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谁来给卫星星座提供动力？

晰数塔互联网快讯
2024-01-31 11:15

近年来，低轨小卫星星座在“星链”（Starlink）、“一网”（Oneweb）等卫星互联网的带领下蓬勃发展。微小卫星由于自身质量、体积、功率有限，其广泛应用对空间动力提出了更高的要求，推力小、比冲高、质量轻、体积小的空间动力装置更能匹配微小卫星的动力需求。

相较于传统的化学推进，电推进比冲高，相同的速度增量要求下所需推进剂质量更少，其中小功率霍尔电推进结构简单、体积和质量更小，可为系统增加载荷或节省推进剂，目前大量应用于微小卫星的位置保持、阻力补偿及离轨任务。如太空探索技术公司（SpaceX）、一网公司等商业航天公司都选用了低功率霍尔推力器作为卫星星座的空间动力。随着卫星星座市场规模的扩大和技术的进步，小功率霍尔电推进技术必须快速迭代、不断升级。

一、卫星星座对电推进的需求

相较于单颗大型卫星，卫星组网有以下特点：（1）全球覆盖范围较为全面，且巡航频率大大提高。（2）灵活机动，多颗卫星可根据实际任务需求灵活部署，单颗卫星的损坏不至于使得整个系统瘫痪。（3）技术快速更新和迭代，小卫星星座使用需要不断维护，卫星制造数量和发射次数上升，技术更迭的速度提高。（4）拥有许多卫星和可实现快速重访的星座，为军事用户在战术层面使用卫星创造了新机会。

卫星星座一般以一箭多星形式发射，要求各个卫星分布在不同轨道面的不同位置上，因此发射之后卫星推进任务包括以下阶段：（1）轨道转移。一箭多星发射后各个卫星需要进行轨道转移到达预定的轨道位置，推进系统作为主推进帮助其完成轨道转移。（2）位置保持。卫星到达预定轨道之后需要通过推进系统产生推力对抗地球引力，对于低轨卫星而言，轨道维持的需求更大。（3）轨位调整。卫星进入预定轨道需要按照计划的相位展开。（4）离轨。卫星寿命到期后需要推进系统提供动力使其离开任务轨道到达“卫星坟场”或者进入大气层烧毁。

如今卫星成批发射，多为低轨星座，电推进系统满足星座卫星需求，其具备以下特点：

（1）体积小，质量轻。为了能够一次发射尽可能多的卫星，降低单星的发射成本，单颗卫星的质量和体积不能过大，因此其适用的推进系统需要满足质量轻、体积小的特点。

（2）比冲高。在航天器速度增量一致的情况下，比冲越高则卫星携带的推进剂质量越小，因此高比冲的推进系统更能满足星座卫星的需求，电推进系统的比冲在数千秒，化学推进的比冲在数百秒，因此使用电推进所需携带的推进剂质量将大幅小于使用化学推进携带的推进剂质量。

（3）成本低。卫星星座组网数量巨大，以星座形式协同工作，因此在卫星的造价、发射和使用过程中都需要尽量降低成本，推进系统的成本也需要降低，从降成本角度考虑需应用低价推进剂，如氪气、氩气等成为星座卫星的需求之一。

（4）标准化。星座卫星的大批量应用必然伴随卫星及其组件的批量化生产，需要提升生产效率，对推进系统接口进行统一及标准化有利于在推进系统或者卫星更新换代时最大程度地减少报废，保证进度。

（5）预包装。电推进系统可以提前加注，不需要发射场现场加注，适合大批量卫星发射的特点。

二、卫星星座使用电推进情况

（一）早期卫星星座

从20世纪70年代开始，卫星星座逐渐发展，早期建设的卫星星座组网卫星数量少，功能单一，多数采用化学推进系统。从星座功能上可以分为导航卫星星座、通信卫星星座和遥感卫星星座。

导航卫星星座以“北斗”、GPS、GLONASS为代表，通信卫星星座以“铱”（Iridium）星、“全球星”（Globalstar）、“轨道通信”（Orbcomm）、“泰利迪斯”（Teledesic）系统为代表，遥感卫星星座以“鸽群”（Flock）、“卡佩拉”（Capella）、“天基广域监视系统”（SB-WASS）为代表。“铱”星推进系统应用了MR-501B电阻式加热电推进系统，“鸽群”星座少数卫星采用了场发射电推进。

（二）近期卫星星座

近年来，以SpaceX公司建设的互联网星座“星链”为代表，组网数量巨大的卫星星座开始计划和建设。由于“星链”采用了氪工质放电的霍尔电推进，引领了新一批卫星星座电推进的应用热潮。

“星链”卫星星座计划发射4.2万颗卫星，截至2023年10月13日已经发射了5275颗卫星，具体型号为：2颗Microsat、60颗“星链”V0.9、1675颗“星链”V1.0、2977颗“星链”V1.5、561颗“星链”V2.0 mini。“星链”V0.9、V1.0、V1.5卫星为一代卫星，单星质量290kg，使用氪工质的霍尔电推进系统；“星链”V2.0 mini卫星比一代卫星质量更大，一批可以发射22颗，单星质量约750kg，轨道高度约550km，采用了氩工质的霍尔电推进系统。根据SpaceX网络公布的数据，氩工质推力器功率4.2kW、质量2.1kg、推力170mN、比冲2500s。

