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亚太6E出故障了？外媒透露主发动机无法启动，还能正常入轨吗？前不久我国用长征二号丙运载火箭发射了亚太6E卫星，当时就令世界航天界有些惊讶。这是由于亚太6E卫星加上推进平台的总重量达到了4.3吨，它还是一颗在同步静止轨道上运行的高通量商业通信卫星，轨道高度达到了36000公里。  这么一个又大又重，还要打到同步轨道的卫星，使用的火箭却是长征二号丙中型火箭，起飞重量仅213吨，平时只用来打低轨卫星。而我国通常用来发射同步卫星的火箭是长征三号系列，例如长征三号乙，起飞重量超过了420吨。亚太6E是用一个“小”火箭打了一颗远超其能力的大卫星，怪不得让很多人都感到意外。  问题是这种“小马拉大车”是怎么实现的呢？奥秘就在于亚太6E是一颗全电推卫星，而且直径还比较大。亚太6E的卫星部分的重量是2.09吨，理论上可以使用同步转移轨道运力为2.1吨的长征三号甲来发射，但长征三号甲的整流罩直径仅为3.35米，装不下卫星。用更大型的长征三号乙，又有些浪费。  而长征二号丙最新改型的整流罩达到了4.2米，正好可以装下亚太6E。但长二丙只能把卫星打到近地点200公里、远地点500公里、倾角28.5°的过渡轨道，接下来该怎么办呢？原来亚太6E还带了一个重达2.21吨的独立推进舱，配备了推力490N的主发动机，可以使用化学推进的方式，用几天的时间将卫星升轨到远地点1万多公里的中间轨道。这次外媒提到的故障，就是这个490N主发动机。  而在到达中间轨道后，独立推进舱的使命也就完成了，会与卫星分离。这时卫星距离地球静止轨道还差很远，之后才会显示出亚太6E卫星的绝活：它使用了东方红三号E全电推平台，装备了两套大功率电推发动机，一个是霍尔，一个是离子。这两台电推装置将在10个月的时间里，将卫星轨道一点点儿的升高，直至到达36000公里高的同步静止轨道。 为啥要花上10个月呢？主要是因为电推的推力普遍较小，推力一般都在毫牛量级，大的也只有几个牛顿。例如我国空间站天和核心舱的HET-80霍尔发动机，推力仅80毫牛。但电推虽然推力很小，却有着一项绝对优势：比冲高，也就是消耗相同质量的燃料或工质，得到的速度增量更高。  电推的比冲高到什么程度？离子电推能达到3000s左右，是液氧煤油发动机的10倍左右，这就相当夸张了。那么离子发动机是如何实现高比冲的呢？因为它向后喷出来的不是燃气，而是离子。这些离子的速度非常高，能达到每秒20至50公里，远远高于普通火箭大约每秒5公里的喷气速度。 在离子推进器的设计中，使用电子枪发出电子，将工质气体电离。然后再放两块打了无数小孔像筛子一样的正负栅板，两块栅板之间被加上了高电压，形成了加速电场。这样离子在穿过栅板时，就会被电场加速，并向后喷出产生推力。只要正负栅板之间的电压够高，离子就可以被加速到极高的速度。  在离子推进器出现之后，为了克服栅板加工困难，以及空间电荷限流问题，又出现了霍尔推进器，最早的霍尔电推是苏联首先研制的。霍尔电推利用“霍尔效应”，采用环形喷口和放电室。阴极的电子枪在喷口外发射电子，电子沿轴向电场向阳极运动，同时在径向磁场作用下，因霍尔效应而产生感应电压，开始环向旋转。 这些电子与从阳极附近喷出的气体（氙气、碘等）激烈碰撞，使气体电离，电离后的离子在电场作用下向后加速喷出，产生推力。霍尔推进器比离子推进器的推力密度更高，但比冲会低一些，大约在1500s左右。  亚太6E全电推卫星同时装备了离子和霍尔电推，它们可以消耗比较少的燃料（工质）进行长时间的工作，虽然推力小，但在工作10个月之后还是可以把卫星送上静止轨道。而在入轨之后也并不是万事大吉，卫星会受到各种引力摄动的作用，并不会一直稳定在静止轨道上，所以还需要发动机工作来进行轨道维持。 这项工作并不需要很大的推力，正好适合电推发动机。而且电推消耗的燃料又少，减少了卫星携带的燃料重量，为其它设备让出了空间，同时还提高了卫星的寿命。亚太6E的寿命就达到了15年。  但现在亚太6E独立推进舱的490N主发动机似乎出了问题，据国外航天网站Seradata报道，先是增压系统出现了一系列的阀门故障，而在这些故障被解决之后，似乎又出现了新的故障，导致主发动机无法点火。如果这是真的，亚太6E卫星岂不是无法通过化学升轨前往中间轨道了吗？ 先不要着急，还是有办法的！外媒也承认，独立推进舱并不是只有1台主发动机可用，它还配备了推力为10N的RCS姿控发动机，这些发动机同样可以用来升轨，只是由于推力较小，升轨所需的时间要慢一些，从几天延长到了几个星期。但是只要到了中间轨道，独立推进舱的使命就完成了，接下来卫星就能靠自己的电推来前往同步轨道了。  事实上，使用姿控发动机代替主发动机，本来就在设计的考虑之内。这样做只是延长了几个星期的升轨时间，相对卫星15年的设计寿命来说，差别并不是很明显。Seradata网站也承认这一点，并认为这种变化不会产生保险赔偿。据说该卫星的保险金额高达1.5亿美元。 其实亚太6E遭遇的状况早有先例。俄罗斯2021年7月29日发射的“科学”号实验舱，进入太空后不久也遇到了主发动机故障，甚至差点儿坠毁。但是通过RCS调姿发动机的持续工作，最后也是一步一步地爬到了国际空间站的轨道高度，并与空间站对接成功。之后科学号的推进器又意外启动，差点儿把国际空间站顶翻，最后靠调姿飞船才最终稳定了状态。  根据美国太空军第18太空防卫中队（18SDS）的数据，亚太6E自1月13日发射以来，至1月17日一直处在稳定的升轨过程中，近地点高度已超过700公里，远地点高度已超过2300公里。这说明10N的姿控发动机发挥了作用，正在持续抬升卫星的轨道，只是升轨速度略有些缓慢。  希望亚太6E能够克服当下的困难，顺利入轨，实现中国航天新的突破。 |
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