太阳能电推进——静止轨道通信卫星瘦身治疗方案漫谈

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1、太阳能电推进——静止轨道通信卫星瘦身治疗方案漫谈作者说本期要讲的是，真正让卫星大幅减重提效的电推进技术！电推技术，让卫星瘦身减重，节省5000万美元的推进剂运费，这已经可以做到！本文原载《卫星与网络》，作者超级LOVEOVERGOLD，转载已获授权。往期链接：在《一次昂贵的自驾出行---地球静止轨道通信卫星独上3.6万公里》提到，打一颗地球静止轨道卫星，动辄上亿美元的发射费用，但七七八八一算，一颗5吨重的卫星，不起眼的配角推进剂居然达到了50%的重量占比，实际的有效载荷也就几百公斤～1吨左右。可以算一笔账，2017年9月29日发射的亚

2、洲9号通信卫星，1个亿美元的发射费用，而卫星6.14吨重量里，近3吨的推进剂花了5千万美元！1和运费比起来，采购卫星的四氧化二氮、一甲基肼推进剂，单价350美元每公斤，合计100多万美元的推进剂的费用都不是什么事了。这些金贵的推进剂用到哪里去了呢？（一）GTO轨道远地点加速，调整倾角、定点一般运载火箭上面级送卫星到GTO轨道，剩下的路只能靠卫星的远地点发动机，把静止轨道线速度提到3.07公里/秒，同时将倾角调整为0并圆化，以北纬28度附近的美国卡角和中国西昌为例，需要的速度增量为1824米/秒，需要消耗约80%的推进剂，这是大头。（二

3、）树欲静而风不止——静止轨道卫星抗拒三重诱惑和一个排挤上的开销2想在地球静止轨道安安静静工作的卫星，受到日月引力、地球扁率、太阳光压的叠加影响，导致其轨道平面不断发生进动。这三重“诱惑”和排挤的潜移默化，不加管控就卫星就“出轨”：1、第一重——日月引力的摄动地球自转轴和黄道面（地球公转轨道平面）成23.5度的夹角，每年从夏至开始太阳向南运动，像磁铁一样的万有引力把地球静止轨道上的卫星往南拽，冬至哪天开始又往北拽。这是太阳引力产生轨道倾角摄动，因此卫星需要南北位置保持。上图是以地球为参照物，描述静止轨道卫星每年的“忐忑不安”再说说月球，

4、月球的公转轨道面（白道）和黄道呈5.15度3夹角，且轨道面在不断进动，进动周期为18.6年，这期间，月球轨道和地球赤道的夹角在23.5±5.15度内变化，同样会导致静止轨道的通信卫星南南北北的被折腾。上述日月摄动导致卫星倾角的初始变化率约为0.85°/年，每过26.5年倾角达到最大值15°。为了修正这项引力摄动，卫星需要进行定期的南北方向的轨道位置保持，每年用于修正倾角的总速度增量大约为50m/s，这是通信卫星在轨最大一笔开销。2、第二重——地球偏心率的摄动经度的漂移主要是由地球非球形导致的——赤道略呈椭圆形。静止轨道上有两个稳定的平

5、衡点(75.3°E和104.7°W)和两个不稳定的平衡点(165.3°E和14.7°W)。位于静止轨道平衡点之间的卫星等航天器，在没有任何机动的情况下，会缓缓朝着两个稳定平衡点加速移动，这导致了经度的周期性变化。为了修正经度漂移效应，静止轨道卫星每年共需要大约2m/s的速度增量来进行东西方向的轨道保持，具体的数值取4决于卫星的定点经度。3、第三重——太阳光压太阳光子具有动量，不停的照射在静止轨道卫星上，尤其是那一对硕大的太阳能帆板上，虽然太阳光子的动量很小，在地球轨道附近，靠太阳光子撞击产生的光压只有9N/平方公里，但日积月累，这的影

6、响也不小，需要定期修正。为了抗拒这三重诱惑和排挤，卫星的化学推进器定期要开机进行调整，一般以两周为单位。但如果卫星的推进剂耗尽，就无法在地球静止轨道“定点”，地面的接收站工作起来天线锅要摇头晃脑，非常辛苦！（三）动量轮卸载——推进剂在通信卫星保持精确指向中的日常开销5通信卫星要求其天线面精确指向目标区域、太阳帆板垂直对准太阳，但个别卫星的设计，头重脚轻，或者由于星上设备的工作产生磁场导致整星合成磁场不为零，那么在地球重力和磁场作用下，分别产生重力梯度力矩、地球磁场力矩，导致卫星歪头斜脑，指向精度和姿态稳定度不行。重力梯度力矩，简单讲，

7、就是卫星重的那一头，被地球万有引力给吸过去，侧身了！地球磁场力矩，卫星上的仪器，电流流动，按照安倍定则产生磁场，如果整星磁场不均衡，会被地球南北磁极给吸过去，拿大顶了！目前主流的通信卫星采用了三轴稳定方式控制姿态，三轴稳定的作用机构，更多的采用了反作用轮（Reactionwheels）和控制力矩陀螺（CMG，ControlMomentGyroscope），提供精确的控制力矩,对其姿态进行准确修正，而且不需消耗工质、寿命长,已成为空间航天器姿态控制系统的主要执行机构。1、反作用轮：6其工作原理，打个比方，就像在平衡木上快要掉下来的运动员

8、，他张开双臂，努力顺着掉下的方向挥动，而身体通过反作用力试图保持平衡。用于姿态控制的全功能反应轮系统需要至少三个反作用轮，每个反作用轮用于俯仰，摇摆和偏转轴。姿态控制计算机精确的控制电机通过施加扭矩来增加角速度，反扭矩驱