太空精酿:在轨卫星配有推进吗?

2017年10月08日 08:25 科普中国

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现在,对于几乎任何一颗卫星,推进系统都是必备的,因为它实在是太重要了。

为什么这么说?主要是以下三个方面的需求。

1. 航天任务(最终入轨+执行复杂的探索类太空任务)

可能会有人认为,卫星的发射、入轨全靠火箭。其实不然,“人生的路啊,要寄几走”这个道理,卫星也是很明白的呢。

即便今天的火箭发射技术已经日趋完善,但它也只能将卫星送入预订的轨道高度和轨道倾角上,剩下的都由卫星自我推进。

例如,前段时间备受关注的中星9A。即使它正常入轨,也是进入一个同步转移轨道,这是一个距离地球最近300-500千米,而最远可达36000千米的超大椭圆。卫星距离地面越远速度越慢,到了最高点时,卫星上的推进设备工作,工质的反推力与速度方向相同且呈一定夹角,将卫星速度加速到3.1千米每秒并改变速度方向,实现相对静止地“停”在赤道上空(此时轨道周期是24h)。

(中星9A原计划的同步转移轨道、实际转移轨道与最终的同步轨道对比图)

而对于探索外太空之类的复杂任务,推进系统的重要性基本排名第一。例如探月任务,火箭只能将其送出地球几百公里,但目标却是远在38万公里外的月球,这个过程就需要经历复杂的机动过程。我国在2010年国庆节发射的嫦娥二号,甚至在复杂的探月任务结束后,飞到了距地球150万公里的日地拉格朗日引力平衡点,又在700万公里外探访了一颗小行星,如今已经在1亿公里外了。

(嫦娥二号轨迹图,可以看出离开地球只是起点?新华社)

1977年美国发射的旅行者2号是人类历史上最高产的一个航天器,它在任务周期中探访了木星、土星、天王星和海王星这四个太阳系内全部的气态行星和它们的卫星体系,这个过程对轨道机动能力要求极高,可谓“失之毫厘,谬以千里”,如今它已经距离地球280亿公里,但还在保持与地球的通信。

2. 修正宇宙环境造成的轨道偏移

宇宙环境并不能简单模拟,因为影响因素实在太多。例如,对于一颗飞在地球附近几百公里的卫星而言,需要考虑的影响就包括:

地球非均匀的重力场(比如喜马拉雅山和太平洋的引力影响不同);

月球、太阳甚至木星的引力摄动,地球海洋、陆地和大气的潮汐;

太阳光和地球反射的太阳光对卫星造成的压力;

极其稀薄大气造成的阻力等等因素。

在这些因素影响下,卫星会逐渐偏离轨道,此时必须依靠本身推进能力修正。

(国际空间站入轨前两年轨道高度变化,大部分轨道提高都来自美国航天飞机和俄罗斯的空间站舱段? http://keywordsuggest.org/)

一个典型的例子是已经入轨近20年的国际空间站,它目前飞在距离地面400千米的轨道上。可以从图中看出,它的轨道高度深受近地环境影响,如果不加以推进修正,就会迅速降低。虽然每次货运飞船对接国际空间站后,都会在返回地球前使出绝大部分能量将国际空间站推高,但目前已经是一个420吨的庞然大物的它每年都需要自我修正好几十次,并消耗掉高达7吨燃料。

3.避免相撞危险

(笔者研究的Swarm卫星两年内经历了12次大的轨道机动,以防止两颗卫星彼此以及和太空垃圾相撞?European Space Agency)

目前,地球周围已经分布有数亿个太空垃圾,在每秒七千多米的速度下,任何一个都是对正常航天器极其危险的威胁。有的编队卫星也要预防可能发生的碰撞事故。因此,卫星携带推进系统也非常必要。

既然卫星的推进系统这么重要,那么都有哪些推进技术呢?

在卫星应用领域,人类已经有了很多种推进方案,但总结下来就是最基本的牛顿运动学定律:

推力能改变卫星的运动状态(第一定律),推力越大改变能力就越强(第二定律),推力与反推力是同时存在的(第三定律)。

因此,卫星推进的本质就是当一些工质被加速离开卫星时产生反推力,可以改变卫星的运动状态。这里有个术语叫“工质”,其实就是可以将热能和化学能等转换成机械能的“工作物质”,火箭燃料和燃烧后的燃气是航天里最典型的工质。汽车、轮船和飞机里的石油产品和燃气,也可以理解为一种工质。

目前推进技术基本以工质不同来分开,下面我们就来细数下彼此的异同。

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