亞太6E開始電推升軌,10個月後升至36000公里,外媒說法不攻自破

人馬座a 發佈 2023-01-28T02:37:37.611036+00:00

亞太6E是1月13日發射的,幾天後外媒就傳出了消息,衛星數據網站seradata聲稱:亞太6E獨立推進艙的490N主發動機因故障無法啟動,被迫採用只有10N推力的姿控發動機升軌,升至中間軌道的時間由數天延長到幾個星期,該消息一下子讓不少航天愛好者繃緊了神經。

亞太6E成功與獨立推進艙分離,正式開始電推升軌!將用10個月的時間,使用霍爾/離子電推發動機,升至距地面36000公里高的地球同步靜止軌道。這個消息讓多日來關心亞太6E命運的網友長出了一口氣,因為中間出了一段小插曲,一度讓人擔心起這個重量級衛星的命運。

亞太6E是1月13日發射的,幾天後外媒就傳出了消息,衛星數據網站seradata聲稱:亞太6E獨立推進艙的490N主發動機因故障無法啟動,被迫採用只有10N推力的姿控發動機升軌,升至中間軌道的時間由數天延長到幾個星期,該消息一下子讓不少航天愛好者繃緊了神經。

這顆衛星如此受人關注是有原因的,它的確很獨特。亞太6E是一顆國際商業高通量通信衛星,由航天科技集團下屬的中國長城工業集團有限公司在軌交付,運營方則是香港亞太星聯衛星有限公司。它是少見的國產全電推衛星,加上獨立推進艙後重達4.3噸,由長征二號丙火箭發射升空。

如果您了解地球同步靜止軌道和長征二號丙火箭的話,就會對這樣的組合略感詫異。長征二號丙是一款二級火箭,主要用來打近地軌道和太陽同步(SSO)軌道的衛星,發射4.3噸的亞太6E,而且是要到36000公里高軌的同步通信衛星,按常理是力所不能及的。

但事實上長二丙確實就承擔了這個任務。我國發射這種高軌道的同步衛星,常用的是長征三號系列,例如常勝老將長征三號乙,同步轉移軌道(GTO)的運力達到了5.5噸,而去掉兩個助推器的長征三號丙,GTO能打3.8噸。亞太6E的衛星本身重量是2.09噸,用這倆火箭就浪費了,性價比不高。

那還有一個GTO能打2.6噸的長征三號甲,看起來比較合適。然而長三甲的整流罩直徑只有3.35米,亞太6E的直徑過大,裝不下,這就尷尬了。合適的火箭塞不下,塞得下的火箭又費錢,怎麼辦?亞太6E想到了一個獨闢蹊徑的辦法:加上了一個2.21噸的獨立推進艙,然後用整流罩直徑達4.2米的長征二號丙發射。

但長二丙只能將它打到近地點200公里、遠地點500公里、傾角28.5°的過渡軌道,接下來將啟動獨立推進艙上的490N主發動機,這是一種化學發動機,將衛星推高到遠地點1萬多公里的中間軌道。外媒聲稱出故障的,就是這個490N主發動機。

之後獨立推進艙將與衛星分離,由衛星上的電推花10個月的時間升軌,一直到達36000公里高的同步靜止軌道。

這種辦法收到了很多明顯的好處:一般的同步衛星是由火箭先送到近地點僅有200公里、遠地點接近36000公里的同步轉移軌道,然後再靠自身動力向上爬,如果使用化學火箭發動機,需要攜帶大量燃料,增加了衛星重量,或者說減少了衛星用於維持靜止軌道的燃料,降低了壽命。

但亞太6E到達比較高的中間軌道靠的是獨立推進艙,衛星本身的重量得以減輕,可以專注於通信等主要業務,提高了利用率。而在到達中間軌道後,再向上升軌則用的是先進的霍爾/離子電推發動機。

亞太6E使用了東方紅三號E全電推平台,裝備了霍爾/離子兩套大功率電推發動機。它們將在10個月的時間裡,將衛星軌道一點點兒的升高,直至到達36000公里高的同步靜止軌道。要花10個月是因為電推的推力普遍較小,推力一般都在毫牛量級,最大的也只有5.4牛(美國的X3)。

