美專家:莫尼亞軌道上第一次出現中國衛星,曾在2021年工況異常

天體物理學家喬納森·麥克道維爾 (Jonathan McDowell)于4月15日發表一條推文稱,一顆曾在2021年9月份發射后失控的衛星現在出現在了一條罕見的莫尼亞軌道上,這是中國衛星第一次出現在這條軌道!

失控的衛星究竟是哪顆?莫尼亞軌道到底是干什麼用的?

喬納森·麥克道維爾 (Jonathan McDowell)是哈佛-史密森天體物理學中心的科學家,在推特頁面上發布的幾乎都是有關宇宙、太空以及各國的航天活動,當然也有很多關于中國航天的動態信息。

4月15日的推文表明,他開始關注一顆軌道十分怪異的衛星,這顆衛星處在一個參數為1106x40092公里x 51.1°的軌道上,表示這條軌道運行的天體是一個可以長期運行的,但在2021年9月初發射時處在一個參數為177x40104kmx51.0°的軌道上。

由于它的近地點太低,經過近地點時會因稀薄的大氣分子阻力而逐漸下降軌道,最終墜入大氣層,但喬納森發現,從2021年10月中旬開始,這顆衛星正在逐漸抬高近地點,并且還略微改變了它的傾角,盡管每次軌道改變都很小,這表示這顆衛星使用的是星載離子發動機,但它最終到達了目前的軌道,已經足以支撐它維持長期運行!

試驗十號:從失控到變軌成功

能對得上喬納森所述軌道的衛星,就是我國在2021年9月27日在西昌衛星發射中心,用長征三號乙運載火箭發射試驗十號衛星,火箭飛行正常,衛星準確入軌,但是其工況異常,當時發布的消息是具體原因正在進一步分析排查。

不過好消息則是10月17日,中國西安衛星測控中心宣布試驗十號衛星搶救成功,截至目前,官方尚未公布衛星此前異常的原因,以及目前的工作狀態。不過按慣例,我國試驗系列衛星用于驗證最新的技術,沒有任何消息透露其功能和外觀也屬正常。

離子發動機:到底是種怎樣的引擎?

盡管官宣文件和喬納森的描述中沒有提及衛星使用了何種引擎,但從軌道提升的描述來判斷,幾乎可以肯定是屬于離子電推引擎,這是利用電場將處在等離子狀態的「工質」加速后向后噴出而獲得前進動力的一種發動機。

常見的離子發動機中有靜電式(離子)和電磁式(霍爾),靜電式的原理是推進劑電離后,利用柵極提取離子,再利用靜電場來加速離子,為防止引擎電荷積累,一般會在發動機「噴口」附近放置一個電子槍注入離子束中和。

霍爾效應推進器原理

霍爾效應推進器則是通過圓柱形陽極和形成陰極的帶負電等離子體之間的電勢加速離子,推進劑被引入陽極附近,在這里離子化后流向陰極,離子朝著并通過它加速,并且在粒子離開時拾取電子以中和高速離開推進器獲得前進動力。

除了兩種發動機外還有多種類型的離子發動機,這種類型的發動機優點非常明顯!離子推進引擎的「排氣」速度是化學火箭引擎的十倍乃至百倍,比沖在1500~3000S以上,極其節省燃料,并且可以長期在軌使用,唯一的缺點是推力比較弱,但對于長期在軌的衛星來說這并不是致命缺點,因為可以用增加推進時間來彌補。

試驗十號緩慢抬升軌道,在這種大橢圓軌道上抬升軌道時一般都是在遠地點時加速,然后就會抬升近地點軌道,待其進入一個更高近地點的橢圓軌道就安全了,因為在1106千米x40096的高度上,這顆衛星能維持軌道至少數萬年。

莫尼亞軌道:究竟是條怎樣的軌道?

試驗十號衛星搶救成功,當然是一件可喜可賀的事情,但問題來了,如此怪異的一條莫尼亞軌道,近地點1000多千米,遠地點4萬多千米,到底是干啥用的?

