在軌衛星配有推進嗎？

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是不是不需要推進器就可以維持軌道運行？空間站為什麼需要推進器而且還要補給燃料才能維持軌道？

現在，對於幾乎任何一顆衛星，推進系統都是必備的，因為它實在是太重要了。

為什麼這麼說？主要是以下三個方面的需求。

1. 航天任務（最終入軌+執行複雜的探索類太空任務）

可能會有人認為，衛星的發射、入軌全靠火箭。其實不然，「人生的路啊，要寄幾走」這個道理，衛星也是很明白的呢。

即便今天的火箭發射技術已經日趨完善，但它也只能將衛星送入預訂的軌道高度和軌道傾角上，剩下的都由衛星自我推進。

例如，前段時間備受關注的中星9A。即使它正常入軌，也是進入一個同步轉移軌道，這是一個距離地球最近300-500千米，而最遠可達36000千米的超大橢圓。衛星距離地面越遠速度越慢，到了最高點時，衛星上的推進設備工作，工質的反推力與速度方向相同且呈一定夾角，將衛星速度加速到3.1千米每秒並改變速度方向，實現相對靜止地「停」在赤道上空（此時軌道周期是24h）。

（此前誤寫為推力與速度方向相反，衛星減速了……已經更正！謝謝 @supersarah @劉天一指正和提醒！）

（中星9A原計劃的同步轉移軌道、實際轉移軌道與最終的同步軌道對比圖）

而對於探索外太空之類的複雜任務，推進系統的重要性基本排名第一。例如探月任務，火箭只能將其送出地球幾百公里，但目標卻是遠在38萬公里外的月球，這個過程就需要經歷複雜的機動過程。

我國在2010年國慶節發射的嫦娥二號，甚至在複雜的探月任務結束後，飛到了距地球150萬公里的日地拉格朗日引力平衡點，又在700萬公里外探訪了一顆小行星，如今已經在1億公里外了。

（嫦娥二號軌跡圖，可以看出離開地球只是起點?新華社）

1977年美國發射的旅行者2號是人類歷史上最高產的一個航天器，它在任務周期中探訪了木星、土星、天王星和海王星這四個太陽系內全部的氣態行星和它們的衛星體系，這個過程對軌道機動能力要求極高，可謂「失之毫釐，謬以千里」，如今它已經距離地球280億公里，但還在保持與地球的通信。

2. 修正宇宙環境造成的軌道偏移

宇宙環境並不能簡單模擬，因為影響因素實在太多。

例如，對於一顆飛在地球附近幾百公里的衛星而言，需要考慮的影響就包括：

地球非均勻的重力場（比如喜馬拉雅山和太平洋的引力影響不同），

月球、太陽甚至木星的引力攝動，地球海洋、陸地和大氣的潮汐，

太陽光和地球反射的太陽光對衛星造成的壓力，

極其稀薄大氣造成的阻力等等因素。

在這些因素影響下，衛星會逐漸偏離軌道，此時必須依靠本身推進能力修正。

（國際空間站入軌前兩年軌道高度變化，大部分軌道提高都來自美國太空梭和俄羅斯的空間站艙段? http://keywordsuggest.org/）

一個典型的例子是已經入軌近20年的國際空間站，它目前飛在距離地面400千米的軌道上。可以從圖中看出，它的軌道高度深受近地環境影響，如果不加以推進修正，就會迅速降低。雖然每次貨運飛船對接國際空間站後，都會在返回地球前使出絕大部分能量將國際空間站推高，但目前已經是一個420噸的龐然大物的它每年都需要自我修正好幾十次，並消耗掉高達7噸燃料。

3.避免相撞危險

（筆者研究的Swarm衛星兩年內經歷了12次大的軌道機動，以防止兩顆衛星彼此以及和太空垃圾相撞?European Space Agency）

目前，地球周圍已經分布有數億個太空垃圾，在每秒七千多米的速度下，任何一個都是對正常航天器極其危險的威脅。有的編隊衛星也要預防可能發生的碰撞事故。因此，衛星攜帶推進系統也非常必要。

（有了推進系統，才能這麼帥得躲「子彈」啊）

以上。

等等，都說到這兒了，要不，再多說幾句……

既然衛星的推進系統這麼重要，那麼都有哪些推進技術呢？

在衛星應用領域，人類已經有了很多種推進方案，但總結下來就是最基本的牛頓運動學定律：

推力能改變衛星的運動狀態（第一定律），

推力越大改變能力就越強（第二定律），

推力與反推力是同時存在的（第三定律）。

因此，衛星推進的本質就是當一些工質被加速離開衛星時產生反推力，可以改變衛星的運動狀態。

這裡有個術語叫「工質」，其實就是可以將熱能和化學能等轉換成機械能的「工作物質」，火箭燃料和燃燒後的燃氣是航天里最典型的工質。汽車、輪船和飛機里的石油產品和燃氣，也可以理解為一種工質。

目前推進技術基本以工質不同來分開，下面我們就來細數下彼此的異同。

1. 化學燃燒推進

這是最常見也被人類最為掌握的技術，通過氧化劑和還原劑燃燒釋放大量熱量，燃燒的產物高速離開發動機，產生反推力。由於這個燃燒過程比較劇烈，且需要很重的發動機存在，一般不適合小型衛星而適用於大型航天器。生活中汽車通過燃燒汽油來驅動，就是利用了化學燃料。

