亞太6E出故障了？外媒透露主發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法啟動(dòng)，還能正常入軌嗎？前不久我國(guó)用長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭發(fā)射了亞太6E衛(wèi)星，當(dāng)時(shí)就令世界航天界有些驚訝。這是由于亞太6E衛(wèi)星加上推進(jìn)平臺(tái)的總重量達(dá)到了4.3噸，它還是一顆在同步靜止軌道上運(yùn)行的高通量商業(yè)通信衛(wèi)星，軌道高度達(dá)到了36000公里。
這么一個(gè)又大又重，還要打到同步軌道的衛(wèi)星，使用的火箭卻是長(zhǎng)征二號(hào)丙中型火箭，起飛重量?jī)H213噸，平時(shí)只用來(lái)打低軌衛(wèi)星。而我國(guó)通常用來(lái)發(fā)射同步衛(wèi)星的火箭是長(zhǎng)征三號(hào)系列，例如長(zhǎng)征三號(hào)乙，起飛重量超過(guò)了420噸。亞太6E是用一個(gè)“小”火箭打了一顆遠(yuǎn)超其能力的大衛(wèi)星，怪不得讓很多人都感到意外。
問(wèn)題是這種“小馬拉大車(chē)”是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？奧秘就在于亞太6E是一顆全電推衛(wèi)星，而且直徑還比較大。亞太6E的衛(wèi)星部分的重量是2.09噸，理論上可以使用同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力為2.1噸的長(zhǎng)征三號(hào)甲來(lái)發(fā)射，但長(zhǎng)征三號(hào)甲的整流罩直徑僅為3.35米，裝不下衛(wèi)星。用更大型的長(zhǎng)征三號(hào)乙，又有些浪費(fèi)。
而長(zhǎng)征二號(hào)丙最新改型的整流罩達(dá)到了4.2米，正好可以裝下亞太6E。但長(zhǎng)二丙只能把衛(wèi)星打到近地點(diǎn)200公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)500公里、傾角28.5°的過(guò)渡軌道，接下來(lái)該怎么辦呢？原來(lái)亞太6E還帶了一個(gè)重達(dá)2.21噸的獨(dú)立推進(jìn)艙，配備了推力490N的主發(fā)動(dòng)機(jī)，可以使用化學(xué)推進(jìn)的方式，用幾天的時(shí)間將衛(wèi)星升軌到遠(yuǎn)地點(diǎn)1萬(wàn)多公里的中間軌道。這次外媒提到的故障，就是這個(gè)490N主發(fā)動(dòng)機(jī)。
而在到達(dá)中間軌道后，獨(dú)立推進(jìn)艙的使命也就完成了，會(huì)與衛(wèi)星分離。這時(shí)衛(wèi)星距離地球靜止軌道還差很遠(yuǎn)，之后才會(huì)顯示出亞太6E衛(wèi)星的絕活：它使用了東方紅三號(hào)E全電推平臺(tái)，裝備了兩套大功率電推發(fā)動(dòng)機(jī)，一個(gè)是霍爾，一個(gè)是離子。這兩臺(tái)電推裝置將在10個(gè)月的時(shí)間里，將衛(wèi)星軌道一點(diǎn)點(diǎn)兒的升高，直至到達(dá)36000公里高的同步靜止軌道。
為啥要花上10個(gè)月呢？主要是因?yàn)殡娡频耐屏ζ毡檩^小，推力一般都在毫牛量級(jí)，大的也只有幾個(gè)牛頓。例如我國(guó)空間站天和核心艙的HET-80霍爾發(fā)動(dòng)機(jī)，推力僅80毫牛。但電推雖然推力很小，卻有著一項(xiàng)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)：比沖高，也就是消耗相同質(zhì)量的燃料或工質(zhì)，得到的速度增量更高。
電推的比沖高到什么程度？離子電推能達(dá)到3000s左右，是液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的10倍左右，這就相當(dāng)夸張了。那么離子發(fā)動(dòng)機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)高比沖的呢？因?yàn)樗蚝髧姵鰜?lái)的不是燃?xì)?，而是離子。這些離子的速度非常高，能達(dá)到每秒20至50公里，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通火箭大約每秒5公里的噴氣速度。
在離子推進(jìn)器的設(shè)計(jì)中，使用電子槍發(fā)出電子，將工質(zhì)氣體電離。然后再放兩塊打了無(wú)數(shù)小孔像篩子一樣的正負(fù)柵板，兩塊柵板之間被加上了高電壓，形成了加速電場(chǎng)。這樣離子在穿過(guò)柵板時(shí)，就會(huì)被電場(chǎng)加速，并向后噴出產(chǎn)生推力。只要正負(fù)柵板之間的電壓夠高，離子就可以被加速到極高的速度。