大家都知道靜止軌道通信衛星,它可以「懸停」在赤道上空一動不動,理論上全球只要3顆衛星即可保持所有區域都覆蓋,但更準確一點的說,是低緯度地區全覆蓋。

那麼問題來了,如果高緯度地區要實現衛星通信怎麼辦呢?因為在高緯度地區看靜止軌道的衛星,視角太低,電磁波要穿越厚厚的大氣層衰減嚴重,而且作為高緯度國家,蘇聯發射衛星的火箭需要經過消耗大量燃料變軌才能實現靜止軌道,蘇聯頗為頭痛,因此在1960年蘇聯科學家找到了一條軌道完美的解決了這個問題:

傾角為63.4度,近地點傾角為270度,軌道周期約為半恒星日的衛星軌道

其近地點和遠地點的距離基本為1000千米和4萬千米左右,這是一條有些難以理解的軌道,因為,為了保證其地面軌道每24小時重復一次,節點周期需要為半恒星日。

而在地面看來則是在地面上畫了一個超級大8字形,有時候其軌道是由西向東的,有時候看起來又是從東到西的,這是因為其軌道周期與地球自轉慢,因此這個軌道的星下點就是在地球上畫了一個巨大的8字,半天看著它從西北往東南,半天看著從西南回東北。

但有一段距離是看不到的因為此時正位于南半球上空,但在南半球上空時其正好在近地點,因此其軌道速度很快(也被稱為閃電軌道),而在北半球則是遠地點時,速度很慢,因此這顆衛星一天中絕大部分時間都在蘇聯可視范圍內。

莫尼亞軌道示意圖

只需要幾顆衛星就能一直保持不間斷的服務,不得不說這真是一個天才的軌道,前蘇聯最初給這個軌道發射的衛星被稱為Molniya計劃,衛星也被標記為Molniya 1系列衛星Molniya 2系列衛星,后來這個軌道被稱為了Molniya軌道。

莫爾尼亞 1號衛星

當然Molniya軌道也不只是蘇聯可以用,只要調整傾角,也可以讓其大部分時間停留在比較低的緯度區域,比如中國的這顆衛星軌道傾角在51°左右,足以覆蓋最北約53.5度左右的區域。南半球的澳大利亞如果想要實現這樣的軌道,那麼軌道傾角倒一下即可。

莫尼亞軌道:到底能干嘛?

上文說明了這條軌道可以用少量衛星即可保持24小時內需要的區域內任何位置都能看到衛星,因此它的用途就大了,比如早期的電視廣播、電信、軍事通信、中繼、天氣監測、預警系統等都會使用這條軌道。

衛星軌跡:一天中大部分時間都位于北大平洋上空

另外有一些特殊的軍事應用也會使用這條軌道,比如飛彈預警,檢測早期彈道飛彈尾焰的紅外預警衛星等,只是有一個缺點,這條軌道的使用區域與衛星之間的距離實在太遠了,比如莫尼亞衛星位于蘇聯位于最北區域的使用者距離衛星的距離超過4萬千米,信號來回距離8萬千米,相當于直接給延遲了0.25秒,加上系統處理的延遲,這個通信延遲有點受不了。

不過對于天氣、廣播以及預警等這些應用并沒有什麼問題,至少衛星數量少了,還能滿足需求,只能說蘇聯當年設計這條軌道的天才腦子還是很靈光的。

延伸閱讀:衛星的各種運行軌道

人造衛星運行的軌道很多,比如近地軌道,中地球軌道和高軌衛星,還有太陽同步軌道,地球同步軌道和靜止衛星軌道等,一般衛星軌道的參數有幾個:

1、近地點高度、遠地點高度;

2、軌道傾角;

傾角即為衛星的軌道平面和赤道面的夾角,這樣基本就能知道這個軌道大概是干啥用的了,但由于地球是自轉的,并非靜止不動,因此還有其他一些參數也是必須的,比如天宮空間站的軌道參數如下:

上面兩行式是各種軟件能識別的軌道參數,各位可以對一下,上方部分數字都能和下方的數據對應起來的,而下方的數據則是各位直接能看懂的數據。

一般傾角小于90°的衛星屬于「順行」衛星,其運動方向是自西北向西南,大部分衛星都是這種「順行衛星」,大于90度的是自東向西的逆行衛星,自東北向西南,比如太陽同步軌道,而傾角在90°附近的則是星下點通過兩極的極軌衛星。

空間站軌道高度在400千米左右,傾角一般在40~50°,高度低是為了方便補給,而且太高會達到范艾倫輻射帶,輻射太強,因此空間站一般都不高。

靜止衛星軌道高度為3.6萬千米(35,786千米)左右圓形軌道,傾角為0°,其繞行一周的時間與地球自轉時間相等,所以星下點禁止不動,被稱為靜止衛星軌道(靜止軌道上的航天器受到日月引力和地球扁率的疊加影響,導致其軌道平面不斷發生進動。

軌道進動周期約為53年,傾角的初始變化率約為0.85°/年,這導致每過26.5年傾角達到最大值15°。為了修正這項軌道攝動)。


用戶評論