第二代星鏈衛(wèi)星緣何按下發(fā)射暫停鍵

近日，美國(guó)SpaceX公司總裁馬斯克表示，“今年2底發(fā)射的首批第二代星鏈衛(wèi)星由于使用了很多新技術(shù)，正如大家預(yù)料的那樣，我們遇到了問(wèn)題，一些衛(wèi)星將離軌，其他故障衛(wèi)星將繼續(xù)在軌接受測(cè)試?！蹦敲矗诙擎溞l(wèi)星出現(xiàn)故障的原因是什么呢？

二代星鏈“迷你版”

2月27日，美國(guó)SpaceX公司使用獵鷹9火箭將21顆星鏈G6-1組衛(wèi)星送入太空。相比星鏈G5殼層將1.5版的衛(wèi)星發(fā)射至第二代星鏈衛(wèi)星軌道層的方案，此次發(fā)射使用了全新研制的第二代星鏈“迷你版”衛(wèi)星。

獵鷹 9火箭末子級(jí)攝像機(jī)拍攝的火箭與第二代星鏈“迷你版”衛(wèi)星在太空即將分離的照片。（來(lái)源：SpaceX公司）

由于重達(dá)2噸的完整版第二代星鏈衛(wèi)星需要等待仍在趴窩的“星艦”發(fā)射，SpaceX公司選擇率先使用獵鷹9火箭發(fā)射星鏈2.0“迷你版”衛(wèi)星。

雖然該衛(wèi)星被稱(chēng)為“迷你版”，但這些衛(wèi)星的重量仍然達(dá)到800公斤，是1.5版星鏈衛(wèi)星303公斤重量的兩倍多，所以單次獵鷹9火箭發(fā)射星鏈衛(wèi)星的數(shù)量也從原來(lái)的“一箭52星”減少到“一箭21星”。

另外，該衛(wèi)星的尺寸達(dá)到了4.1米×2.7米，并且配置了兩塊總面積超過(guò)100平方米的太陽(yáng)能電池板。因此，星鏈2.0“迷你版”衛(wèi)星相比1.5版衛(wèi)星擁有更大的功率。衛(wèi)星還配置了使用更先進(jìn)的相控陣天線和E波段通信，其通信速率是1.5版衛(wèi)星的4倍。

得益于巨大的發(fā)電量，星鏈2.0版在推進(jìn)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了革命性突破。SpaceX公司在星鏈G6-1組衛(wèi)星發(fā)射前公布了該衛(wèi)星使用的氬工質(zhì)霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，其推力器功率為4.2kW，是氬工質(zhì)電推進(jìn)系統(tǒng)首次在太空應(yīng)用。

眾所周知，氬氣在空氣中的占比接近1/100，是空氣液化的副產(chǎn)物。相比昂貴的氙和相對(duì)廉價(jià)但仍然不易獲得的氪，氬幾乎是不需要成本的存在。如果氬電推技術(shù)得到普及，電推進(jìn)的成本可以大幅降低，尤其是對(duì)大規(guī)模部署的星座來(lái)說(shuō)，具有很大的成本優(yōu)勢(shì)。

不過(guò)，氬工質(zhì)的廉價(jià)必然有其代價(jià)，氬的電離能較高，使得它難以充分電離，需要很大的功率才能有比較高的電離度，而太大的功率又會(huì)導(dǎo)致航天器散熱加劇，較難取得平衡。

SpaceX公司此次直接在星鏈G6-1組衛(wèi)星上全部使用氬工質(zhì)霍爾推進(jìn)系統(tǒng)，并計(jì)劃繼續(xù)使用在近期將發(fā)射的星鏈G6-2和G6-3兩組“迷你版”衛(wèi)星上，表明該公司對(duì)自研的電推進(jìn)技術(shù)十分自信。

不過(guò)，隨著首批第二代星鏈衛(wèi)星在軌測(cè)試故障的出現(xiàn)，星鏈2.0版衛(wèi)星的組網(wǎng)將被暫停。目前，該公司尚未公布星鏈G6-1組衛(wèi)星故障的原因和星鏈G6-2組新的發(fā)射日期。

創(chuàng)新與風(fēng)險(xiǎn)并存

從SpaceX公司公布的數(shù)據(jù)看，星鏈2.0版使用的氬電推4.2kW的功率是星鏈1.0版衛(wèi)星使用氪工質(zhì)霍爾推進(jìn)器的2倍以上。同時(shí)，星鏈衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池板帶來(lái)的較大發(fā)電量，可以支持衛(wèi)星探索全新的工質(zhì)和技術(shù)，以降低成本，允許使用獵鷹9火箭和“星艦”進(jìn)行大規(guī)模快速組網(wǎng)發(fā)射。

