既然有火箭為什么衛星還要自帶推進系統？

出品：科普中國

制作：太空精釀

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

2017年6月19日，我國首顆國產廣播電視直播衛星中星9A在西昌衛星發射中心由長征三號乙運載火箭發射升空。然而由于火箭第三級滑行段姿控發動機滾動控制的推力器出現異常，衛星并沒進入預定軌道，遠地點比預計中低了近20000公里。

（中星9A原計劃的同步轉移軌道、實際轉移軌道與最終的同步軌道對比圖）

但這顆衛星并未就此宣告任務失敗。

在隨后的20天內，地面控制中心人員經過10次軌道調整，讓這顆衛星逐漸“爬”到了目標軌道：位于東經101.4度赤道上空35786千米的點上。

在這里，可以實現與地球自轉完全相同的軌道周期，相當于相對地面同步/靜止。這樣即可實現衛星預計的電視直播的任務。

不少媒體在報道這次衛星自救事件時甚至用起了“星堅強”這樣的詞匯。事實上，國內外火箭入軌錯誤的事故屢見不鮮，每年都有3-5起。但只要不是嚴重的火箭入軌錯誤，大都有彌補錯誤的空間，這個空間就是靠衛星本身的推進系統完成，但一般會付出巨大的壽命代價。中星9A就可能因為此事失去3-5年壽命（原計劃12-15年）。

說到這兒，很多人可能會有疑問，既然有火箭了，為什么衛星還要自帶推進系統呢？事實上，這是十分必要而且重要的。下面我們詳細說一下。

1.衛星帶有推進能力的必要性

可能會有人認為，衛星的發射、入軌全靠火箭。其實不然，“人生的路啊，要寄幾走”這個道理，衛星也是很明白的呢。

目前，對于幾乎任何一顆衛星，推進系統都是必備的，因為它實在是太重要了。

航天任務的需求

即便今天的火箭發射技術已經日趨完善，但它也只能將衛星送入預訂的軌道高度和軌道傾角上，剩下的都由衛星自我推進。

例如，即便中星9A正常入軌，也是進入一個同步轉移軌道，這是一個距離地球最近300-500千米，而最遠可達36000千米的超大橢圓。衛星距離地面越遠速度越慢，到了最高點時，衛星上的推進設備工作，由此而來的推力與速度方向相反且呈一定夾角，將衛星速度減速到3.1千米每秒并改變速度方向，實現相對靜止地“停”在赤道上空（此時軌道周期）。

而對于探索外太空之類的復雜任務，推進系統的重要性基本排名第一。例如探月任務，火箭只能將其送出地球幾百公里，但目標卻是遠在38萬公里外的月球，這個過程就需要經歷復雜的機動過程。

我國在2010年國慶節發射的嫦娥二號，甚至在復雜的探月任務結束后，飛到了距地球150萬公里的日地拉格朗日引力平衡點，又在700萬公里外探訪了一顆小行星，如今已經在1億公里外了。

（嫦娥二號軌跡圖，可以看出離開地球只是起點?新華社）

1977年美國發射的旅行者2號是人類歷史上最高產的一個航天器，它在任務周期中探訪了木星、土星、天王星和海王星這四個太陽系內全部的氣態行星和它們的衛星體系，這個過程對軌道機動能力要求極高，可謂“失之毫厘，謬以千里”，如今它已經距離地球280億公里，但還在保持與地球的通信。

修正宇宙環境造成的軌道偏移

宇宙環境并不能簡單模擬，因為影響因素實在太多。

例如，對于一顆飛在地球附近幾百公里的衛星而言，需要考慮的影響就包括：地球非均勻的重力場（比如喜馬拉雅山和太平洋的引力影響不同），月球、太陽甚至木星的引力攝動，地球海洋、陸地和大氣的潮汐，太陽光和地球反射的太陽光對衛星造成的壓力，極其稀薄大氣造成的阻力等等因素。

