要为真理而斗争，欢迎回到2049。今天再讲一个和航天有关的小故事。说起我们国家的航天事业，给人的感觉就是每一次航天发射都是圆满成功，这当然是不可能的，事实上，我们也有很多不那么圆满的航天发射。经常发射卫星的老板对这样的场景应该都不陌生，火箭一起飞，指挥大厅掌声雷动，等到火箭把卫星送入预定轨道，再一次掌声雷动。在我们外人看来，这次发射就算是大功告成了，接下来就是酒的问题了——晚上庆功宴是喝茅台还是喝五粮液。其实任务进展到这里，还远远没有结束，下次再看卫星发射你可以注意一下，不管指挥大厅里怎么欢呼怎么鼓掌，总有一群人是相对淡定的，他们也鼓掌，但从他们的脸上确实看不到如释重负的表情，甚至还表现得神色凝重、忧心忡忡，这群人当然不是麻木不仁，更不是打入我国航天机构的特务分子或是什么境外势力，真正的原因是，他们是负责卫星研发的工程师。我们先来提高一下知识水平。发射一个卫星，简单说拢共分两步，第一步是先用火箭把卫星送到一个转移轨道，第二步是卫星利用自己的推进系统调整到最终轨道，摆正位置之后才能正式开展工作。而我国航天是一项分工特别明确的系统工程，搞火箭的就是搞火箭的，搞卫星的就是搞卫星的，这是两个独立的组织。所以等到卫星成功进入转移轨道，搞火箭的那批人就算是完成任务了，而卫星从转移轨道进入到最终轨道，这个阶段能不能成功，那就是搞卫星的责任了，你让人家怎么又蹦又跳？更要命的是，就算卫星成功进入最终轨道，也不能保证它就不出故障，如果出了问题，派人上去修也不现实，这还不如重新发射一颗，基本就沦为了太空垃圾。所以严格地讲，搞卫星的要想喝上庆功酒，那就要等到卫星寿命正常结束、完整地完成自己的使命之后，确实非常不容易。当然了不管是火箭发射还是后续卫星的自我奋斗，成功了，我们欢欣鼓舞，如果遇到问题也不要慌，很多时候只要问题不是特别大，也是可以挽救一下的，比如说咱们国家在2017年就成功地挽救了一次航天任务。2017年，中国航天连着出现了两次重大失利，先是在6月份，通信卫星“中星9A”由长征三号乙运载火箭发射升空，结果火箭出问题了，把卫星扔半道就不管了，你要知道，它扔的可不是一个卫星，那是整整10亿人民币。没过几天在7月2号，“实践十八号”卫星由长征五号遥二火箭发射升空，这下搞的更大，火箭直接把卫星射大海里了。这个打击是非常大的，因为实践十八号是一颗试验卫星，它承载着我国航天大量的最新技术，结果新技术还没得到验证就掉海里。中星9A其实中国的舆论环境向来比较刻薄，要么捧得高高在上，如果失败，直接贬得一无是处，但唯独对航天事业，中国社会一直表现得都非常宽容，为什么会这样？我觉得可能是因为航天事业太高大上了，老百姓也不懂，再就是除了一些特别重大的航天任务，大家也很少关心，你发个卫星什么的，社会上根本就不知道。你可以想想，如果是重大任务失败了，舆论还会一如既往地淡定么？估计是要倒查航天事业二十年了。还有一个原因我想也很关键，就是外国也有特别是美国也有，而且搞得更大，什么挑战者号哥伦比亚号阿波罗一号，都老惨了，还有马斯克的星舰一通爆炸，在电视上得到了循环播放。但是宽容归宽容，对于负责航天任务的航天人来讲，他们自己是非常难受的，辛辛苦苦好几年，好不容易等来发射的这一天，结果搞砸了，这种失落可以想象。好了言归正传，我们再说回中星9A，任务失败了，失落是在所难免的，但是很快航天人就重新振作起来，他们要给卫星续命。中星9A的目的地是位于赤道上空的地球静止轨道，高度36000km，那么按照卫星发射的基本法，火箭先是把卫星送到转移轨道，这个转移轨道是一个椭圆，然后卫星就开始疯狂绕圈，每次到了近地点，卫星就给自己整一把轨道机动，再加上地球引力的加持，多搞几次之后，卫星就被甩到了静止轨道附近，然后卫星继续不断地机动进行微调，最后就进入到圆形的静止轨道。