全電推進(jìn)衛(wèi)星——商業(yè)通信衛(wèi)星的新趨勢(shì)

□ 遲 惑

傳統(tǒng)上，通信衛(wèi)星在進(jìn)入軌道的時(shí)候，它的體重里有很大一部分是遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)和姿態(tài)、軌道控制系統(tǒng)的燃料。例如著名的美國(guó)波音公司702-HP平臺(tái)，在它基礎(chǔ)上制造出來(lái)的加拿大Anik F-1衛(wèi)星，發(fā)射重量大約是4710千克左右，而進(jìn)入靜止軌道開(kāi)始工作時(shí)只剩下了3015千克，為從轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入靜止軌道而消耗掉的燃料達(dá)1695千克。世界上所有通信衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商都要為這部分燃料的發(fā)射支付高額費(fèi)用。遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)要靠這些燃料把衛(wèi)星從同步轉(zhuǎn)移軌道推入靜止軌道，姿軌控分系統(tǒng)要靠這些燃料實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星工作期間的南北和東西方向位置保持，而燃料所需要的儲(chǔ)罐、管道、閥門(mén)、控制機(jī)構(gòu)異常精密而復(fù)雜，很多通信衛(wèi)星就是因?yàn)槿剂舷到y(tǒng)發(fā)生故障而一命嗚呼的。

如果，衛(wèi)星不再需要燃料系統(tǒng)，會(huì)怎么樣呢？

波音的全電推進(jìn)商業(yè)通信衛(wèi)星

Anik F-1衛(wèi)星

眼下，美國(guó)波音公司就推出了這么一種衛(wèi)星，名叫BS-702SP。這種衛(wèi)星平臺(tái)衍生自著名的BS-702重型衛(wèi)星平臺(tái)，但降低了有效載荷功率，用來(lái)適應(yīng)那些不需要重型衛(wèi)星的客戶(hù)。

應(yīng)該說(shuō)，波音公司的這個(gè)創(chuàng)舉，出乎業(yè)內(nèi)很多專(zhuān)家的預(yù)料。2012年一季度，波音公司獲得了亞洲廣播衛(wèi)星公司和墨西哥衛(wèi)星公司總計(jì)4億美元的兩顆衛(wèi)星合同，這是人類(lèi)航天史上第一批全電推進(jìn)的靜止軌道商業(yè)通信衛(wèi)星。

全電推進(jìn)通信衛(wèi)星采用重量較小的氙離子推力器，而非傳統(tǒng)化學(xué)燃料推力器將衛(wèi)星送入靜止軌道。這兩顆衛(wèi)星的有效載荷搭載能力都達(dá)到了4000千克級(jí)傳統(tǒng)衛(wèi)星的水平，但其實(shí)際發(fā)射重量不超過(guò)2000千克，也就是降低了一半。顯然，這可以大幅度削減發(fā)射費(fèi)用，節(jié)省幅度可能達(dá)到一億美元之多。除了降低重量外，全電推進(jìn)衛(wèi)星也為增加有效載荷容量、提高衛(wèi)星性能提供了機(jī)會(huì)。BS-702SP可以容納47個(gè)工作轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星可以為轉(zhuǎn)發(fā)器提供3千瓦~8千瓦電力，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)顯著。

波音公司指出，BS-702SP可以用世界上各類(lèi)主流商業(yè)運(yùn)載火箭發(fā)射。而為了進(jìn)一步降低系統(tǒng)費(fèi)用，亞洲廣播衛(wèi)星公司和墨西哥衛(wèi)星公司決定向太空探索技術(shù)公司采購(gòu)一枚中型“獵鷹”9火箭的雙星發(fā)射服務(wù)?！矮C鷹”9它可以采用5米直徑整流罩，同時(shí)發(fā)射兩顆702SP衛(wèi)星。

歐洲的阿里安公司也許同樣會(huì)歡迎這種新技術(shù)?，F(xiàn)在的阿里安-5火箭可以同時(shí)發(fā)射一大一中兩顆商業(yè)衛(wèi)星。如果用來(lái)發(fā)射702SP這種輕型衛(wèi)星，其可以搭配一顆更大的衛(wèi)星作為主有效載荷，但不能超過(guò)其9000千克的最大發(fā)射能力。

電推力器的出色表現(xiàn)

