|
相信大家已经知道，美国SpaceX发射的星链卫星两次“碰瓷”中国空间站的消息。中国外交部例行记者会上，赵立坚严正指出，美方无视外空国际条约义务，对航天员生命安全造成严重威胁。 其实胖兵早就料到美国人会干出吃饭砸锅的事来，但我万万没有想到，他们竟然无耻到拿用于科学研究，造福人类的空间站和中国宇航员的生命开玩笑。
▲60颗星链卫星组成的链状带 01、有多紧急？ SpaceX如此举动，其目的自然是窥探中国空间站的相关情况，既然外交部用到紧急二字，证明事态的潜在风险之高，已经到了必须采取措施的地步。要知道，我们从镜头上看到的天宫空间站仿佛静止一般，可实际上它正以7.68千米/秒的高速运动，只要90分钟就能绕地球一圈。
▲航天器在真空的宇宙当中 运行速度非常快 在相对速度差非常小的情况下，处在同一轴线上的两个航天器还可以进行接触，如空间站与航天飞机的对接活动，可一旦这个速度超出安全阈值就可能导致严重后果，哪怕只是擦撞也足以破坏空间站的结构完整性，到时候就不是仪器设备被撞坏那么简单了，而是威胁到宇航员的生命安全。
▲俄罗斯电影《太空救援》 还原上升2号救援任务 相对速度误差超出15米/秒都不行 根据官方透露的部分信息我们可以得知，星链两次靠近均是人为操控，第一次是1095号卫星从555千米的轨道持续下降高度至382千米，与天宫的运行轨道只有2千米的高度差，加速稍一过猛就可能刹不住车。 第二次更加危险，2305号卫星持续变轨机动，基本上是在作大死的边缘疯狂试探，天宫空间站无法评估预测其运动方向和误差，只能再次实施紧急避碰。
▲航天器在高速中碰撞 会导致灾难性的结果 至于这两次危险举动到底是马斯克本人或SpaceX决策层的计划，还是美国政府在背后授意甚至干预，我们不得而知。不过既然事情已经发生了，胖兵就为大家科普下人造卫星、空间站为什么要具备机动能力，以及如何实现。 02、姿态控制 开普勒第一定律告诉我们，每个行星都沿各自的椭圆轨道环绕太阳运动，而太阳则处在椭圆型的一个焦点上，这一定律同样适用于地球和人造卫星、空间站。 既然人造航天器的轨道也是椭圆的，自然就有近地点和远地点，而许多航天器的近地点距离地球只有300-400公里，并没有完全脱离外层大气的阻力影响，再加上地心引力的作用，其运行轨道会始终处在缓慢的衰减之中，所以要给它们装上姿态控制发动机，每隔一段时间就要点火工作以抬高轨道，避免完全落入大气，从而被彻底烧毁。
▲2015年，联盟号飞船与国际空间站对接 注意它喷出的白色氮气 姿控发动机作用还不止如此，当航天器需要躲避太空垃圾、修正运行速度和轨道、调整天线朝向和观测角度时，都会使用这种装置，甚至在寿命耗尽后，由人工控制其坠入大气层时也是如此。 截至目前，姿控发动机可依据工作方式分为三种。 最早出现的是冷气推进，就是给航天器安装充入惰性气体（氮或氦）的储气瓶，通过气体膨胀加速喷出时产生的反作用力实现姿态控制。在小型化学推进技术尚不成熟的年代，美苏两国早期的卫星、飞船都使用冷气推进，如太空第一人尤里·加加林搭乘的东方一号载人飞船。
这种推进系统最大的特点就是工作原理和装置结构都很简单，因为工作时没有任何化学反应，所以不存在污染和爆炸的问题，而且还便宜。 但这些优点同时也是缺点，冷推的比冲[1]非常低，因此仅适用于小型航天器和宇航员的出舱活动辅助装置，应用范围有限。 当然，这并不代表冷气推进的技术含量就低，各大航天实体还是在钻研更为高级的冷气推进技术，比如欧洲航天局在2015年“引力波科学探测任务”中首次实现应用的微牛级变推力冷气推进系统，这种装置为实现超高精度无拖曳控制提供了技术保障。
▲欧航局在2015年发射的 引力波探测器“LISA探路者” 啥意思呢？就是说我们现在不要求提高推力，而是尽可能降低推力，小到刚好能吹动一根头发，但也仅能吹动一根头发，让推进系统在这种微小尺度上调整推力。 有了这种技术，卫星就可以实现“超静超稳”状态，在更接近绝对静止的工况中探测引力波。 2020年，中国航天集团的科研人员也攻克了微牛级变推力冷气推进技术，成功对“天琴一号”技术验证试验卫星实施了超高精度无拖曳控制，冷气推进系统的推力调节精度达到0.1微牛。
▲中国研发的微牛级变推力 冷气推进装置模组 第二种是最为常见，应用也最广泛的化学能工质推进装置，从冷战时期的科学和军事卫星、1990年进入太空的哈勃空间望远镜，再到今天民用的气象、通信和商业卫星都在使用。