按照原计划，中星9A的转移轨道，是一个近地点距离地球200km左右、远地点距离地球36000km的椭圆轨道，但是因为火箭出问题了，中星9A被扔在了半路，这个时候它虽然也处在一个椭圆轨道上，但是远地点的高度只有16000km。地球静止轨道怎么办？第一个选择就是彻底放弃，宣告任务失败，该检讨就检讨，该处分就处分。第二个选择就是接受现实，16000就16000，哥们从16000爬到36000。你要知道中国人民从来都是不信邪的，那就干。于是中星9A就启动了自己的推进系统，还是老套路，到了近地点就搞一次机动，就这样轨道高度不断地提升，最后经过整整17天的自我奋斗，中星9A一步一个脚印终于把自己送入预定轨道。当这一消息传回地球，舆论也是引起了不小的反响，这真是厉害了我的国，同时中星9A也给自己赢得一个名号——星坚强。但其实星坚强并没有我们预想中的那么坚强，它这一次成功变轨，是以自己的寿命为代价的，中星9A原本的设计寿命是15年，在卫星里这算是长寿卫星了，但是折腾这么一番之后，它最多只能为祖国和人民健康工作5年，它失去的十年寿命给了谁？给了物理学。我们知道卫星在太空里运动，其实不需要它自己使劲，理想状态下，它会按照所在的轨道一直运行下去。但是太空还达不到这种理想的状态，就说中星9A，它所在的地球静止轨道，这里还存在着稀薄的大气层，还有月球的引力作用，再就是地球的形状也不是一个完美的球，所以运行一段时间之后，中星9A就会偏离静止轨道，进入到一个同步轨道。你可能会想这也无所谓，反正都是在天上，但问题是，中星9A是一颗电视广播直播卫星，如果轨道发生变动，地面上的天线就会对不准，对不准就导致信号不稳定，信号哪怕不稳定几分钟，中国男足和日本男足的比赛，你就会错过两个进球。于是为了避免这个问题，卫星在运行的过程中，就会定期对自己的位置进行一个微调，微调是要用力的，这个力就来自卫星自己的推进系统。所以卫星发射之前，工程师都会根据卫星的设计寿命，计算好需要携带多少推进剂，少了肯定不行，多了也不行，因为这会增加卫星的重量，从而增加发射成本。一般来讲，推进剂都会稍微稍微多加一些，以备不时之需，也就是说，如果一切正常，当卫星寿命结束的时候，它的推进剂基本也用得差不多了。但是因为火箭没有把中星9A送入预定的转移轨道，无奈之下，它只好大量消耗推进剂来给自己提升轨道，而这些推进剂本来是用作轨道保持的。所以最后的结果就是，中星9A的各个元器件本来还有挺长的寿命，但是因为推进剂没有了，轨道保持不了了，卫星也就无法继续工作了。事实证明，中星9A连5年都没有续上，2021年2月份，它就坚持不下去了，只工作了3年半。所以严格地讲，中星9A进入预定轨道，其实并不是一次完美的逆袭，不过结合当时的背景，在中国航天接连两次发射失败之后，这次相对成功的补救也算是不幸中的万幸了，也为日后的卫星发射提供了宝贵的经验教训，当然经验也有可能来自外部。这就要讲到美国版的星坚强。2010年，美国搞了一个军事通信卫星，名字叫先进极高频通信卫星，什么意思你也不用了解，因为我也不清楚，据说这个卫星非常牛X，美军计划是发射6颗，结果发射第一颗的时候就出问题了。2010年3月26日，先进极高频通信卫星1号由阿特拉斯-5型火箭发射升空。这次发射，阿特拉斯火箭表现得非常好，成功把卫星送入到转移轨道，接下来就是老套路了，先进1号要通过自我奋斗，把自己调整到预定轨道也就是静止轨道上。但是就在火箭研发团队疯狂庆祝的时候，卫星团队突然发现完了大事不妙了，卫星的主引擎出问题了，这个引擎可以提供100磅的推力，把卫星从转移轨道推进到静止轨道，主要就是靠它，但是这个引擎运行了一会儿之后就自动关闭了。