傳統(tǒng)的推力器是通過(guò)尾部噴出高速的氣體實(shí)現(xiàn)向前推進(jìn)的。而電推進(jìn)器所噴出的是一束帶電粒子或是離子。它根據(jù)霍爾效應(yīng)原理工作，因其工作原理，也有人稱(chēng)它為離子推進(jìn)器、電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、霍爾推力器，等等。目前的電推力器還不能實(shí)現(xiàn)很高推力，例如“美軍先進(jìn)極高頻衛(wèi)星”-1（AEHF-1）衛(wèi)星上的電推力器，其推力只有0.22牛頓。但它所需要的燃料要比普通火箭少得多，而且連續(xù)工作數(shù)千小時(shí)。

由于電推力器重量、體積小、可以長(zhǎng)期工作，已經(jīng)在很多衛(wèi)星上得到了應(yīng)用，主要是用于軌道位置保持。波音公司所交付的軍用和商業(yè)衛(wèi)星中，已有18顆采用了這種技術(shù)。不過(guò)目前為止，還沒(méi)有那顆現(xiàn)役衛(wèi)星是采用電推力器作為遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的，技術(shù)還從來(lái)沒(méi)有用于把衛(wèi)星從轉(zhuǎn)移軌道抬升到靜止軌道的記錄，除了發(fā)生故障的時(shí)候。

例如，美國(guó)空軍的AEHF-1和歐洲航天局的“阿特米斯”數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星都發(fā)生了主推進(jìn)系統(tǒng)故障，此后被迫用電推力器慢慢進(jìn)入最終軌道。

AEHF-1的故事充分反映了電推力器在通信衛(wèi)星上應(yīng)用的巨大價(jià)值。2010年8月15日，AEHF-1發(fā)射后進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道，但遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)幾次點(diǎn)火失敗。美國(guó)空軍與波音公司確認(rèn)，遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑泄漏了，再一次點(diǎn)火可能會(huì)引起爆炸。

AEHF-1衛(wèi)星

AEHF-1衛(wèi)星在廠房中

8月21日，美國(guó)空軍和波音公司的資深專(zhuān)家匯集一堂，制定了一個(gè)4階段計(jì)劃，用兩個(gè)較小發(fā)動(dòng)機(jī)——肼推力器(REA)和推進(jìn)力約為0.22牛頓的小型氙燃料霍爾電推力器把衛(wèi)星送入靜止軌道。

到2010年9月22日，衛(wèi)星在肼推力器推動(dòng)下，到達(dá)了近地點(diǎn)高度4666km的軌道。自2010年10月開(kāi)始，HCT每天點(diǎn)火10個(gè)~12個(gè)小時(shí)。衛(wèi)星由電推力器慢慢地向上抬升。到10月24日，衛(wèi)星終于到達(dá)了預(yù)定的圓軌道。其間，星上的肼和氙燃料消耗很有限，衛(wèi)星還可以保有其14年的設(shè)計(jì)壽命。而且，梅登的小組在搶救的過(guò)程中掌握了不少技巧。“當(dāng)我們將衛(wèi)星交付運(yùn)營(yíng)者的時(shí)候，將演示如何有效使用這個(gè)系統(tǒng)，確保衛(wèi)星獲得至少14年的壽命?！?/p>

當(dāng)然，電推力器最著名的冒險(xiǎn)發(fā)生在日本的“隼鳥(niǎo)”號(hào)小行星探測(cè)器上。這顆探測(cè)器在星上大量推進(jìn)和控制部件發(fā)生故障的情況下，依靠3臺(tái)氙離子推力器，長(zhǎng)途旅行60億千米，終于在2010年把行星采樣艙送回了地球。

你們等得及嗎？

不過(guò)事情也有不利的一面。當(dāng)今的多數(shù)商業(yè)衛(wèi)星都能在發(fā)射后的幾周內(nèi)進(jìn)入靜止軌道位置，開(kāi)始掙錢(qián)。但全電推進(jìn)衛(wèi)星的發(fā)動(dòng)機(jī)推力小，因此要用很長(zhǎng)時(shí)間——最長(zhǎng)可能是6個(gè)月——機(jī)動(dòng)到自己的軌道位置，這段時(shí)間里衛(wèi)星是不能賺錢(qián)的。

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歐洲要挑戰(zhàn)波音全電衛(wèi)星優(yōu)勢(shì)地位

