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美专家:莫尼亚轨道上第一次出现中国卫星,2021年曾工况异常

天体物理学家乔纳森・麦克道维尔 (Jonathan McDowell)于4月15日发表一条推文称,一颗曾在2021年9月份发射后失控的卫星现在出现在了一条罕见的莫尼亚轨道上,这是中国卫星第一次出现在这条轨道!

失控的卫星究竟是哪颗?莫尼亚轨道到底是干什么用的?

乔纳森・麦克道维尔 (Jonathan McDowell)是哈佛-史密森天体物理学中心的科学家,在推特页面上发布的几乎都是有关宇宙、太空以及各国的航天活动,当然也有很多关于中国航天的动态信息。

4月15日的推文表明,他开始关注一颗轨道十分怪异的卫星,这颗卫星处在一个参数为1106x40092公里x 51.1°的轨道上,表示这条轨道运行的天体是一个可以长期运行的,但在2021年9月初发射时处在一个参数为177x40104kmx51.0°的轨道上。

由于它的近地点太低,经过近地点时会因稀薄的大气分子阻力而逐渐下降轨道,最终坠入大气层,但乔纳森发现,从2021年10月中旬开始,这颗卫星正在逐渐抬高近地点,并且还略微改变了它的倾角,尽管每次轨道改变都很小,这表示这颗卫星使用的是星载离子发动机,但它最终到达了目前的轨道,已经足以支撑它维持长期运行!

试验十号:从失控到变轨成功

能对得上乔纳森所述轨道的卫星,就是我国在2021年9月27日在西昌卫星发射中心,用长征三号乙运载火箭发射试验十号卫星,火箭飞行正常,卫星准确入轨,但是其工况异常,当时发布的消息是具体原因正在进一步分析排查。

不过好消息则是10月17日,中国西安卫星测控中心宣布试验十号卫星抢救成功,截至目前,官方尚未公布卫星此前异常的原因,以及目前的工作状态。不过按惯例,我国试验系列卫星用于验证最新的技术,没有任何消息透露其功能和外观也属正常。

离子发动机:到底是种怎样的引擎?

尽管官宣文件和乔纳森的描述中没有提及卫星使用了何种引擎,但从轨道提升的描述来判断,几乎可以肯定是属于离子电推引擎,这是利用电场将处在等离子状态的“工质”加速后向后喷出而获得前进动力的一种发动机。

常见的离子发动机中有静电式(离子)和电磁式(霍尔),静电式的原理是推进剂电离后,利用栅极提取离子,再利用静电场来加速离子,为防止引擎电荷积累,一般会在发动机“喷口”附近放置一个电子枪注入离子束中和。

霍尔效应推进器原理

霍尔效应推进器则是通过圆柱形阳极和形成阴极的带负电等离子体之间的电势加速离子,推进剂被引入阳极附近,在这里离子化后流向阴极,离子朝着并通过它加速,并且在粒子离开时拾取电子以中和高速离开推进器获得前进动力。

除了两种发动机外还有多种类型的离子发动机,这种类型的发动机优点非常明显!离子推进引擎的“排气”速度是化学火箭引擎的十倍乃至百倍,比冲在1500~3000S以上,极其节省燃料,并且可以长期在轨使用,唯一的缺点是推力比较弱,但对于长期在轨的卫星来说这并不是致命缺点,因为可以用增加推进时间来弥补。

试验十号缓慢抬升轨道,在这种大椭圆轨道上抬升轨道时一般都是在远地点时加速,然后就会抬升近地点轨道,待其进入一个更高近地点的椭圆轨道就安全了,因为在1106千米x40096的高度上,这颗卫星能维持轨道至少数万年。

莫尼亚轨道:究竟是条怎样的轨道?

试验十号卫星抢救成功,当然是一件可喜可贺的事情,但问题来了,如此怪异的一条莫尼亚轨道,近地点1000多千米,远地点4万多千米,到底是干啥用的?