所用工質：化學燃料燃燒後的產物

應用：太空梭的軌道轉移系統，國際空間站推進系統，天宮二號推進系統

2. 物理變化推進

這個過程中不會發生化學反應，通過工質的物理變化，例如液態變成氣態的過程，加速離開衛星產生反推力。它的好處在於不需要發動機燃燒室，質量和體積都很小，可以提供較小且容易控制的推力。這種技術適用於任何一個衛星，也是目前應用最廣的衛星推進方式。而且它不僅可以用來改變軌道，還可以通過小型推力裝置控制姿態。生活中，水燒開後蒸汽將水壺蓋頂起，利用的就是水的物理變化。

所用工質：高壓液態氣體，常態液體

應用：幾乎所有衛星

例如2006年發射的新視野號（New Horizons）就攜帶了幾十公斤液氦進行軌道和姿態控制。利用微小噴管的精細控制，新視野號的軌道機動精度極高，最後成功抵達冥王星這一距離我們最為遙遠的矮行星（很不幸冥王星已經被從太陽系九大行星中除名）。

其中幾個最典型的操作為：

a. 2006年3月9日，76秒內速度變化1.16m/s；

b. 2007年9月25日，937秒內速度變化2.37m/s；

c. 2010年6月30日，35.6秒內速度變化0.44m/s；

要知道新視野號的速度在15000-45000 m/s的區間，如此小的速度變化是其他推進系統無法實現的。

3. 電推進

電推進就是將工質電離後送入磁場，在磁場作用下離子以極高速度離開衛星，從而產生反推力。由於電離效率很高且工質離開的速度輕易達到幾萬米每秒，遠遠超過化學燃料工質最高几千米每秒的速度，電推進也是目前效率最高的推進方式，消耗工質少而推進效果好。

所用工質：可被電離粒子（例如氙）

應用：新一代各國衛星

雖然電推進的推力很小，目前連一牛頓都是個巨大的障礙（一牛頓僅僅能拿起一個雞蛋而已）。但電推進是未來人類太空旅行的必備法寶，幾乎可以一直工作的電推發動機可以持續給航天器加速，聚沙成塔，到最後反而成為最有效的推進方式。

（採用了電推進的GOCE衛星，甚至可以飛在距離地面僅250千米的軌道，電推可以持續克服空氣阻力?European Space Agency）

我國在實踐十七號衛星和實踐十八號衛星上都應用了電推進技術。目前在這個領域，我國處於國際領先水平。

4. 光能推進

前文也提到了，太陽光照在衛星表面上被反彈時會產生壓力，而如果合理利用，這部分壓力就可以變成推力。目前國際上關於它的研究也是航天領域的熱點。

所用工質：光子

應用：實驗階段

（2010年發射的日本星際風箏是目前唯一依靠太陽能作為推進系統的航天器?日本航空宇航開發局）

霍金和一些瘋狂的科學家甚至提出了採用人造激光推進航天器進行星際旅行的想法。他們通過地面激光發射站組網，可以將無數個指甲大小的小型航天器加速到四分之一光速，從而拜訪距離太陽最近的恆星，4.2光年外的比鄰星。

（霍金提出的推進系統想像圖，但目前僅僅是想法?https://www.theverge.com/）

5. 無工質推進

有個航天愛好者團隊有個更瘋狂的想法。他們提出了無工質推進系統的可能性，這個想法看似像永動機一樣誇張：不使用任何工質，意味著不必攜帶多餘負重，也不依賴宇宙環境，憑空產生動力。

在很多專家質疑民科的情況下，NASA還是支持了一個叫做EMdrive的無工質發動機研究項目，它通過封閉錐型腔體內的微波光子電磁跳躍來產生推力。

（發動機外形圖? http://emdrive.com/）

但它目前並未獲得科學界認可，給NASA的報告中，在不能排除其他因素影響的前提下，也僅僅產生了微牛頓級別的推力。

雖然這個的確在理論上不能讓人信服，但這個團隊能開展這樣的研究，也算是做了些有意義的事情吧。

作者：太空精釀 @太空精釀

出品：科普中國

監製：中國科學院計算機網路信息中心

你忽略了姿態控制。

一般在軌衛星都有保持軌道用的推進劑
高升二號不就用的這個玩意強行入軌了嗎
不要小看外層大氣的軌道衰減效應非常稀薄不等於沒有

需要推進器。
在衛星軌道上是有氣體分子的，即使稀薄得接近真空但也不是絕對真空，衛星還是會受到阻力作用逐漸失去動能，若不及時加速保持軌道衛星很快就墜入地球。

去玩坎巴拉太空計劃把

是的，是的

需要的
其一作為一顆普通地球在軌衛星它的高度（200KM到300KM）仍然有稀薄大氣存在需要推進器維持軌道空間站同理
其二需要一些姿勢調整

大部分衛星是需要的。一方面存在一定大氣阻力，沒有推進劑維持軌道高度衛星會逐漸掉下來的；另一方面，通信衛星的天線，偵查衛星的攝像頭，為衛星提供電力的太陽能帆板需要指向特定方向，因此需要衛星消耗燃料做姿態調整。

當然，現在有一些新技術，所以軌道維持，姿態調整不一定需要化學燃料，有電就能實現了。

還有就是一些微小衛星，成本低，功能簡單，設計壽命一兩年，幾個月的，也不需要軌道維持。

原來可以沒有推進系統？

不配推進器就不能變軌，不能變軌就不能入軌，不能入軌還維持個鬼道啊

不過像三哥撒的那些用不著維持軌道的豆子衛星確實不用推進器。

因為空間站離地球太近了，為了不因地球自身引力而墜毀，所以只能這樣了。