歐洲政府官員稱(chēng)，他們決不甘心讓波音空間與情報(bào)系統(tǒng)公司在全電推進(jìn)商業(yè)衛(wèi)星領(lǐng)域永久占據(jù)領(lǐng)先地位。波音3月份簽下了為亞洲和墨西哥兩家衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商建造4顆全電推進(jìn)商業(yè)通信衛(wèi)星的合同，每顆的造價(jià)略低于1億美元。這些衛(wèi)星的特點(diǎn)是不僅將像許多商業(yè)衛(wèi)星已在做的那樣利用電推進(jìn)來(lái)進(jìn)行定點(diǎn)后的位置保持，還將利用電推進(jìn)來(lái)進(jìn)行星箭分離后的軌道提升。如此以來(lái)，發(fā)射質(zhì)量通常為4000千克的6千瓦功率衛(wèi)星重量將降至約2000千克，而這意味著它們可用太空探索技術(shù)公司在研的“獵鷹”9火箭以一箭雙星方式發(fā)射。

歐洲政府官員明確表示，他們已認(rèn)識(shí)到波音這筆交易所帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)威脅，不會(huì)對(duì)事態(tài)進(jìn)展無(wú)動(dòng)于衷。歐空局會(huì)在11月份決定未來(lái)航天投資方向的成員國(guó)政府會(huì)議上請(qǐng)求各國(guó)為進(jìn)一步發(fā)展電推進(jìn)技術(shù)出資。幾個(gè)成員國(guó)政府多年來(lái)已開(kāi)展了電推進(jìn)技術(shù)投資，希望以此刺激其國(guó)內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)。這些投資形成了一些有競(jìng)爭(zhēng)力的設(shè)計(jì)，已用于不同的政府和商業(yè)任務(wù)，包括歐空局的SMART探月衛(wèi)星和“阿蒂米斯”技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星?！鞍⒌倜姿埂毙l(wèi)星還在常規(guī)推進(jìn)劑系統(tǒng)失效后因裝有電推力器而得到了成功搶救。最近，美國(guó)空軍的“先進(jìn)極高頻衛(wèi)星”-1（AEHF-1）保密通信衛(wèi)星在出現(xiàn)類(lèi)似故障后搶救成功，而這一定程度上也要?dú)w功于電推進(jìn)的使用。阿斯特里姆衛(wèi)星公司已在所造的6顆商業(yè)通信衛(wèi)星上采用了電推力器，但只用于軌道控制。(江山)

在這個(gè)問(wèn)題上，大型運(yùn)營(yíng)商和小型運(yùn)營(yíng)商的處境完全不同。大型運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)建立起穩(wěn)定的現(xiàn)金流，可以用比較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)規(guī)劃星群建設(shè)和更新工作。世界第二大衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商SES公司首席執(zhí)行官羅曼·保赫說(shuō)：“對(duì)擁有大規(guī)模衛(wèi)星群的企業(yè)來(lái)說(shuō)，必須提前幾年就策劃衛(wèi)星更新工作，以適應(yīng)全電推進(jìn)衛(wèi)星入軌所需要的幾個(gè)月時(shí)間?！痹摴究紤]在2013年采購(gòu)一顆全電推進(jìn)衛(wèi)星。

但對(duì)小企業(yè)來(lái)說(shuō)，在等待衛(wèi)星入軌的日子里，他們是凈虧損的。即使每顆衛(wèi)星只賣(mài)兩億美元，用“獵鷹”9火箭雙星發(fā)射的單價(jià)只要3000萬(wàn)美元，那么2.3億美元融資在半年中所可能產(chǎn)生的利息，也是個(gè)很驚人的數(shù)字。

圭亞那優(yōu)勢(shì)不再？

靜止軌道衛(wèi)星的軌道傾角是0，但多數(shù)發(fā)射場(chǎng)所發(fā)射衛(wèi)星的同步轉(zhuǎn)移軌道都有一定的傾角。譬如中國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心地處北緯28度，所發(fā)射衛(wèi)星的同步轉(zhuǎn)移軌道一般存在一個(gè)25度左右的傾角。為了把這個(gè)傾角修正為0，需要消耗大量的燃料。我們假設(shè)一顆衛(wèi)星運(yùn)行在傾角25度、高度35800千米的非靜止地球同步軌道，如果想把這個(gè)25度消除掉，就需要付出將近1300米/秒的速度增量，代價(jià)是很大的。理論上說(shuō)，如果發(fā)射場(chǎng)就在赤道上，那么火箭就可以徑直向東飛行，把衛(wèi)星放到一個(gè)傾角為零的軌道上。但多數(shù)航天國(guó)家因?yàn)榈乩砦恢脝?wèn)題，無(wú)法把發(fā)射場(chǎng)直接放在赤道上，因此只能選擇盡量靠近赤道的位置。歐洲航天局的圭亞那航天中心是世界上最靠近赤道的發(fā)射場(chǎng)，緯度只有5°14′，長(zhǎng)期以來(lái)享有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。從法國(guó)圖盧茲——阿里安火箭的制造地——到地球靜止軌道的“傾角”是靠海運(yùn)來(lái)消除的，成本非常低。

