近日,美国SpaceX公司总裁马斯克表示,“今年2底发射的首批第二代星链卫星由于使用了很多新技术,正如大家预料的那样,我们遇到了问题,一些卫星将离轨,其他故障卫星将继续在轨接受测试。”那么,第二代星链卫星出现故障的原因是什么呢?
二代星链“迷你版”
2月27日,美国SpaceX公司使用猎鹰9火箭将21颗星链G6-1组卫星送入太空。相比星链G5壳层将1.5版的卫星发射至第二代星链卫星轨道层的方案,此次发射使用了全新研制的第二代星链“迷你版”卫星。
猎鹰 9火箭末子级摄像机拍摄的火箭与第二代星链“迷你版”卫星在太空即将分离的照片。(来源:SpaceX公司)
由于重达2吨的完整版第二代星链卫星需要等待仍在趴窝的“星舰”发射,SpaceX公司选择率先使用猎鹰9火箭发射星链2.0“迷你版”卫星。
虽然该卫星被称为“迷你版”,但这些卫星的重量仍然达到800公斤,是1.5版星链卫星303公斤重量的两倍多,所以单次猎鹰9火箭发射星链卫星的数量也从原来的“一箭52星”减少到“一箭21星”。
另外,该卫星的尺寸达到了4.1米×2.7米,并且配置了两块总面积超过100平方米的太阳能电池板。因此,星链2.0“迷你版”卫星相比1.5版卫星拥有更大的功率。卫星还配置了使用更先进的相控阵天线和E波段通信,其通信速率是1.5版卫星的4倍。
得益于巨大的发电量,星链2.0版在推进系统上实现了革命性突破。SpaceX公司在星链G6-1组卫星发射前公布了该卫星使用的氩工质霍尔电推进系统,其推力器功率为4.2kW,是氩工质电推进系统首次在太空应用。
众所周知,氩气在空气中的占比接近1/100,是空气液化的副产物。相比昂贵的氙和相对廉价但仍然不易获得的氪,氩几乎是不需要成本的存在。如果氩电推技术得到普及,电推进的成本可以大幅降低,尤其是对大规模部署的星座来说,具有很大的成本优势。
不过,氩工质的廉价必然有其代价,氩的电离能较高,使得它难以充分电离,需要很大的功率才能有比较高的电离度,而太大的功率又会导致航天器散热加剧,较难取得平衡。
SpaceX公司此次直接在星链G6-1组卫星上全部使用氩工质霍尔推进系统,并计划继续使用在近期将发射的星链G6-2和G6-3两组“迷你版”卫星上,表明该公司对自研的电推进技术十分自信。
不过,随着首批第二代星链卫星在轨测试故障的出现,星链2.0版卫星的组网将被暂停。目前,该公司尚未公布星链G6-1组卫星故障的原因和星链G6-2组新的发射日期。
创新与风险并存
从SpaceX公司公布的数据看,星链2.0版使用的氩电推4.2kW的功率是星链1.0版卫星使用氪工质霍尔推进器的2倍以上。同时,星链卫星的太阳能电池板带来的较大发电量,可以支持卫星探索全新的工质和技术,以降低成本,允许使用猎鹰9火箭和“星舰”进行大规模快速组网发射。
显然,SpaceX公司对猎鹰9火箭组网发射星链卫星的速度并不满意,而“星舰”的趴窝导致星链2.0版无法快速部署,因此,该公司才提出了折中的“迷你版”来使用猎鹰9火箭发射,以加速组网。同时,在星链G6-1组卫星刚发生故障就准备发射后续的G6-2组和G6-3组卫星看,星链卫星组网的压力很大,必须加速进行。
其实,SpaceX公司在应用新技术上算是先行者。从星链1.0版使用的平板堆叠卫星、剪叉太阳能电池板和氪电推,到星链2.0版使用的氩电推,在逐步压榨猎鹰9火箭运载能力的同时,卫星逐步迭代且质量增加,以打造更加低成本,性能更高的卫星,而大量使用了新技术的卫星,必然有更高的故障率。
目前,星链卫星的损失率为7%~10%,大规模使用低成本商业元器件和激进的创新技术应用,使得星链卫星在降本增效的同时,简化的系统导致卫星损失速度较快。
本次发射的星链G6-1组卫星采用了全新的卫星平台,并且由于电推进系统功率较大,整个卫星的总线和电路设计很可能全部采用了新的元器件。因此,“迷你版”作为星链2.0的首发试验品,出现故障并不意外,但这也是首次出现一整组卫星全部故障的情况,说明在卫星规模增加的情况下,在第一代星链卫星平台中得到的经验已经无法借鉴,需要进一步检查和测试,这对急着进行组网的星链2.0版来说不是一件好事。
新构型要有新思路
星链卫星使用的堆叠平台非常考验设计,这种激进的设计导致卫星的冗余较少。即便如此,在一批卫星全部出现较严重故障的情况下,星链G6-1组的21颗卫星仍然全部实现了受控,展现出星链卫星平台极高的可靠性。
相比传统卫星建造周期较长,采用半手工生产,星链卫星大量使用商业元器件,价格低廉,实现了生产线批产,能允许星座有较大规模的损失。考虑到SpaceX公司准备了多个批次的星链2.0“迷你版”卫星,本次发射的星链G6-1组卫星平台很可能为加速发射而简化了地面测试,采用实际在轨测试来进行系统验证,目的就是为了加速组网。
由于星链G6-1组的21颗卫星全部出现问题,导致星链2.0“迷你版”卫星的组网速度减缓。如今,运载能力更强的“星舰”即将首飞,或许更多完整版的星链2.0版会使用它来发射。相反,使用猎鹰9火箭发射星链2.0“迷你版”卫星的数量会减少。
此外,星链卫星采用大批次商业化生产方式,使用极其激进的新技术和组网管理方式,创建了世界上独树一帜的低轨道星座部署和管理案例。
虽然SpaceX公司的激进方案带来了过去完全难以想象的卫星损失率,但星链卫星的高收纳效率、廉价和高效能,可以支持进行大规模发射和试验。同时,低廉的研制和生产成本也允许星链卫星“试错”。
总之,星链卫星的廉价决定了对故障卫星进行离轨处置和进一步测试,对SpaceX公司来说是可以接受的,但一定时间的故障排查也表明快速组网不是盲目蛮干的行为,而是遵循科学规律的取舍。(作者:张晨)
来源: 中国航天报
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