评论|SpaceX采用Ar工质霍尔推力器,震惊之余,我们应该兴奋,也应该多些思考

本来不太愿意写这篇文章,但是太多人因为这个事来向我咨询,所以干脆补充一下吧。
感谢LM-51D-YZ4D2在本文写作中提供的数据信息!
我们跳出电推进,说点其他的。因为盯着电推进,是看不出个所以然的。
2019年第一批星链卫星上天前,电推进特别是霍尔推力器的小型化、在轨应用和商业化吸引了大量的眼球,其实在这之前,2017年年底,我就去做了一些电推进商业化的事,虽然最终没能成功,但与商业航天结下了不解之缘,遂一直关注着商业航天尤其是电推进商业化的发展。星链第一批卫星上天并放出图片后,我请教过几位前辈,关于这些讨论可以参考2019年总结:商业航天星座动力选择分析 ,目前来看,之前关于功率、推力的猜测是错误的,但是其中关于其太阳能帆板的面积估算是接近的,当然估计是36m²。这么大的面积,即使采用了低效率的民用产品(价格也低),功率也是非常充足的,这为他们1.5-2kW级别的Kr工质霍尔推力器提供了优异的功率条件。
但是再想想,为什么他们能提供这么大的功率呢?他们为什么需要这么大的功率呢?基于什么约束条件提出了这个想法?
我们来反推一下,看看能否接近一个看起来像那么回事的“事实”。
按照以往的卫星设计思路,功率与质量的关系大概1 kg提供1-3W的功率(几年前请教体制内某位前辈的数据),如果是250kg左右的卫星,最多提供750W。这个传统设计思路下的功率上限,扣除卫星自身用的一些功率,以及采用电推升轨时不必要的功率消耗,提供500W左右的功率给霍尔推力器是可行的,基于这样的思路,以及各种传闻,我们完全忽视了Starlink卫星巨大的太阳能帆板,认为他们可能采用了400-500W左右的Kr工质霍尔推力器。
这个猜测,甚至有点违背当时的认知,我们都知道这个功率下,Kr的性能非常差,因为即使是Xe的性能也不过尔尔。可能我们都盲目地信任马斯克了。还有就是Oneweb确实采用了SPT-50M这种小功率的霍尔推力器,导致了一个错到离谱的猜测结果。
现在我们知道了一个大致的答案,可以回到一个比较准确的思路上来:
因为Kr在这个功率下表现太差,Xe又奇贵无比,SpaceX必须把这个很可能导致星链计划失败的隐患解决掉。要想Kr实现比较好的性能,提高功率,增大推力器的尺寸,是当时可行的解决方案,且业界包括国内,都有非常系统的研究,可以说距离商用已经很近,就看敢不敢用。
接着问题来了,如何提供这么大的功率?采用大面积的太阳能帆板。
可能基于这个前提,以及对于通信天线布局、星箭分离等的一些思考,他们开始了新的卫星构型设计。
在这个巨大的太阳能帆板上,他们甚至还采用民用级别的低效率产品,非常任性。
他们为什么敢这样做呢?他们申请了那么多的卫星,是有时间节点限制的,达不到数量要求是要被砍的。因为他们有运力非常充足的Faclon 9。即使采用一级回收的方案,他们的近地轨道(210-330km)运力依然能达到大约18t。我们国家最大的火箭长征五号,近地轨道的运力25-32t,但这是不可回收时的运力。近地轨道18t的运力,是非常充足的运力。他们通过逐渐成熟的可回收的方案,逐渐提高了火箭的发射频次,在这样的前提下,满足了时间节点的要求。
一箭60星,这是他们在新卫星构型下给出的答案。SpaceX不仅采用了新设计的卫星,卫星分离机构(适配器)也做了适应性的更改。卫星设计成平板结构,可以堆叠,提高空间利用率,再通过抛洒式的分离方式,减轻了适配器的质量。
每颗星重量227-303kg(逐渐迭代,质量逐渐上升),取V1.0版本的质量260kg,60颗星总重15.6t,加上新设计的适配器,他们做到了对Falcon 9运力的极限运用。
