帶一點燃料就能丟很久。
航天上常用“比衝”，也就是單位重量推進劑產生的衝量來衡量推進系統的效率。比衝的單位是秒，可以理解為火箭發動機用一公斤燃料產生一公斤的推力，可以持續多少秒。一般化學燃料火箭發動機的比衝可以達到300多秒，而電推進比化學推進的比衝大得多，可以達到前者的數倍到10倍以上，而電推所需推進劑卻少得多。
不過，電推的缺點是推力太小，光是在大氣層內克服大氣阻力都力不從心，因此目前只能用於太空中衛星的位置保持、重定位和姿態控制。
衛星和電推簡直是天作之合，不僅能節省燃料、增加衛星的有效載荷，還能獲得比化學推進更高的控制精度，進而提高衛星效能和效益，對一些超高精度航天器定位的任務而言，非電推系統莫屬。而且電推進發動機還有個優勢，那就是“靜水流深”，很適合執行長期的深空探測任務。
目前我國電推進產品的代表都是霍爾推進器，這屬於上世紀60年代前蘇聯莫洛佐夫教授主導的技術路線，我們就用它來詳解一下電推產品的工作原理。
霍爾推進器內部
霍爾推進器的內部有一對互相垂直的電場和磁場，由於磁場的作用，電子沿著電場方向運動時會發生偏轉，這種現象就叫做“霍爾效應”；在它的外部有一個持續放電的電源，在霍爾效應的影響下，電子會被聚集到推進器的壁面，形成一個環形的電子束。
當我們把推進劑——通常是惰性氣體氙氣或者氡、氬、鉍、碘、鎂和鋅——送入到這個電子束堆中後，推進劑就會跟電子產生距離碰撞，推進劑的離子如帶正電的氙離子，會在磁場的作用下被加速推出推進器的噴口，從而產生反方向的推力。
簡單來說，霍爾推進器的電離和加速過程是一氣呵成的，還能利用磁場的強弱來控制電子，去適應電離區和加速區的不同需求，因而推進器相對簡單，可靠性會更高；硬要說缺點，那就是比衝與其他電推器相比稍低。
那推力一般又有多大？大概在0.001牛頓至幾十牛頓之間，最大也就跟我們推動一輛腳踏車所用的力差不多。在太空裡的優勢是沒有阻力，一點點微小的推力都能持續推動航天器執行。
深空探測火箭或許有一天也可以用上電發動機
而霍爾推力器最大的設計難度在於，需要在發動機中設計好適合的磁場，把電子管住。
“管住電子”指的是透過磁場控制電子的運動，使其在特定區域內運動。這個設計挑戰是在有限空間內透過磁場控制電子的軌跡，讓它們保持在加速器的工作區域。若磁場分佈不均，電子可能會逃逸或者無法形成高效的電子雲，進而影響離子加速和推力產生。
磁場需要精確調節，過強的磁場可能會導致電子在加速器內的運動不穩定，反而會影響推進器的效率；過弱的磁場則無法有效聚集電子，導致電離和離子的加速效率降低。
設計一個合適強度且穩定的磁場是一個技術挑戰。值得一提的是，我國在磁約束方面的研發絕對是有優勢的，電推整個產品線都比較全，但現在要求的是產品規模化後的品質，市場化的參與者在技術水平上還不夠完美。
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本文轉載自“壹零社”，原標題《上萬顆衛星組網成功率，不在火箭而在衛星“引擎”》。
為分享前沿資訊及有價值的觀點，太空與網路微信公眾號轉載此文，並經過編輯。
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