这个时候，项目总指挥戴夫还是比较淡定的，因为这种小问题司空见惯，一般的处理办法就是重新开机，结果重启大法不好使了，启动之后又自动关机了。先进极高频通信卫星这下戴夫就意识到麻烦大了，先进1号造价高达17亿美元，号称可以抵挡核弹的攻击，如果因为轨道问题打水漂了，实在是死得太窝囊了。怎么办？首先就得找原因。很快工程师们就找到了问题出在哪里，原来推进器的管道里有一小块布料，把管道给堵住了。这种情况就绝对不能再启动了，搞不好一言不合直接给你炸了。好在先进1号除了主引擎，另外还有两组引擎，一组是小推力的肼推进引擎，另一组是更小推力的霍尔推进引擎。虽然两组引擎的推力都比较小，但是和中星9A相比，先进1号还是非常幸运的，毕竟火箭把它中规中矩地送到了转移轨道，不用像中星9A那样从16000km爬升到36000km，也就是说先进1号不用耗费太多的推进剂，靠着两组小引擎慢慢磨，就可以进入预定轨道，这样卫星的寿命就不会因为推进剂的浪费而受到太大影响。这里就有个问题了，就这么一个卫星，美国人为什么要搞三组引擎呢？难道他们早有预见主引擎会出问题？道理其实很简单，主引擎推力大，但是精度差一些，而另外两个小引擎，虽然推力小，但是精度非常高，这样就可以满足不同的情况。一般来讲如果卫星偏离了轨道，都是先用主引擎猛推一把，然后再用小的慢慢微调。不过这一次，两组小引擎就不能只干轨道保持的活儿了，它们要承担起更重的任务，就是代替主引擎，把卫星送入预定轨道。那么两组小引擎到底用哪一个呢，还是说两个都用？最后科研团队决定，只使用霍尔推进引擎。这个选择当然是有道理的，我来给你分析一下。传统的引擎，工作原理非常简单，就是通过燃烧剂和氧化剂发生化学反应，或者说就是通过燃烧产生高温气体，然后膨胀的气体从喷嘴高速喷出去，产生的反作用力就可以推进航天器的运动。肼就是一种非常好的燃烧剂，所以很多卫星的引擎都是用肼做推进剂。霍尔推进器的基本原理也是一样的，但是具体的套路完全不同。它是用电子流轰击推进剂，把推进剂离子化，也就是把推进剂原子中的电子给赶走，剩下的就是带正电的正离子，然后再用强大的静电场对正离子进行加速，并集中成一个粒子束，最后从引擎的喷口高速喷出。这些离子的速度可以达到每秒30千米，而化学能引擎喷出的气体，速度最快也就是每秒10多千米。也就是说相比于化学能引擎，霍尔引擎的能量转化效率是非常高的。霍尔引擎还有一个不算优点的小优点，就是效果特别帅，好像你家的燃气灶。霍尔推进器那你说霍尔引擎的效率这么高，咱们为什么不淘汰掉所有的化学能引擎，全部换成充满科幻感的霍尔引擎呢？这是因为它的效率虽高，但是推力却太小了，发展到现在，霍尔引擎产生的推力，差不多就是一张纸放在你手上施加的压力，这么小的力道，别说发射火箭了，哪怕是卫星想要快速变轨，也是做不到的。但是小怎么了，小照样可以满足你，快速变轨虽然做不到，一寸一寸地往前拱还是没问题的。最后先进1号的技术团队决定，不启动卫星的肼推进引擎，就用霍尔引擎，目的就是尽可能地减少燃料的消耗，不影响卫星的使用寿命。当然确实非常费劲，计算发现，使用霍尔引擎至少要进行450次变轨，耗时长达14个月，这这要比原计划3个月进入预定轨道长了11个月，好处就是，燃料消耗微乎其微，卫星的设计寿命是14年，折腾这么一番之后，还能续上14年。妥了说干就干，不过计划实施起来，还是没有预想中的那么简单。首先，这个霍尔引擎本来的任务，就是在卫星每次调整位置后，它搞一搞微调，根本没想过让它负这么大责任，而且这是14个月的高负荷运转，引擎能不能顶得住这是未知的。这个问题确实没有办法，只能走一步看一步了，如果霍尔引擎续不动了，那就只好启用肼推进引擎。