“一网”星座由英国一网公司建造，共规划6372颗，第一阶段648颗，截至2023年6月已经发射635颗，投入使用588颗。“一网”卫星采用Arrowbus卫星平台（见图1），单星质量147kg，采用了300W的SPT-50M霍尔电推进系统，使用氙气放电；由于俄乌冲突，改为采用美国Busek公司的BHT-350霍尔电推进系统，该系统兼容氙气和氪气，但具体工质未知。

图1 Arrowbus卫星平台

亚马逊公司申请建设组网的“柯伊伯”（Kuiper）卫星星座计划发射3236颗卫星，2023年10月7日，发射了2颗试验卫星“柯伊伯卫星”1（kuipersat-1）和kuipersat-2，根据官方公布的视频，“柯伊伯”卫星星座将使用氪气工质的霍尔电推进系统。

美国国防高级研究计划局（DARPA）的“黑杰克”计划规划发射90颗低轨卫星，2020年发射了1颗试验卫星，2021年发射了2颗试验卫星，2023年6月12日发射了4颗卫星，“黑杰克”卫星采用蓝色峡谷公司的“土星级”商用卫星平台，单星质量为200kg，使用了EXOTERRA公司的Halo霍尔电推进系统（见图2），该推进系统能够兼容氙气和氪气，采用磁屏蔽延寿技术。

图2 Halo霍尔推力器

我国“星网”计划整合了此前的“虹云”工程、“鸿雁”工程、“行云”工程，规划发射12992颗卫星，截至2023年8月还未发射正式组网卫星，单星质量为300~1000kg。第一批计划发射60颗卫星，预计采用功率约800W的霍尔电推进系统和300W的霍尔电推进系统，采用氙气放电。

银河航天（北京）科技有限公司组建的“银河”卫星星座计划于2025年前发射1000颗卫星，截至2023年9月，已经发射了6颗卫星，单星质量为227kg，使用了215W的氙气霍尔电推进系统。

长沙天仪空间科技研究院有限公司计划组建“天仙”合成孔径雷达（SAR）星座，组网数量96颗，截至2023年9月，发射了一颗试验星“海丝”一号和“巢湖”一号，分别使用了Thrustme公司NPT30-12碘电推进系统和12~65W的电阻式电推进系统。

长光卫星技术股份有限公司建设和运营的“吉林”一号卫星星座是我国的商业光学遥感卫星星座，“吉林”一号卫星星座预计在2023年底实现138颗卫星在轨，具备全球任意点10min的重访能力；2025年底实现300颗卫星在轨，具备全球天覆盖的能力。截至2023年6月共发射136颗卫星，在轨组网卫星108颗。据报道，“吉林”一号高分06A星采用了电推进技术。

成都国星宇航科技股份有限公司的“星时代”AI星座是我国首个人工智能星座。该星座将由192颗卫星组成，截至2023年8月已经发射14颗卫星（包含发射失败的2颗）。2023年7月22日，“星时代”16（又名“泰安”）使用了遨天科技（北京）有限公司的真空弧电推进系统。

北京零重空间技术有限公司组建的“灵鹊”星座计划由包括“灵鹊”一号、“灵鹊”二号、“灵鹊”三号在内的160多颗卫星进行混合组网。2019年，该星座首颗卫星“灵鹊”一号A发射，这颗卫星使用了国防科技大学的固体烧蚀型脉冲等离子体推力器。

北京未来导航科技有限公司的“微厘空间”卫星导航增强系统，是由160颗卫星及地面系统构成的天地一体化星座系统，卫星主要分布于低轨或太阳同步轨道（SSO），截至2022年11月已发射6颗卫星（包含发射失败的1颗）。据报道，“微厘空间”S3试验星使用了苏州纳飞卫星动力科技有限公司的碘离子电推进系统，“微厘空间”S5星使用了兰州空间技术物理研究所的LHT-40 300W级霍尔电推进系统。

（三）卫星星座应用电推进分析

早期建设的卫星星座组网数量少，推进系统使用化学推进，或卫星是无推进的微小卫星。近期互联网星座出现了组网规模巨大的特点。

近年来，国外卫星星座建设以美国、欧洲为主，大多为低轨卫星，采用电推进系统的卫星星座组网数量1000颗以上的有“星链”“一网”“柯伊伯”，星座规模在3236~42000颗，其余星座数量规模为个位数。我国卫星星座建设以“星网”和“银河”卫星为代表，组网卫星数量分别为12992颗、1000颗，其余星座规划数量38~300颗。从采用电推进的卫星星座规模来看，国外最大星座规模远大于我国，我国数百颗规模的星座则多于国外。星座卫星质量方面，国外采用电推进的卫星星座质量基本上分布在147~6168kg，我国采用电推进的卫星质量为20~1000kg，国外采用电推进的卫星质量普遍大于我国，如图3所示。