大家都知道静止轨道通信卫星,它可以“悬停”在赤道上空一动不动,理论上全球只要3颗卫星即可保持所有区域都覆盖,但更准确一点的说,是低纬度地区全覆盖。

那么问题来了,如果高纬度地区要实现卫星通信怎么办呢?因为在高纬度地区看静止轨道的卫星,视角太低,电磁波要穿越厚厚的大气层衰减严重,而且作为高纬度国家,苏联发射卫星的火箭需要经过消耗大量燃料变轨才能实现静止轨道,苏联颇为头痛,因此在1960年苏联科学家找到了一条轨道完美的解决了这个问题:

倾角为63.4度,近地点倾角为270度,轨道周期约为半恒星日的卫星轨道

其近地点和远地点的距离基本为1000千米和4万千米左右,这是一条有些难以理解的轨道,因为,为了保证其地面轨道每24小时重复一次,节点周期需要为半恒星日。

而在地面看来则是在地面上画了一个超级大8字形,有时候其轨道是由西向东的,有时候看起来又是从东到西的,这是因为其轨道周期与地球自转慢,因此这个轨道的星下点就是在地球上画了一个巨大的8字,半天看着它从西北往东南,半天看着从西南回东北。

但有一段距离是看不到的因为此时正位于南半球上空,但在南半球上空时其正好在近地点,因此其轨道速度很快(也被称为闪电轨道),而在北半球则是远地点时,速度很慢,因此这颗卫星一天中绝大部分时间都在苏联可视范围内。

莫尼亚轨道示意图

只需要几颗卫星就能一直保持不间断的服务,不得不说这真是一个天才的轨道,前苏联最初给这个轨道发射的卫星被称为Molniya计划,卫星也被标记为Molniya 1系列卫星Molniya 2系列卫星,后来这个轨道被称为了Molniya轨道。

莫尔尼亚 1号卫星

当然Molniya轨道也不只是苏联可以用,只要调整倾角,也可以让其大部分时间停留在比较低的纬度区域,比如中国的这颗卫星轨道倾角在51°左右,足以覆盖最北约53.5度左右的区域。南半球的澳大利亚如果想要实现这样的轨道,那么轨道倾角倒一下即可。

莫尼亚轨道:到底能干嘛?

上文说明了这条轨道可以用少量卫星即可保持24小时内需要的区域内任何位置都能看到卫星,因此它的用途就大了,比如早期的电视广播、电信、军事通信、中继、天气监测、预警系统等都会使用这条轨道。

卫星轨迹:一天中大部分时间都位于北大平洋上空

另外有一些特殊的军事应用也会使用这条轨道,比如导弹预警,检测早期弹道导弹尾焰的红外预警卫星等,只是有一个缺点,这条轨道的使用区域与卫星之间的距离实在太远了,比如莫尼亚卫星位于苏联位于最北区域的使用者距离卫星的距离超过4万千米,信号来回距离8万千米,相当于直接给延迟了0.25秒,加上系统处理的延迟,这个通信延迟有点受不了。

不过对于天气、广播以及预警等这些应用并没有什么问题,至少卫星数量少了,还能满足需求,只能说苏联当年设计这条轨道的天才脑子还是很灵光的。

延伸阅读:卫星的各种运行轨道

人造卫星运行的轨道很多,比如近地轨道,中地球轨道和高轨卫星,还有太阳同步轨道,地球同步轨道和静止卫星轨道等,一般卫星轨道的参数有几个:

1、近地点高度、远地点高度;

2、轨道倾角;

倾角即为卫星的轨道平面和赤道面的夹角,这样基本就能知道这个轨道大概是干啥用的了,但由于地球是自转的,并非静止不动,因此还有其他一些参数也是必须的,比如天宫空间站的轨道参数如下:

上面两行式是各种软件能识别的轨道参数,各位可以对一下,上方部分数字都能和下方的数据对应起来的,而下方的数据则是各位直接能看懂的数据。

一般倾角小于90°的卫星属于“顺行”卫星,其运动方向是自西北向西南,大部分卫星都是这种“顺行卫星”,大于90度的是自东向西的逆行卫星,自东北向西南,比如太阳同步轨道,而倾角在90°附近的则是星下点通过两极的极轨卫星。

空间站轨道高度在400千米左右,倾角一般在40~50°,高度低是为了方便补给,而且太高会达到范艾伦辐射带,辐射太强,因此空间站一般都不高。

静止卫星轨道高度为3.6万千米(35,786千米)左右圆形轨道,倾角为0°,其绕行一周的时间与地球自转时间相等,所以星下点禁止不动,被称为静止卫星轨道(静止轨道上的航天器受到日月引力和地球扁率的叠加影响,导致其轨道平面不断发生进动。

轨道进动周期约为53年,倾角的初始变化率约为0.85°/年,这导致每过26.5年倾角达到最大值15°。为了修正这项轨道摄动)。