太空拖車
——低軌星座在軌服務(wù)的創(chuàng)新需求

+Space Journal

創(chuàng)新需求

2019年10月8日，小衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)解決方案商SPACEFLIGHT總工程師菲利普·布拉肯（PhilipBracken）在參加2019衛(wèi)星創(chuàng)新會議時表示，當(dāng)前市場除了立方星外，人們越來越關(guān)注“更大的微小衛(wèi)星”，比如說150公斤上下的微小衛(wèi)星。在目標(biāo)軌道方面，LEO和GEO仍然很受歡迎，同時月球軌道也成為一個有趣的市場，“我們看到小型和大型運(yùn)載火箭都開始迎合這一需求”。他補(bǔ)充說，隨著NASA和世界各地的政府機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備月球任務(wù)，需求正在增長。

在這里補(bǔ)充解釋一下月球軌道需求。隨著各國在月球建設(shè)近月軌道空間站以及登月和建設(shè)永久基地的計劃，將會有大量的對月飛行器被發(fā)射，同時不僅僅是發(fā)射，還會衍生出一種新的需求，那就是近月的商業(yè)支持飛行器，比如說偵察登陸地點(diǎn)并提供通信。

言歸正傳，布拉肯還點(diǎn)出了一個創(chuàng)新需求推動的研究——將小型通信衛(wèi)星運(yùn)送到GEO軌道。小型運(yùn)載火箭設(shè)計上能夠?qū)?000公斤的載荷送到非常接近GEO軌道的位置，此后由軌道間移動飛行器完成最后一公里的運(yùn)輸，將小型通信衛(wèi)星送入GEO軌道。

軌道間移動飛行器能夠提供的Shuttle服務(wù)包括：

●軌道提升；

●低軌星座部署；

●SSO軌道平面調(diào)整；

●脫離軌道。

商業(yè)實(shí)踐

硅谷初創(chuàng)公司動量（Momentus）正在研制的軌道間移動飛行器采用水等離子體推進(jìn)，并在今年7月完成在軌試驗，工程師把在軌測試的結(jié)果與地面測試的結(jié)果進(jìn)行比較，以驗證公司的模型和分析。

2019年7月5日，16U的Momentus X1（El Camino Real）小衛(wèi)星搭乘俄羅斯聯(lián)盟號火箭與數(shù)十顆小型衛(wèi)星以及俄羅斯的Meteor M2-2氣象衛(wèi)星一起升空，開展第一次演示任務(wù)。實(shí)驗內(nèi)容包括：將其高性能X波段（10 GHz）微波電熱推進(jìn)器與足夠的水推進(jìn)劑一起飛行，并足夠長時間運(yùn)行推進(jìn)器，以充分表征其在空間中的性能，進(jìn)行數(shù)十次重新啟動，然后安全地離開飛行軌道。

動量公司CEO Mikhail Kokorich9月25日對媒體表示，在軌測試首次證明了微波電熱等離子體技術(shù)具有利用水推進(jìn)實(shí)現(xiàn)高比沖的潛力，水等離子體推進(jìn)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)足夠成熟，可以作為空間運(yùn)輸任務(wù)的基礎(chǔ)?！眲恿康哪繕?biāo)是將運(yùn)輸成本降低10倍。

動量公司的Momentus X1還有一個更重要的任務(wù)，就是展示推進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)客戶、投資者信心。

2019年7月17日，動量公司宣布A系列融資中籌集了2550萬美元。

此前，在2018年11月14日，動量公司獲得了830萬美元的種子資金，由PrimeMoversLab領(lǐng)投，Liquid 2 Ventures,One Way Ventures,Mountain Nazca and Y Combinator參加了投資。

2019年9月11日，小運(yùn)載創(chuàng)企相對論公司與動量公司簽署了一項發(fā)射服務(wù)協(xié)議，為動量公司提供在空間軌道間移動衛(wèi)星的發(fā)射服務(wù)。相對論將使用他們的3D打印Terran 1火箭在2021年前完成發(fā)射，此外還有五次發(fā)射的可選項。

動量公司的VIGORIDE軌道間移動飛行器，能夠移動最高250公斤的低軌衛(wèi)星，主要目標(biāo)是完成在軌實(shí)驗，2019年8月，動量公司與NanoRack簽署了合作協(xié)議，擬利用NanoRack新的Bishop 氣閘模塊從國際空間站釋放VIGORIDE。

Bishop氣閘模塊為將比Cubesat更大一些的衛(wèi)星從空間站釋放而設(shè)計，波音公司承擔(dān)Bishop的研發(fā)、生產(chǎn)和安裝，泰雷茲·阿萊尼亞公司負(fù)責(zé)研制生產(chǎn)氣閘壓力外殼、微流星體和空間碎片防護(hù)盾以及各種結(jié)構(gòu)部件，整個氣閘體積為日本Kibo氣閘的5倍，計劃2020年搭乘SpaceX的21號空間補(bǔ)給任務(wù)升空。