图3 国内外卫星星座质量对比

采用电推进的星座建设进度方面，“星链”“一网”已经开展多次批量发射，处于星座建设的第一阶段；我国星座建设进度大多还处于初期起步阶段，“吉林”一号建设进度实现1/3（未大批量使用电推进），“银河”完成6颗小蜘蛛网星座建设，“天启”星座完成第一阶段建设（15颗）。

我国卫星星座的电推进系统功率分布在12~700W之间，推力为0.3~40mN，比冲为200~2000s；国外卫星星座使用的电推进系统功率分布在40~4500W之间，推力0.35~294mN，比冲1244~3500s，电推进系统功率的分布规律与星座卫星的质量分布一致，如图4所示。从“星链”V2.0 mini采用了4.2kW霍尔电推进角度来看，星座采用电推进功率有增大的趋势。

另外，在电推进种类上，我国星座卫星采用了霍尔电推进、电阻式电推进、电弧电推进、脉冲等离子体电推进、碘离子电推进；国外星座卫星主要采用了霍尔电推进、场发射电推进和脉冲等离子体电推进。在推进工质上，霍尔电推进方面，国外采用氙气、氪气、氩气放电，其他电推进工质有肼、铟等；我国目前采用氙气，其他电推进工质有氨、碘。国内外电推进卫星星座情况汇总见表1。

图4 国内外卫星星座电推进系统功率对比

表1 电推进卫星星座情况汇总（不完全统计）

三、未来发展与思考

近年来，随着互联网和各种高新技术的迅猛发展，卫星星座形式在各类卫星中得到广泛应用。相较于早期的卫星星座，目前卫星互联网展现出通、导、遥一体化的特点，例如，“星链”的规划以通信卫星星座的形式建设，但实际上其在军事领域也作为遥感卫星使用，星座卫星将向多功能化趋势发展。卫星星座的建设本质上是轨道资源的抢夺，星座资源申请批准后，可以在后续建设过程中根据实际需求发射不同功能、不断创新的卫星，因此在低轨资源分配完成之后，势必开展高轨道资源的抢占，星座卫星可能向着体积和质量更大发展。

低功率的霍尔电推进凭借其结构简单、可靠性高、比冲适中等优点率先在低轨卫星星座中广泛使用。而氪气相对传统电推进工质氙气更为廉价，电离能略高于氙，在星座卫星推进剂中成为了氙气的合适替代品。综合以上情况，卫星星座应用电推进的发展有以下趋势。

（1）大功率电推进。从“星链”V2.0 mini卫星使用了4.2kW霍尔电推进来看，星座卫星对高比冲节省推进剂的需求依旧存在，但是小功率霍尔电推进的比冲是有限的，在低轨轨道资源被抢占完毕之后，中高轨道资源更加宝贵，因此无论是从比冲或是轨道资源角度，更大功率的电推进在卫星星座的应用是发展的趋势之一。目前统计到的星座卫星电推进形式有霍尔电推进、脉冲等离子体电推进、场发射电推进、碘离子电推进、电阻式电推进、电弧电推进，其中霍尔电推进在中大功率方向上仍有更大的潜力，因此中大功率霍尔电推进或许是星座卫星未来的推进选择。

（2）低成本工质放电。为了降低单发推进系统的成本，低成本工质（如氪气、氩气）在卫星星座应用霍尔电推进过程中得到了快速的发展，如“星链”“柯伊伯”使用了氪气霍尔电推进，“一网”“黑杰克”计划使用的霍尔电推进兼容氙气与氪气。氪气、氩气与氙气相比虽然更加便宜，例如，2023年9月每立方氪气单价是氙气的1.2%，每立方氩气单价为氙气的0.025%，但是氙气、氪气、氩气的电离能逐渐升高，第一电离能分别为15.76eV、13.99eV、12.13eV。因此，针对氪气、氩气放电需要开展研究并进行适应性更改，低成本工质放电技术是卫星星座推进系统未来的研究热点之一。

（3）高压贮供模块。在采用氪气、氩气等工质后，电推进系统中的贮供需要适应性创新，例如，氩气的相对原子质量为39.948，氙气的相对原子质量为131.29，前者只有后者的1/3左右，在与氙工质同样的放电功率下需要供应的氩气体积流量更大，因此对于氩霍尔电推进，高压气瓶和压力调节模块研制也是不小的挑战。

（4）高压抗冲击电源。大功率电推进的发展离不开更高的放电电压和更大的放电电流，大功率电推进系统势必存在更大的冲击扰动，因此安全可靠的高压电源作为一项关键技术需要攻克，其能够有效隔绝电推进高压大电流放电给卫星带来的影响。

（5）模块化设计。电推进大批量应用提高了产品成熟度，为了进一步加快生产效率，降低研制成本，可以对电推进系统进行模块化设计以快速匹配不同的卫星平台。

本文来自微信公众号：中国航天（ID：zght-caecc），作者：徐亚男、薛森文（上海空间推进研究所、上海空间发动机工程技术研究中心）