【文/觀察者網(wǎng)專(zhuān)欄作者 王宇波】

本周三，我國(guó)航天工作者們又把一顆衛(wèi)星順利的送上了天，那就是實(shí)踐十三號(hào)通信衛(wèi)星。不過(guò)它還有另外一個(gè)名字，那就是中星16號(hào)。實(shí)踐十三號(hào)是我國(guó)首顆高通量通信衛(wèi)星，首次應(yīng)用Ka頻段多波束寬帶通信系統(tǒng)。在完成試驗(yàn)驗(yàn)證以后，衛(wèi)星將納入“中星”系列，命名為“中星16號(hào)”。

實(shí)踐十三號(hào)衛(wèi)星工程由國(guó)防科工局組織實(shí)施。衛(wèi)星、運(yùn)載火箭分別由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司中國(guó)空間技術(shù)研究院、中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研制，地面測(cè)控系統(tǒng)由西安衛(wèi)星測(cè)控中心負(fù)責(zé)，運(yùn)控和試驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)由中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)有限公司負(fù)責(zé)。

中國(guó)衛(wèi)通運(yùn)營(yíng)并管理著十多顆在軌通信衛(wèi)星，而中星十六號(hào)將成為其首顆具備ka頻段通信能力的通信衛(wèi)星

對(duì)于中國(guó)航天來(lái)說(shuō)，實(shí)踐十三號(hào)確實(shí)創(chuàng)下了多個(gè)第一，亮點(diǎn)頗多，那么這些亮點(diǎn)都有些什么特別之處呢？

首先來(lái)說(shuō)說(shuō)電推

所謂衛(wèi)星電推，其實(shí)應(yīng)該叫離子推進(jìn)器。其原理是先將氣體電離，然后用電場(chǎng)力將帶電的離子加速后噴出，以其反作用力推動(dòng)航天器。由于帶電離子在推進(jìn)器中會(huì)被加到10~18千米/秒的超高速度，因而工質(zhì)的使用效率非常高，帶來(lái)的直接好處就是高達(dá)3000秒比沖。

離子推進(jìn)器

2015年，SpaceX的就一次發(fā)射了兩枚全電推進(jìn)的通信衛(wèi)星，其中一顆是中國(guó)香港亞洲通信公司的ABS-3A，一顆是歐洲的Eutelsat 115 West B。這兩顆衛(wèi)星都是基于波音BSS-702SP平臺(tái)，安裝了四臺(tái)XIPS-25離子推進(jìn)器，比沖達(dá)3500秒，推力則只有165mN。由于SpaceX的Falocon9只是把衛(wèi)星送入了地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO），也就是遠(yuǎn)地點(diǎn)達(dá)到地球同步軌道高度35786千米的橢圓形軌道。

ABS-3A（上）和Eutelsat 115 West B（下），可以看到每個(gè)衛(wèi)星一側(cè)都安裝了2臺(tái)離子推進(jìn)器，每個(gè)衛(wèi)星總計(jì)4臺(tái)

以ABS-3A為例，其軌道定位為西經(jīng)3度的地球同步軌道（GEO），即便是安裝了四臺(tái)離子推進(jìn)器，其加速度也低到可憐，因而從GTO轉(zhuǎn)移到GEO將會(huì)花費(fèi)6-8個(gè)月的時(shí)間才能完成軌道圓化和軌道定點(diǎn)。當(dāng)然這樣操作也是有好處的，就是能夠最大限度的利用火箭載荷能力，從而降低衛(wèi)星單位重量的發(fā)射成本。對(duì)于一顆使用壽命長(zhǎng)達(dá)15年的通信衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，花上半年時(shí)間來(lái)緩慢定軌來(lái)?yè)Q取更低的發(fā)射成本是非常劃算的。

702sp平臺(tái)的軌道發(fā)射及圓化過(guò)程，整個(gè)周期可能長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月

而且在工質(zhì)攜帶足夠的情況下，離子推進(jìn)器能夠提供極長(zhǎng)的加速時(shí)間，NASA的離子推進(jìn)動(dòng)力樣機(jī)曾持續(xù)工作48000小時(shí)，超過(guò)五年半。在達(dá)到這個(gè)工作時(shí)間之后，該推進(jìn)器被關(guān)閉，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，這臺(tái)推進(jìn)器消耗了870公斤的氙推進(jìn)劑。如果這套動(dòng)力使用到深空探測(cè)器上，那么至少可以將探測(cè)器加速到每秒40公里的速度。如果使用傳統(tǒng)的化學(xué)燃料推進(jìn)器，至少需要消耗10噸的燃料，這不僅將極大的擠占探測(cè)器的有效載荷空間，對(duì)于發(fā)射探測(cè)器的火箭來(lái)說(shuō)，要求也高了不少。

離子推進(jìn)器原理示意圖

而此次實(shí)踐十三號(hào)衛(wèi)星安裝了四臺(tái)200毫米口徑的LIPS-200離子推進(jìn)器。LIPS-200是由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院510所自主研制的中國(guó)首個(gè)衛(wèi)星用200毫米離子電推進(jìn)系統(tǒng)，地面壽命及可靠性試驗(yàn)累計(jì)工作時(shí)間達(dá)到6000小時(shí)，開(kāi)關(guān)機(jī)3000次。單臺(tái)推進(jìn)器的額定推力40mN，比沖達(dá)3000s，相比之下化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中比沖最高的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)也只有400多秒。

中國(guó)航天200毫米離子電推進(jìn)系統(tǒng)

航天科技在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了又LIPS-200+、LIPS-100、LIPS-300系列離子電推進(jìn)系統(tǒng)。這些推進(jìn)器的功率大多在1千瓦至5千瓦量級(jí)。中國(guó)空間技術(shù)研究院計(jì)劃在2020年完成50千瓦量級(jí)大功率推力器的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。如果將40個(gè)這樣的推力器組成陣列，可讓300噸量級(jí)的飛船在200天左右到達(dá)火星。

從短期內(nèi)考慮，我國(guó)自行研發(fā)的離子推進(jìn)器在通信衛(wèi)星等地球圈內(nèi)航天器上使用成熟之后，必將會(huì)應(yīng)用到以后的深空探測(cè)器上，來(lái)滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間加速和不斷變軌的需求。