▲使用冷气推进进行姿态控制的 哈勃空间望远镜 工质推进器可用四氧化二氮、过氧化氢/煤油、肼（联氨）等物质作为燃料，大家把它理解为一个小型火箭就行。 但与运载火箭那种只烧几分钟就没有后续的大炮仗不一样，姿控发动机使用的工质推进装置要用好几年甚至十几年，所以被设计为能够重复启动几十万次（这是一个为保证点火可靠性的冗余指标）的脉冲点火装置，可根据不同的推进需要调整脉冲宽度，长距离变轨按秒推进，滚翻等微调可做到毫秒级瞬推。
▲阿波罗返回舱点火 在返程途中需要使用推进器进行轨道修正
▲阿波罗四号安装的R-4D推进器 第三种是电推进，也叫离子推进，是目前最先进的推进方式。 顾名思义，离子推进就是先将液体燃料加热、电离，再用电磁线圈将离子加速喷从而出形成推力。电推最大的特点是比冲非常惊人，能够达到工质燃料的几倍、十几倍，如早已被神话的“土星5”号运载火箭的一级发动机比冲只有265.4秒，而NASA新研发的氙气离子推进器却能达到4300秒，是前者的16.2倍！
▲被称作“太空法拉利”的GOCE卫星 它使用离子推进 不过电推受限于单位功率的限制，其产生的推力只有几十毫牛，冷推推一根头发，电推推一张纸，都不能在短时间内让航天器实现变轨，只能作为姿态控制动力系统使用。 当然，你要非用电推进行长距离位移也不是不行，但就是特别慢，工质火箭几小时内走完的路程，电推要用上几个月。 欧洲航天局在2001年发射阿尔忒弥斯任务航天器时就这么干过，由于阿丽亚娜5号运载火箭的二级动机哑火，卫星距离预定轨道还有一半路程时就失去了动力。 为了拯救这颗卫星，地面控制它搭载的RITA-10离子推进器力花了7年时间，用7500个工时终于将卫星送入预定轨道。
▲阿丽亚娜5号运载火箭 我们中国的天宫空间站也采用离子推进器进行姿态控制，但我们使用的是更高级的霍尔推进器，它利用霍尔效应[2]（Hall effect）将喷射出的电子约束在一个环形的电离室当中，电场会驱动它们去轰击作为燃料的氙气，再加速射出电离化后的氙，从而产生推力。
▲NASA开发的 Evolutionary Xenon Thruster （简称Next）离子推进器 虽然我们无法得知天宫安装的离子推进器有多大推力，但按照我们在第二次发现美国卫星近距离靠近天宫的当天就实施了紧急避碰的描述来看，这个推力可能比我们预想的更大，否则就不能称之为紧急了。 由于电推对能量的要求不高，天宫搭载的光伏发电机就可以为其供能，这套系统比传统太阳能电池板的光电转化效率高出30%，不需要配置额外的储能设备和工质辅助推进装置，成本效益更优秀。
▲霍尔推进器 相比之下，老态龙钟的国际空间站（ISS）依然在使用传统的化学能推进手段，每年要消耗7.5吨的工质燃料维持轨道，或者由俄罗斯、欧盟和美国的补给飞船在对接后“顶着”空间站进行轨道修正，费钱而且费力。 不是咱吹，就技术先进性而言，天宫不知道比ISS高到哪里去了，也难怪美国人想要近距离偷窥。 结语 一个月前，ISS曾进行机动避碰动作，躲开一颗可能会撞上空间站的失能卫星，然而《纽约时报》却称此举是为了躲开中国在2007年进行导弹试射后留下的目标物残骸。 胖兵敢断定，《纽约时报》那帮孙子根本不知道SpaceX干过比含沙射影诋毁中国更下作的事，毕竟他们只是胡说八道的西方媒体，而不是忘恩负义的西方企业，这种需要技术含量的瞎话凭他们自己还真编不出来。
▲上个月《纽约时报》刚刚诋毁了中国 遥想当年美国拒绝中国加入国际空间站项目时是何等傲慢，现在中国凭一己之力建造出更先进的空间站，而且尚未拉美国入群，连NASA的老搭档加拿大航天局都获准进群了，你说那帮“土老帽”会怎么想？当然是羡慕嫉妒恨，再时不时给你使绊子下损招呗，咱用屁股都能想到。 可即便如此，中国航天和平利用太空，造福全人类的目标依然不会改变，事实和历史终将审判美国独霸太空的野心，和妨碍他国发展航天事业的劣行。 [1]比冲：单位时间内消耗单位推进剂所产生的推力。比冲越高，相同条件下推进剂能够产生的速度增量也越大，发动机效率也就越高。 [2]霍尔效应：当固体导体置于一个磁场内且有电流通过时，导体内的电荷受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压。 参考消息：外交部揭批美国卫星两次接近中国空间站 央视新闻：我国天宫空间站采用电推进系统，太阳能发电效率超 30% 文汇报：这个国内首次突破的“微牛级变推力冷气推进技术”，还要以另一种方式征战星辰大海——沈湫莎  |
|
|