例如我國空間站核心艙使用的四台霍爾電推,推力僅80毫牛。不過電推推力雖小,比沖卻非常高,離子發動機能達到3000s,是液氧煤油發動機的10倍左右,獲得相同的速度增量,消耗的燃料或工質質量只有液氧煤油發動機的十分之一。

離子發動為什麼能有這麼高的比沖?因為它向後噴出來的不是常規的氣體,而是速度極高的離子,能達到每秒20至50公里,而普通火箭的噴氣速度只有大約每秒5公里,差距特別大,所以獲得的比沖就特別高。

離子推進器的設計看上去挺「簡單」,例如靜電式離子電推,電子槍發出電子將工質氣體電離,然後放兩塊像篩子一樣有許多小孔的正負柵板。這兩塊柵板之間被加上了高電壓,形成了電場。

離子在穿過正負柵板時,會被電場加速,從而向後噴出並產生推力(噴出去之後還要用電子來中和)。只要柵板之間的電壓足夠高,加速電場足夠強,離子就可以被加速到很高的速度。離子發動機最早由美國NASA發明,目前已經在衛星平台上廣泛應用。

但離子發動機也有缺點,那就是正負柵板對材料的要求很高,加工困難,另外因空間電荷限流問題導致推力密度難以提高。於是蘇聯人最先造出了霍爾推進器,它也屬於離子電推的一種,但採用環形噴口和放電室。陰極電子槍在噴口外發射電子,電子沿軸向電場向陽極運動,同時在徑向磁場作用下,因霍爾效應而產生感應電壓,開始環向旋轉。

這些電子與從陽極附近噴出的工質氣體(氙氣、碘等)發生碰撞,將氣體電離後,產生的離子在電場作用下向後加速噴出,產生推力。霍爾電推比離子推進器的推力密度更高,但比沖相對低一些,大約在1500s左右,也比化學火箭要高得多。

亞太6E裝備了兩套電推,分別是霍爾和離子,雖然推力不大,但是消耗的工質少,又可以長時間工作。用10個月的時間足以把衛星送上靜止軌道。而亞太6E的在軌壽命高達15年,10個月的升軌時間也是可以接受的。更重要的是這樣不需要使用更高級的火箭,省下了大量的真金白銀。

而在衛星入軌之後,還會受到各種引力攝動的作用,並不會一直穩定在靜止軌道上,需要發動機工作來進行軌道維持。這並不用很大的推力,但是消耗的燃料當然越少越好,正是電推發動機的強項。全電推平台減少了衛星攜帶的燃料重量,同時還提高了衛星的壽命。

現在大家對亞太6E的特點應該比較了解了。之前seradata網站說的主發動機故障,指的是獨立推進艙的490N化學發動機,而不是衛星上的電推發動機。該網站聲稱增壓系統出現了一系列的閥門故障,而在這些故障被解決之後,似乎又出現了新的故障,導致主發動機無法點火。

但主發動機不工作也有辦法升軌,那就是使用10N的姿控發動機,由於推力小,所以升軌時間由數天延長到了幾個星期,但與15年的壽命相比也能接受。外媒作出這番推測,很可能是看到了美國太空軍18SDS公布的亞太6E軌道高度數據,至1月13日至1月17日,衛星一直在升軌,近地點高度已超過700公里,遠地點高度已超過2300公里。

這個升軌速度看上去並不快,要想升至遠地點超過1萬公里的中間軌道,顯然無法在「發射後幾天」之內做到,於是便猜測主發動機出了故障,被迫改用推力較小的姿控發動機。不過現在的事實卻狠狠地打了外媒的臉。

1月23日21時31分,西安衛星測控中心傳出了好消息:亞太6E的衛星與獨立推進艙分離成功!在發射成功後的第10天,亞太6E這顆國產全電推進同步軌道通信衛星,正式開啟為期10個月的電推變軌旅程。

這充分說明外媒的消息不準確。要麼是獨立推進艙的主發動機並沒有故障,一直在正常工作,要麼就是最初的啟動可能有些不順利,但後來故障被排除,又開始了正常工作。否則單 靠10N的姿控發動機,肯定無法在10天內完成到中間軌道的升軌。

現在一切都已走上了正軌,希望亞太6E在10個月的征程中能夠穩定發揮,順利入軌靜止軌道,實現東方紅3號E平台的開門紅!

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