太空拖車
——低軌星座在軌服務的創新需求

+Space Journal

創新需求

2019年10月8日，小衛星發射服務解決方案商SPACEFLIGHT總工程師菲利普·布拉肯（PhilipBracken）在參加2019衛星創新會議時表示，當前市場除了立方星外，人們越來越關注“更大的微小衛星”，比如說150公斤上下的微小衛星。在目標軌道方面，LEO和GEO仍然很受歡迎，同時月球軌道也成為一個有趣的市場，“我們看到小型和大型運載火箭都開始迎合這一需求”。他補充說，隨著NASA和世界各地的政府機構準備月球任務，需求正在增長。

在這里補充解釋一下月球軌道需求。隨著各國在月球建設近月軌道空間站以及登月和建設永久基地的計劃，將會有大量的對月飛行器被發射，同時不僅僅是發射，還會衍生出一種新的需求，那就是近月的商業支持飛行器，比如說偵察登陸地點并提供通信。

言歸正傳，布拉肯還點出了一個創新需求推動的研究——將小型通信衛星運送到GEO軌道。小型運載火箭設計上能夠將1000公斤的載荷送到非常接近GEO軌道的位置，此后由軌道間移動飛行器完成最后一公里的運輸，將小型通信衛星送入GEO軌道。

軌道間移動飛行器能夠提供的Shuttle服務包括：

●軌道提升；

●低軌星座部署；

●SSO軌道平面調整；

●脫離軌道。

商業實踐

硅谷初創公司動量（Momentus）正在研制的軌道間移動飛行器采用水等離子體推進，并在今年7月完成在軌試驗，工程師把在軌測試的結果與地面測試的結果進行比較，以驗證公司的模型和分析。

2019年7月5日，16U的Momentus X1（El Camino Real）小衛星搭乘俄羅斯聯盟號火箭與數十顆小型衛星以及俄羅斯的Meteor M2-2氣象衛星一起升空，開展第一次演示任務。實驗內容包括：將其高性能X波段（10 GHz）微波電熱推進器與足夠的水推進劑一起飛行，并足夠長時間運行推進器，以充分表征其在空間中的性能，進行數十次重新啟動，然后安全地離開飛行軌道。

動量公司CEO Mikhail Kokorich9月25日對媒體表示，在軌測試首次證明了微波電熱等離子體技術具有利用水推進實現高比沖的潛力，水等離子體推進技術現在已經足夠成熟，可以作為空間運輸任務的基礎。”動量的目標是將運輸成本降低10倍。

動量公司的Momentus X1還有一個更重要的任務，就是展示推進技術，加強客戶、投資者信心。

2019年7月17日，動量公司宣布A系列融資中籌集了2550萬美元。

此前，在2018年11月14日，動量公司獲得了830萬美元的種子資金，由PrimeMoversLab領投，Liquid 2 Ventures,One Way Ventures,Mountain Nazca and Y Combinator參加了投資。

2019年9月11日，小運載創企相對論公司與動量公司簽署了一項發射服務協議，為動量公司提供在空間軌道間移動衛星的發射服務。相對論將使用他們的3D打印Terran 1火箭在2021年前完成發射，此外還有五次發射的可選項。

動量公司的VIGORIDE軌道間移動飛行器，能夠移動最高250公斤的低軌衛星，主要目標是完成在軌實驗，2019年8月，動量公司與NanoRack簽署了合作協議，擬利用NanoRack新的Bishop 氣閘模塊從國際空間站釋放VIGORIDE。

Bishop氣閘模塊為將比Cubesat更大一些的衛星從空間站釋放而設計，波音公司承擔Bishop的研發、生產和安裝，泰雷茲·阿萊尼亞公司負責研制生產氣閘壓力外殼、微流星體和空間碎片防護盾以及各種結構部件，整個氣閘體積為日本Kibo氣閘的5倍，計劃2020年搭乘SpaceX的21號空間補給任務升空。

VIGORIDE是動量公司的演示任務，同時動量也希望通過VIGORIDE創造他們的第一筆收入。

Momentus X1

動量公司的水離子推進系統

動量公司的第二顆VIGORIDE EXTENDED軌道間移動飛行器，預估造價480萬美元，計劃將200-400公斤的衛星，從低軌移動到GEO軌道和月球軌道。筆者猜測，動量公司和相對論公司簽署的商業發射合同，就是為這顆飛行器提供發射的，那么我們可以初步判定，VIGORIDE EXTENDED計劃于2021年升空。

動量公司的ARDORIDE軌道間移動飛行器，可移動最高2000公斤的衛星，服務軌道位置為高軌和月球軌道。

動量公司稱，他們將提供全球最便宜的“拖車”服務，將一個6U的立方星從低軌拖到高軌，只需要200萬美元。

技術可行性

動量公司的水推進系統比沖能夠達到化學推進劑的幾倍，而推進劑的消耗只有化學推進劑的幾分之一，采用的是微波加熱直接等離子化，稱為“等離子體推進技術”

VIGORIDE

VIGORIDE EXTENDED

第二種方式是“電阻加熱推進技術”。其本質是化學推進，采用微型氫氧發動機，水只是電解制氫和制氧的原料。

Tethers Unlimited 公司的HYDROS Propulsion System是這種技術的代表。該公司制造的2U HYDROS-C模塊用于立方星和微納衛星，HYDROS-M模塊用于50-180公斤的微小衛星。

日本東京大學制造了Aqua推進器演示器（AQT-D cubesat），今年9月前往國際空間站日本艙段完成電阻加熱推進系統的演示。

第三種方式是“氫電弧加熱推進”（Arcjet），采水電解后的氣體用來做電推進。

ARDORIDE

HYDROS-M

HYDROS-C

FEMTA

水推進劑的創新應用也比較多，在這里我們稍微列舉一下。

世界各地的大學也在開發新的基于水的推進系統，美國宇航局在2018年批給普渡大學（Purdue University）資金，用于在2021年藍色起源公司的新謝爾潑德亞軌道火箭上發射一種微型水動力推進器FEMTA。它將被放置在火箭外部以完成真空和微重力測試。FEMTA是一種在硅片上批量生產的微型推進器，直徑為1厘米、厚度0.3毫米。它消耗的電力不足1瓦特，并提供推力，任務人員可以調整到幾十微米的水平，大約一根睫毛的重量，以便對小型衛星或大型可展開結構進行精確的姿態控制。

后記

動量公司的這一方案引人入勝，輕松完成了融資。作者竊以為商業航天存在的最大價值在于創新，創新的技術、創新的產品、創新的商業服務模式。縱觀國外取得成功和階段性進展的商業航天企業，都有其獨特性和創新點。

有億萬富翁老板或家里有礦的企業就玩點大的，甚至從一開始就將盈利日期放在將來，比如運載企業藍色起源和OneWeb。家里沒礦的企業就搞點低成本的。但是無一例外，他們都有著創新點，比如小運載企業相對論、火箭實驗室都在做3D打印的創新，微小衛星星座創企SpaceBEE在將衛星極致化的縮小。

如動量這種硅谷創企更是將眼光放在了在軌服務市場上，他們的創想使在軌服務市場更加豐富，不管他們將來成為先驅還是先烈，都值得致敬。SATNET