在這些因素影響下，衛星會逐漸偏離軌道，此時必須依靠本身推進能力修正。

（國際空間站入軌前兩年軌道高度變化，大部分軌道提高都來自美國航天飛機和俄羅斯的空間站艙段?http://keywordsuggest.org/）

一個典型的例子是已經入軌近20年的國際空間站，它目前飛在距離地面400千米的軌道上。可以從圖中看出，它的軌道高度深受近地環境影響，如果不加以推進修正，就會迅速降低。雖然每次貨運飛船對接國際空間站后，都會在返回地球前使出絕大部分能量將國際空間站推高，但目前已經是一個420噸的龐然大物的它每年都需要自我修正好幾十次，并消耗掉高達7噸燃料。

避免相撞危險

（筆者研究的Swarm衛星兩年內經歷了12次大的軌道機動，以防止兩顆衛星彼此以及和太空垃圾相撞?European Space Agency）

目前，地球周圍已經分布有數億個太空垃圾，在每秒七千多米的速度下，任何一個都是對正常航天器極其危險的威脅。有的編隊衛星也要預防可能發生的碰撞事故。因此，衛星攜帶推進系統也非常必要。

2.衛星推進技術都有哪些

在衛星應用領域，人類已經有了很多種推進方案，但總結下來就是最基本的牛頓運動學定律：

推力能改變衛星的運動狀態（第一定律），

推力越大改變能力就越強（第二定律），

推力與反推力是同時存在的（第三定律）。

因此，衛星推進的本質就是當一些工質被加速離開衛星時產生反推力，可以改變衛星的運動狀態。

這里有個術語叫“工質”，其實就是可以將熱能和化學能等轉換成機械能的“工作物質”，火箭燃料和燃燒后的燃氣是航天里最典型的工質。汽車、輪船和飛機里的石油產品和燃氣，也可以理解為一種工質。

目前推進技術基本以工質不同來分開，下面我們就來細數下彼此的異同。

化學燃燒推進

這是最常見也被人類最為掌握的技術，通過氧化劑和還原劑燃燒釋放大量熱量，燃燒的產物高速離開發動機，產生反推力。由于這個燃燒過程比較劇烈，且需要很重的發動機存在，一般不適合小型衛星而適用于大型航天器。生活中汽車通過燃燒汽油來驅動，就是利用了化學燃料。

所用工質：化學燃料燃燒后的產物

應用：航天飛機的軌道轉移系統，國際空間站推進系統，天宮二號推進系統

物理變化推進

這個過程中不會發生化學反應，通過工質的物理變化，例如液態變成氣態的過程，加速離開衛星產生反推力。它的好處在于不需要發動機燃燒室，質量和體積都很小，可以提供較小且容易控制的推力。這種技術適用于任何一個衛星，也是目前應用最廣的衛星推進方式。而且它不僅可以用來改變軌道，還可以通過小型推力裝置控制姿態。生活中，水燒開后蒸汽將水壺蓋頂起，利用的就是水的物理變化。

所用工質：高壓液態氣體，常態液體

應用：幾乎所有衛星

例如2006年發射的新視野號（New Horizons）就攜帶了幾十公斤液氦進行軌道和姿態控制。利用微小噴管的精細控制，新視野號的軌道機動精度極高，最后成功抵達冥王星這一距離我們最為遙遠的矮行星（很不幸冥王星已經被從太陽系九大行星中除名）。

其中幾個最典型的操作為：

a.2006年3月9日， 76秒內速度變化1.16m/s；

b.2007年9月25日，937秒內速度變化2.37m/s；

c.2010年6月30日，35.6秒內速度變化0.44m/s；

要知道新視野號的速度在15000-45000 m/s的區間，如此小的速度變化是其他推進系統無法實現的。

電推進

電推進就是將工質電離后送入磁場，在磁場作用下離子以極高速度離開衛星，從而產生反推力。由于電離效率很高且工質離開的速度輕易達到幾萬米每秒，遠遠超過化學燃料工質最高幾千米每秒的速度，電推進也是目前效率最高的推進方式，消耗工質少而推進效果好。

所用工質：可被電離粒子（例如氙）

應用：新一代各國衛星