VIGORIDE是動量公司的演示任務(wù)，同時動量也希望通過VIGORIDE創(chuàng)造他們的第一筆收入。

Momentus X1

動量公司的水離子推進(jìn)系統(tǒng)

動量公司的第二顆VIGORIDE EXTENDED軌道間移動飛行器，預(yù)估造價480萬美元，計劃將200-400公斤的衛(wèi)星，從低軌移動到GEO軌道和月球軌道。筆者猜測，動量公司和相對論公司簽署的商業(yè)發(fā)射合同，就是為這顆飛行器提供發(fā)射的，那么我們可以初步判定，VIGORIDE EXTENDED計劃于2021年升空。

動量公司的ARDORIDE軌道間移動飛行器，可移動最高2000公斤的衛(wèi)星，服務(wù)軌道位置為高軌和月球軌道。

動量公司稱，他們將提供全球最便宜的“拖車”服務(wù)，將一個6U的立方星從低軌拖到高軌，只需要200萬美元。

技術(shù)可行性

動量公司的水推進(jìn)系統(tǒng)比沖能夠達(dá)到化學(xué)推進(jìn)劑的幾倍，而推進(jìn)劑的消耗只有化學(xué)推進(jìn)劑的幾分之一，采用的是微波加熱直接等離子化，稱為“等離子體推進(jìn)技術(shù)”

VIGORIDE

VIGORIDE EXTENDED

第二種方式是“電阻加熱推進(jìn)技術(shù)”。其本質(zhì)是化學(xué)推進(jìn)，采用微型氫氧發(fā)動機(jī)，水只是電解制氫和制氧的原料。

Tethers Unlimited 公司的HYDROS Propulsion System是這種技術(shù)的代表。該公司制造的2U HYDROS-C模塊用于立方星和微納衛(wèi)星，HYDROS-M模塊用于50-180公斤的微小衛(wèi)星。

日本東京大學(xué)制造了Aqua推進(jìn)器演示器（AQT-D cubesat），今年9月前往國際空間站日本艙段完成電阻加熱推進(jìn)系統(tǒng)的演示。

第三種方式是“氫電弧加熱推進(jìn)”（Arcjet），采水電解后的氣體用來做電推進(jìn)。

ARDORIDE

HYDROS-M

HYDROS-C

FEMTA

水推進(jìn)劑的創(chuàng)新應(yīng)用也比較多，在這里我們稍微列舉一下。

世界各地的大學(xué)也在開發(fā)新的基于水的推進(jìn)系統(tǒng)，美國宇航局在2018年批給普渡大學(xué)（Purdue University）資金，用于在2021年藍(lán)色起源公司的新謝爾潑德亞軌道火箭上發(fā)射一種微型水動力推進(jìn)器FEMTA。它將被放置在火箭外部以完成真空和微重力測試。FEMTA是一種在硅片上批量生產(chǎn)的微型推進(jìn)器，直徑為1厘米、厚度0.3毫米。它消耗的電力不足1瓦特，并提供推力，任務(wù)人員可以調(diào)整到幾十微米的水平，大約一根睫毛的重量，以便對小型衛(wèi)星或大型可展開結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的姿態(tài)控制。

后記

動量公司的這一方案引人入勝，輕松完成了融資。作者竊以為商業(yè)航天存在的最大價值在于創(chuàng)新，創(chuàng)新的技術(shù)、創(chuàng)新的產(chǎn)品、創(chuàng)新的商業(yè)服務(wù)模式。縱觀國外取得成功和階段性進(jìn)展的商業(yè)航天企業(yè)，都有其獨(dú)特性和創(chuàng)新點(diǎn)。

有億萬富翁老板或家里有礦的企業(yè)就玩點(diǎn)大的，甚至從一開始就將盈利日期放在將來，比如運(yùn)載企業(yè)藍(lán)色起源和OneWeb。家里沒礦的企業(yè)就搞點(diǎn)低成本的。但是無一例外，他們都有著創(chuàng)新點(diǎn)，比如小運(yùn)載企業(yè)相對論、火箭實(shí)驗室都在做3D打印的創(chuàng)新，微小衛(wèi)星星座創(chuàng)企SpaceBEE在將衛(wèi)星極致化的縮小。

如動量這種硅谷創(chuàng)企更是將眼光放在了在軌服務(wù)市場上，他們的創(chuàng)想使在軌服務(wù)市場更加豐富，不管他們將來成為先驅(qū)還是先烈，都值得致敬。SATNET