第二个问题是，先进1号要在不属于它的轨道上待14个月，这就意味着，它会占用上百颗其他卫星的轨道，搞不好就会发生太空交通事故，到时候损失的就不是先进1号一颗卫星了。对于这个问题，一方面工程师要精确计算，掌握好变轨的时机和力度，尽量避开其他卫星，另一方面就需要美国军方和NASA出面了，去协调其他卫星，毕竟这些卫星也有推进系统，情况危急的时候也可以机动躲避，反正就是互相躲吧。还有一个大问题，先进1号本来是在地球静止轨道工作，也就是说它相对地球是静止的，对于卫星来讲，它是每天12个小时白昼、12个小时黑夜，所以卫星的元器件和设备在设计的时候，根本没有考虑过太阳长时间照射的情况。但是现在不行了，在长达14个月的长途跋涉中，卫星所在的轨道会让卫星的某一面很长时间对着太阳，搞不好就给烤糊了。为了解决这个问题，在这14个月里，工程师就一刻也不能放松，必须实时观察卫星的状态，时不时地就让卫星翻个面，所以这个霍尔引擎不仅要负责变轨，还要负责调整卫星姿态。最后还有一个大问题，按照原计划，先进1号是在进入最终轨道之后，才会打开太阳能帆板，但是现在为了操作卫星进行14个月的变轨，先进1号不得不提前进入工作状态，在进入静止轨道之前就把太阳能板给展开。问题就在这里，因为在变轨的过程中，卫星要穿过充满辐射的范艾伦辐射带，高能粒子的冲击极有可能损坏太阳能板。这个问题就是无解了，有人说在变轨过程中，穿越范艾伦辐射带时，可以暂时把太阳能板收起来，等到穿出去再展开，穿进去再收起来，穿出去再展开。要是能这么干就好了，问题就是做不到，因为太阳能板在收起状态下，固定它的是爆炸螺栓，这个爆炸螺栓和普通螺栓其实没什么两样，但它中间藏有炸药，在需要的时候引爆炸药，螺栓就被炸断，螺栓一断，太阳能电池板之间的扭簧就会弹开，然后太阳能板就展开了。其实这个爆炸螺栓有时候也不是很可靠，像是在2006年，我国发射了“鑫诺二号”通信卫星，发射、入轨各个环节都没出一点问题，结果万万没想到，爆炸螺栓没弹开，结果就是卫星完全无法工作，20多亿人民币打了水漂。更要命的是，鑫诺二号的失败，严重影响了我国航天发射和卫星制造在国际市场上的声誉，有人说，这次损失高达1000亿。再看先进1号，它的太阳能板倒是正常打开了，但是一经打开，再就收不回去了，它必须直面范艾伦辐射带的严峻考验，技术团队当然很不放心，他们还想更进一步地详细论证，但是美国军方和卫星的生产商洛克希德·马丁公司都等不起了，因为后面还有五颗卫星，如果第一颗的问题迟迟不解决，整个任务就会一拖再拖，这让美国军方颜面何存，洛克希德·马丁公司还着急要工程款呢。那就没有任何办法了，只能听天由命干就完了。好在先进1号确实非常坚强，整个变轨计划顺利实施，2011年10月份，卫星成功进入静止轨道，在通过了一系列测试后，很快就正式投入工作。虽然说是有惊无险吧，但毕竟卫星出了问题，所以美国军方还是给洛克希德·马丁公司开出了一张1500万美元的罚单。但是有罚也有奖，2012年，先进1号的营救团队赢得了2012年的年度桂冠奖，这也是美国航空航天界的最高奖项。而到2020年，该系统的最后一颗卫星先进6号也成功升空、入轨。总结一下，放卫星并不总是成功，很多时候也会失败，但是在失败中也有很多精彩的逆袭，而每一次成功逆袭的背后，都有着无数航天工作者们不眠不休奋战的身影，同时这些逆袭也成为了宝贵的经验。如果每次放卫星都失败，失败了也一脸无所谓，不总结经验教训，甚至当做不存在，下次放再失败，次次放次次失败，仿佛把卫星放出去那就是目的，那我看这个部门也没有存在的必要了。
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