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【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 王宇波】

本周三，我國航天工作者們又把一顆衛(wèi)星順利的送上了天，那就是實踐十三號通信衛(wèi)星。不過它還有另外一個名字，那就是中星16號。實踐十三號是我國首顆高通量通信衛(wèi)星，首次應(yīng)用Ka頻段多波束寬帶通信系統(tǒng)。在完成試驗驗證以后，衛(wèi)星將納入“中星”系列，命名為“中星16號”。

實踐十三號衛(wèi)星工程由國防科工局組織實施。衛(wèi)星、運載火箭分別由中國航天科技集團(tuán)公司中國空間技術(shù)研究院、中國運載火箭技術(shù)研究院研制，地面測控系統(tǒng)由西安衛(wèi)星測控中心負(fù)責(zé)，運控和試驗應(yīng)用系統(tǒng)由中國衛(wèi)通集團(tuán)有限公司負(fù)責(zé)。

中國衛(wèi)通運營并管理著十多顆在軌通信衛(wèi)星，而中星十六號將成為其首顆具備ka頻段通信能力的通信衛(wèi)星

對于中國航天來說，實踐十三號確實創(chuàng)下了多個第一，亮點頗多，那么這些亮點都有些什么特別之處呢？

首先來說說電推

所謂衛(wèi)星電推，其實應(yīng)該叫離子推進(jìn)器。其原理是先將氣體電離，然后用電場力將帶電的離子加速后噴出，以其反作用力推動航天器。由于帶電離子在推進(jìn)器中會被加到10~18千米/秒的超高速度，因而工質(zhì)的使用效率非常高，帶來的直接好處就是高達(dá)3000秒比沖。

離子推進(jìn)器

2015年，SpaceX的就一次發(fā)射了兩枚全電推進(jìn)的通信衛(wèi)星，其中一顆是中國香港亞洲通信公司的ABS-3A，一顆是歐洲的Eutelsat 115 West B。這兩顆衛(wèi)星都是基于波音BSS-702SP平臺，安裝了四臺XIPS-25離子推進(jìn)器，比沖達(dá)3500秒，推力則只有165mN。由于SpaceX的Falocon9只是把衛(wèi)星送入了地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO），也就是遠(yuǎn)地點達(dá)到地球同步軌道高度35786千米的橢圓形軌道。

ABS-3A（上）和Eutelsat 115 West B（下），可以看到每個衛(wèi)星一側(cè)都安裝了2臺離子推進(jìn)器，每個衛(wèi)星總計4臺

以ABS-3A為例，其軌道定位為西經(jīng)3度的地球同步軌道（GEO），即便是安裝了四臺離子推進(jìn)器，其加速度也低到可憐，因而從GTO轉(zhuǎn)移到GEO將會花費6-8個月的時間才能完成軌道圓化和軌道定點。當(dāng)然這樣操作也是有好處的，就是能夠最大限度的利用火箭載荷能力，從而降低衛(wèi)星單位重量的發(fā)射成本。對于一顆使用壽命長達(dá)15年的通信衛(wèi)星來說，花上半年時間來緩慢定軌來換取更低的發(fā)射成本是非常劃算的。

702sp平臺的軌道發(fā)射及圓化過程，整個周期可能長達(dá)8個月

而且在工質(zhì)攜帶足夠的情況下，離子推進(jìn)器能夠提供極長的加速時間，NASA的離子推進(jìn)動力樣機曾持續(xù)工作48000小時，超過五年半。在達(dá)到這個工作時間之后，該推進(jìn)器被關(guān)閉，在整個實驗過程中，這臺推進(jìn)器消耗了870公斤的氙推進(jìn)劑。如果這套動力使用到深空探測器上，那么至少可以將探測器加速到每秒40公里的速度。如果使用傳統(tǒng)的化學(xué)燃料推進(jìn)器，至少需要消耗10噸的燃料，這不僅將極大的擠占探測器的有效載荷空間，對于發(fā)射探測器的火箭來說，要求也高了不少。

離子推進(jìn)器原理示意圖

而此次實踐十三號衛(wèi)星安裝了四臺200毫米口徑的LIPS-200離子推進(jìn)器。LIPS-200是由中國航天科技集團(tuán)公司五院510所自主研制的中國首個衛(wèi)星用200毫米離子電推進(jìn)系統(tǒng)，地面壽命及可靠性試驗累計工作時間達(dá)到6000小時，開關(guān)機3000次。單臺推進(jìn)器的額定推力40mN，比沖達(dá)3000s，相比之下化學(xué)火箭發(fā)動機中比沖最高的氫氧發(fā)動機也只有400多秒。

中國航天200毫米離子電推進(jìn)系統(tǒng)

航天科技在此基礎(chǔ)上開發(fā)了又LIPS-200+、LIPS-100、LIPS-300系列離子電推進(jìn)系統(tǒng)。這些推進(jìn)器的功率大多在1千瓦至5千瓦量級。中國空間技術(shù)研究院計劃在2020年完成50千瓦量級大功率推力器的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。如果將40個這樣的推力器組成陣列，可讓300噸量級的飛船在200天左右到達(dá)火星。

從短期內(nèi)考慮，我國自行研發(fā)的離子推進(jìn)器在通信衛(wèi)星等地球圈內(nèi)航天器上使用成熟之后，必將會應(yīng)用到以后的深空探測器上，來滿足長時間加速和不斷變軌的需求。