顯然，SpaceX公司對(duì)獵鷹9火箭組網(wǎng)發(fā)射星鏈衛(wèi)星的速度并不滿意，而“星艦”的趴窩導(dǎo)致星鏈2.0版無(wú)法快速部署，因此，該公司才提出了折中的“迷你版”來(lái)使用獵鷹9火箭發(fā)射，以加速組網(wǎng)。同時(shí)，在星鏈G6-1組衛(wèi)星剛發(fā)生故障就準(zhǔn)備發(fā)射后續(xù)的G6-2組和G6-3組衛(wèi)星看，星鏈衛(wèi)星組網(wǎng)的壓力很大，必須加速進(jìn)行。

其實(shí)，SpaceX公司在應(yīng)用新技術(shù)上算是先行者。從星鏈1.0版使用的平板堆疊衛(wèi)星、剪叉太陽(yáng)能電池板和氪電推，到星鏈2.0版使用的氬電推，在逐步壓榨獵鷹9火箭運(yùn)載能力的同時(shí)，衛(wèi)星逐步迭代且質(zhì)量增加，以打造更加低成本，性能更高的衛(wèi)星，而大量使用了新技術(shù)的衛(wèi)星，必然有更高的故障率。

目前，星鏈衛(wèi)星的損失率為7%~10%，大規(guī)模使用低成本商業(yè)元器件和激進(jìn)的創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用，使得星鏈衛(wèi)星在降本增效的同時(shí)，簡(jiǎn)化的系統(tǒng)導(dǎo)致衛(wèi)星損失速度較快。

本次發(fā)射的星鏈G6-1組衛(wèi)星采用了全新的衛(wèi)星平臺(tái)，并且由于電推進(jìn)系統(tǒng)功率較大，整個(gè)衛(wèi)星的總線和電路設(shè)計(jì)很可能全部采用了新的元器件。因此，“迷你版”作為星鏈2.0的首發(fā)試驗(yàn)品，出現(xiàn)故障并不意外，但這也是首次出現(xiàn)一整組衛(wèi)星全部故障的情況，說(shuō)明在衛(wèi)星規(guī)模增加的情況下，在第一代星鏈衛(wèi)星平臺(tái)中得到的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)無(wú)法借鑒，需要進(jìn)一步檢查和測(cè)試，這對(duì)急著進(jìn)行組網(wǎng)的星鏈2.0版來(lái)說(shuō)不是一件好事。

新構(gòu)型要有新思路

星鏈衛(wèi)星使用的堆疊平臺(tái)非?？简?yàn)設(shè)計(jì)，這種激進(jìn)的設(shè)計(jì)導(dǎo)致衛(wèi)星的冗余較少。即便如此，在一批衛(wèi)星全部出現(xiàn)較嚴(yán)重故障的情況下，星鏈G6-1組的21顆衛(wèi)星仍然全部實(shí)現(xiàn)了受控，展現(xiàn)出星鏈衛(wèi)星平臺(tái)極高的可靠性。

相比傳統(tǒng)衛(wèi)星建造周期較長(zhǎng)，采用半手工生產(chǎn)，星鏈衛(wèi)星大量使用商業(yè)元器件，價(jià)格低廉，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線批產(chǎn)，能允許星座有較大規(guī)模的損失?？紤]到SpaceX公司準(zhǔn)備了多個(gè)批次的星鏈2.0“迷你版”衛(wèi)星，本次發(fā)射的星鏈G6-1組衛(wèi)星平臺(tái)很可能為加速發(fā)射而簡(jiǎn)化了地面測(cè)試，采用實(shí)際在軌測(cè)試來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，目的就是為了加速組網(wǎng)。

由于星鏈G6-1組的21顆衛(wèi)星全部出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致星鏈2.0“迷你版”衛(wèi)星的組網(wǎng)速度減緩。如今，運(yùn)載能力更強(qiáng)的“星艦”即將首飛，或許更多完整版的星鏈2.0版會(huì)使用它來(lái)發(fā)射。相反，使用獵鷹9火箭發(fā)射星鏈2.0“迷你版”衛(wèi)星的數(shù)量會(huì)減少。

此外，星鏈衛(wèi)星采用大批次商業(yè)化生產(chǎn)方式，使用極其激進(jìn)的新技術(shù)和組網(wǎng)管理方式，創(chuàng)建了世界上獨(dú)樹(shù)一幟的低軌道星座部署和管理案例。

雖然SpaceX公司的激進(jìn)方案帶來(lái)了過(guò)去完全難以想象的衛(wèi)星損失率，但星鏈衛(wèi)星的高收納效率、廉價(jià)和高效能，可以支持進(jìn)行大規(guī)模發(fā)射和試驗(yàn)。同時(shí)，低廉的研制和生產(chǎn)成本也允許星鏈衛(wèi)星“試錯(cuò)”。

總之，星鏈衛(wèi)星的廉價(jià)決定了對(duì)故障衛(wèi)星進(jìn)行離軌處置和進(jìn)一步測(cè)試，對(duì)SpaceX公司來(lái)說(shuō)是可以接受的，但一定時(shí)間的故障排查也表明快速組網(wǎng)不是盲目蠻干的行為，而是遵循科學(xué)規(guī)律的取舍。（作者：張晨）