霍爾推力器的排氣羽流

不過(guò)衛(wèi)星應(yīng)用全電推技術(shù)后，這種優(yōu)勢(shì)就不存在了。在輕型氙燃料的支持下，全電衛(wèi)星不需要消耗太多燃料就可以很輕易地穿越從其發(fā)射場(chǎng)到赤道的距離，譬如從拜科努爾或卡納維拉爾角到赤道。拜科努爾的緯度是北緯46度，在世界主要的靜止軌道衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)中最為不利。而卡角位于北緯28度，和西昌基本相同，不如圭亞那。但全電推衛(wèi)星就會(huì)消除這個(gè)不足，美國(guó)制造的衛(wèi)星在肯尼迪中心發(fā)射更加便宜，不需要再漂洋過(guò)海去圭亞那了。

電推進(jìn)衛(wèi)星的出現(xiàn)，同樣會(huì)影響未來(lái)的火箭發(fā)展計(jì)劃，預(yù)示了阿里安火箭的未來(lái)體系結(jié)構(gòu)。歐洲國(guó)家政府計(jì)劃在2012年決定火箭產(chǎn)品線的不同研發(fā)路徑：是選擇研發(fā)一種運(yùn)載能力更強(qiáng)的阿里安-5改型，還是設(shè)計(jì)一種模塊化的下一代運(yùn)載火箭。而全電推進(jìn)商業(yè)衛(wèi)星產(chǎn)品線很顯然更青睞后一種選擇。

美國(guó)航天的逆襲？

“隼鳥(niǎo)”號(hào)在進(jìn)入大氣層燒毀之前最后“看”一眼地球

當(dāng)前，波音公司是世界上唯一擁有可供貨產(chǎn)品線的全電推進(jìn)衛(wèi)星制造商。而阿斯特里姆公司總裁愛(ài)沃特·杜多科表示，該公司正在研究全電推進(jìn)衛(wèi)星。作為近年來(lái)在商業(yè)衛(wèi)星市場(chǎng)上最為活躍的空間系統(tǒng)勞拉公司，其總裁約翰·塞里也表示，該公司將在一年內(nèi)推出可供銷(xiāo)售的“高效能”全電推進(jìn)衛(wèi)星產(chǎn)品。

衛(wèi)星制造業(yè)的另一些行業(yè)領(lǐng)袖，諸如泰雷斯·阿萊尼亞公司總裁雷納德·塞茲奈克、洛馬公司商業(yè)航天系統(tǒng)部副總裁約瑟夫·里克爾斯表示，他們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)有興趣，但是要達(dá)到波音的售價(jià)是有難度的。

“我們當(dāng)然也有自己的電推系統(tǒng)，但不是你今天所看到的價(jià)錢(qián)?！?/p>

辛普森說(shuō)，702SP可以看做是一個(gè)“孵化器”，波音希望所有衛(wèi)星平臺(tái)都向這個(gè)方向發(fā)展。最終，這將是一個(gè)從美國(guó)空軍和保密衛(wèi)星計(jì)劃中獲得更多政府合同的機(jī)會(huì)。

美國(guó)航天在過(guò)去20年里一直存在問(wèn)題，主要是發(fā)射費(fèi)用高、衛(wèi)星出口管制嚴(yán)。但隨著“獵鷹”系列火箭的服役和全電推衛(wèi)星的出現(xiàn)，讓人們看到了美國(guó)在航天上的強(qiáng)大實(shí)力正在轉(zhuǎn)化為商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。其他國(guó)家的衛(wèi)星制造商們?nèi)绻挥^趕上，很可能又要被美國(guó)甩開(kāi)一代。挑戰(zhàn)是嚴(yán)峻的。