在離子推進(jìn)器出現(xiàn)之后，為了克服柵板加工困難，以及空間電荷限流問(wèn)題，又出現(xiàn)了霍爾推進(jìn)器，最早的霍爾電推是蘇聯(lián)首先研制的?；魻栯娡评谩盎魻栃?yīng)”，采用環(huán)形噴口和放電室。陰極的電子槍在噴口外發(fā)射電子，電子沿軸向電場(chǎng)向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在徑向磁場(chǎng)作用下，因霍爾效應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，開(kāi)始環(huán)向旋轉(zhuǎn)。
這些電子與從陽(yáng)極附近噴出的氣體（氙氣、碘等）激烈碰撞，使氣體電離，電離后的離子在電場(chǎng)作用下向后加速噴出，產(chǎn)生推力。霍爾推進(jìn)器比離子推進(jìn)器的推力密度更高，但比沖會(huì)低一些，大約在1500s左右。
亞太6E全電推衛(wèi)星同時(shí)裝備了離子和霍爾電推，它們可以消耗比較少的燃料（工質(zhì)）進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的工作，雖然推力小，但在工作10個(gè)月之后還是可以把衛(wèi)星送上靜止軌道。而在入軌之后也并不是萬(wàn)事大吉，衛(wèi)星會(huì)受到各種引力攝動(dòng)的作用，并不會(huì)一直穩(wěn)定在靜止軌道上，所以還需要發(fā)動(dòng)機(jī)工作來(lái)進(jìn)行軌道維持。
這項(xiàng)工作并不需要很大的推力，正好適合電推發(fā)動(dòng)機(jī)。而且電推消耗的燃料又少，減少了衛(wèi)星攜帶的燃料重量，為其它設(shè)備讓出了空間，同時(shí)還提高了衛(wèi)星的壽命。亞太6E的壽命就達(dá)到了15年。
但現(xiàn)在亞太6E獨(dú)立推進(jìn)艙的490N主發(fā)動(dòng)機(jī)似乎出了問(wèn)題，據(jù)國(guó)外航天網(wǎng)站Seradata報(bào)道，先是增壓系統(tǒng)出現(xiàn)了一系列的閥門(mén)故障，而在這些故障被解決之后，似乎又出現(xiàn)了新的故障，導(dǎo)致主發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法點(diǎn)火。如果這是真的，亞太6E衛(wèi)星豈不是無(wú)法通過(guò)化學(xué)升軌前往中間軌道了嗎？
先不要著急，還是有辦法的！外媒也承認(rèn)，獨(dú)立推進(jìn)艙并不是只有1臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)可用，它還配備了推力為10N的RCS姿控發(fā)動(dòng)機(jī)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)同樣可以用來(lái)升軌，只是由于推力較小，升軌所需的時(shí)間要慢一些，從幾天延長(zhǎng)到了幾個(gè)星期。但是只要到了中間軌道，獨(dú)立推進(jìn)艙的使命就完成了，接下來(lái)衛(wèi)星就能靠自己的電推來(lái)前往同步軌道了。
事實(shí)上，使用姿控發(fā)動(dòng)機(jī)代替主發(fā)動(dòng)機(jī)，本來(lái)就在設(shè)計(jì)的考慮之內(nèi)。這樣做只是延長(zhǎng)了幾個(gè)星期的升軌時(shí)間，相對(duì)衛(wèi)星15年的設(shè)計(jì)壽命來(lái)說(shuō)，差別并不是很明顯。Seradata網(wǎng)站也承認(rèn)這一點(diǎn)，并認(rèn)為這種變化不會(huì)產(chǎn)生保險(xiǎn)賠償。據(jù)說(shuō)該衛(wèi)星的保險(xiǎn)金額高達(dá)1.5億美元。
其實(shí)亞太6E遭遇的狀況早有先例。俄羅斯2021年7月29日發(fā)射的“科學(xué)”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙，進(jìn)入太空后不久也遇到了主發(fā)動(dòng)機(jī)故障，甚至差點(diǎn)兒墜毀。但是通過(guò)RCS調(diào)姿發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)工作，最后也是一步一步地爬到了國(guó)際空間站的軌道高度，并與空間站對(duì)接成功。之后科學(xué)號(hào)的推進(jìn)器又意外啟動(dòng)，差點(diǎn)兒把國(guó)際空間站頂翻，最后靠調(diào)姿飛船才最終穩(wěn)定了狀態(tài)。
根據(jù)美國(guó)太空軍第18太空防衛(wèi)中隊(duì)（18SDS）的數(shù)據(jù)，亞太6E自1月13日發(fā)射以來(lái)，至1月17日一直處在穩(wěn)定的升軌過(guò)程中，近地點(diǎn)高度已超過(guò)700公里，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度已超過(guò)2300公里。這說(shuō)明10N的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮了作用，正在持續(xù)抬升衛(wèi)星的軌道，只是升軌速度略有些緩慢。
希望亞太6E能夠克服當(dāng)下的困難，順利入軌，實(shí)現(xiàn)中國(guó)航天新的突破。
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