他们有如此充足的运力,高频率的发射,为他们设计大功率的小卫星提供了运力保障,大功率的小卫星为Kr工质的利用提供了功率保障,这些设计又倒逼他们改进卫星构型,卫星构型又要求新的布局方式和分离方式,然后我们看见了Kr工质霍尔推力器的大规模应用。
甚至还有一个可能,值得我们关注。他们当时刚开始采用的Kr工质霍尔推力器,不一定有多么高的性能(不过他们最近给的数据说Ar霍尔推力器有2500s的比冲,是Kr霍尔的1.5倍,极Kr霍尔推力器的比冲约1666s,性能不低),而且基于以上思路采用Kr霍尔推力器,其实也不需要特别高的性能。如果效率比优化后的低5%甚至10%,他们甚至可以通过充足的火箭运力来弥补这个性能差距——直接携带更多的燃料。之后,再逐渐优化推力器的性能。这个思路,同样可以用在Ar霍尔推力器。但是,他们给出的数据来看,好像是一步到位,很可能他们在决定采用Kr工质的时候,就已经开始了Ar工质霍尔推力器的研发!这是非常可怕的技术路线规划方案。
单纯的就Kr霍尔推力器技术而言,其实在当时大家都有,且性能参数上我们也不差,可能可靠性以及长寿命方面我们目前还有所不及。但是这种思维以及大胆地尝试,是我们目前所不及的。我们甚至被困于如何解决小功率下Kr霍尔推力器的性能。想起一个笑话:某型号武器美国提了一下,结果我们先做出来了。也许我们真的把小功率Kr工质霍尔推力器的性能提上去了,这固然是好事,但是好像我们也在某种程度上落后了。可能有人会说,我们技术上突破了,他们从工程应用角度突破了,我们其实更厉害。其实不然,这个其实没有定论,因为他们都没采用这条技术路线。这是技术路线之争,对于商业公司而言,他们的道路是当时的最优解。
这次,他们甚至更进一步,采用了更难电离的Ar,不难分析,他们采用了同样的思路:增大卫星尺寸,提高卫星功率(有人分析这次太阳能帆板甚至再次增加4倍),采用更大尺寸和功率的霍尔推力器,为Ar的使用提供足够的物质条件。如果他们的巨型火箭——星舰——获得成功,那么他们将再次解放运力,鬼知道他们下次会采样什么样的技术惊艳世人。而且,即使星舰暂时失败,Falcon Heavy改型应该也能满足一定的高运力要求(整流罩的空间太小了,难以做到特别大,更适合打高轨道)。可能有人会说Ar的储存密度在同等压力下是Xe的1/8,但是按照我师弟意思说可以通过加厚储罐的厚度来提高压力。我这里认为,他们甚至可以给出更粗暴的方案:超级运力的星舰解决一切。
如果说上次采用Kr工质,我们还能说我们其实也有研究,技术上并不落后太多,但是这次不论是技术上还是在轨应用上,我们是被全方位碾压了(其他国家甚至包括美国自己的其他单位、公司一样)。据我所知,我没有看到过关于Ar工质霍尔推力器非常系统性的研究,这个结论同样适用于SpaceX之外的单位和公司。
可能有人要问,那么我们技术上会落后多少年呢?我的估计是2年左右,就看我们敢不敢用了。
这个2年的差距,我们暂时不追求非常光鲜靓丽的数据。毕竟虽然SpaceX给出的数据非常华丽,但是并不能保证他们上天应用时会非常顺利。
话说回来,对于SpaceX采用Ar工质的霍尔推力器,我们没必要气馁,震惊之余,实际上我们更应该兴奋:原来还可以这样玩,我们应该奋起直追。
兴奋的同时,我们不免也要问问自己:Kr被他们抢占了先机,Ar工质的为什么不是我们?
具有前瞻性的战略科学家、企业家,很重要!另外,不仅要勇于技术创新,应用方面也要足够大胆,留着不用,与点歪了科技树何异?
大家都说马斯克喜欢用第一性原理做事,我的理解是:
只要这个技术理论上行得通,管他成不成熟。所谓不成熟就是因为用得少,用得多,就成熟了。当然,这是需要付出代价的。