一個屁都不如的推力，卻能把星鏈衛(wèi)星加速到30000公里每小時

離子推進器是什么樣的呢？是火箭引擎的這種嗎？是太空電影里面這種噴氣調(diào)整姿態(tài)的這種嗎？都不是，離子推進器的推進力非常非常非常小，小到什么程度，比如說人放屁是有推進力的，只不過推進力很小幾乎可以忽略不計，但是比一個屁還要小幾十、幾百倍的力這種微乎其微的推進力，正是星鏈衛(wèi)星的氪離子推進器「krypton ion thruster」產(chǎn)生的推進力，有不少地區(qū)已經(jīng)開通了商用星鏈計劃，其全貌正在一步一步的展開我認為Elon Musk的星鏈計劃，是改變世界的一個壯舉，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)要實現(xiàn)的是天基互聯(lián)拋開國家和政治因素，單從技術(shù)上來講，星鏈計劃的愿景是非常宏大的，所有人類都將會是直接或者是間接的獲益者，我們很有幸生活在技術(shù)爆炸的年代，可以見證很多人類發(fā)展史上的奇跡。

星鏈衛(wèi)星采用的推進器是離子推進器跟現(xiàn)在的火箭引擎利用到燃燒的化學反應(yīng)產(chǎn)生的能量有很大的差異最大的差異，就是推進力了化學火箭引擎利用燃料類似于爆燃的狀態(tài)產(chǎn)生的氣體噴射，產(chǎn)生出非常龐大的推進力來突破地球的引力，雖然說產(chǎn)生的推力很大，但是單從效率上來講是非常低的兩噸重的火箭其中運載衛(wèi)星的重量，可能才占據(jù)很小的比例，反而燃料或者說推進劑重量占到了絕大多數(shù)的質(zhì)量，也就是說一枚兩噸重的火箭為了把幾十公斤上百公斤的運載物品送上太空，可能一噸多的重量都是推進劑，已經(jīng)都21世紀了，現(xiàn)在的火箭推進技術(shù)幾乎跟幾十年前沒有區(qū)別，非常的原始計算機科學的發(fā)展已經(jīng)到了用顯微鏡才能看清的尺度上通過光刻把晶體管能雕成一座城市一樣復(fù)雜，人類對于外太空的探索在科技樹上依然沒有太長足的發(fā)展，現(xiàn)在的火箭推進技術(shù)從原理上來講 跟我們小時候玩的竄天猴沒有任何區(qū)別，實在是非常原始但是沒辦法，除了用這種近似爆炸的化學燃料爆燃產(chǎn)生的氣體推進之外，人類暫時還沒有掌握其他方式能夠產(chǎn)生那么大的推進力，現(xiàn)在宇宙電梯技術(shù)還遠遠沒辦法實現(xiàn)，只能依靠暴力原始的方式來完成人類向外太空擴張的第一步。

但是進入太空環(huán)境就不再需要考慮引力，所以離子推進器的思路完全跟化學火箭推進引擎是相反的，相比短時間內(nèi)能提供大量的推進力突破引力限制的火箭，引擎離子推進器需要考慮的是怎么樣幾個月甚至幾年連續(xù)的提供推進力，不需要爆發(fā)性那么強，而且真空環(huán)境下不存在空氣阻力，加速反而可以通過慢慢疊加來實現(xiàn)，所以離子推進器是目前為止人類掌握的最行之有效的太空環(huán)境下的推進器。剛好滿足了近地軌道衛(wèi)星對于推進器的需求，離子推進器的工作原理很簡單，通過電離推進劑，然后通過電場力噴射離子，實現(xiàn)細水長流的推進效果所以也叫做電推原理上來講其實依然遵循牛頓的第三定律，如果你想獲得推進力就要往相反的方向扔東西，化學火箭靠的是噴射爆燃產(chǎn)生的氣體，離子推進器噴射的是電離推進劑，比如說氙和氪之后產(chǎn)生的離子風，雖然說提供的推進力不大，但是每一個離子噴出的速度可以達到每秒接近100公里，同樣都是遵循牛頓的第三定律，通過反向噴射來獲取推進力，但是化學火箭噴射的氣體的速度只有幾公里，每秒推力雖然說很大，但是效率不高，噴個幾分鐘推進劑就噴光了，所以只適合飛行器突破地心引力離開地球的重力場，一旦進入外太空環(huán)境離子推進器雖然說

推力非常小，但是通過速度疊加，幾天幾個月甚至幾年的時間能加速到非常可觀的速度，離子推進器也是需要推進劑的，只不過把這些推進劑電離在分子原子的尺度上，把彈射離子出去的反作用力當做推進力，并且噴射的速度極快，推進劑的消耗和獲得的速度的比率，也就是說效率就相當高了幾公斤的推進劑可以讓離子推進器連續(xù)工作幾千小時，通過緩慢的速度疊加往往能讓航空器飛行超過化學火箭推進器幾萬倍 甚至更大的里程。

總結(jié)一下，化學火箭引擎提供的是短時間內(nèi)爆發(fā)式的大推力，離子推進器提供的是在沒有重力和阻力的影響的太空環(huán)境下細水長流，不斷疊加速度的推進方式。現(xiàn)在你看到的那些電影和游戲里面冒藍火的那些宇宙戰(zhàn)艦星際飛船之類的， 用的就是離子推進器星鏈衛(wèi)星，能比一個屁的推力還要小的離子推進器主要有三個作用，第一就是讓衛(wèi)星維持一小時接近3萬公里的速度，第二就是做姿態(tài)調(diào)整 避障，第三個就是調(diào)節(jié)軌道高度進入大氣層自毀星鏈衛(wèi)星不是對地靜止，你可以理解為始終跟著地球上的一個點運行，無時不刻這顆衛(wèi)星就在固定的位置星鏈衛(wèi)星是非對地靜止，也就是說星鏈衛(wèi)星對于地面不是靜止的，因為太靠近地球受到引力的影響需要依靠慣性產(chǎn)生的離心力維持，對地高度第一階段的訓練，衛(wèi)星都部署在550公里的近地軌道上，第三階段的幾千顆星鏈衛(wèi)星要部署在離地面更近的340公里的超近地軌道，所以地球引力對星鏈衛(wèi)星的影響就是不可忽視的，因為如果星鏈衛(wèi)星在這個高度做到對地靜止，那么引力很快就會把星鏈衛(wèi)星拉進大氣層，所以要想維持在近地軌道上，衛(wèi)星的速度就必須足夠快，才有足夠的離心力來跟地球的引力做一個平衡，那么為什么星鏈衛(wèi)星不選擇部署在距離更遠一點 引力更小的遠離地球的軌道的高度上？這樣是不是就可以做到對地靜止不需要推進器來維持高度了？軌道高度其實受限于電磁波通訊的限制想要低延遲的一些業(yè)務(wù)和服務(wù)，距離太遠延遲就太高了，比如說傳統(tǒng)的對地靜止的通訊衛(wèi)星都在至少35786公里遠的軌道上才能做到僅靠慣性維持對地靜止，一旦進入軌道高度維持當前的速度，就可以跟地球的自轉(zhuǎn)同步了，做到始終都跟著地面上的一個點相對靜止在沒有阻力的太空環(huán)境，依靠慣性就可以保持恒定的速度跟著地球自轉(zhuǎn)，保持對地靜止也就幾乎不需要推進器了，地球的引力對于衛(wèi)星的運行速度的影響在這個距離幾乎也可以忽略不計了，但是這個距離使得通訊延遲至少在幾百毫秒以上很多年前的業(yè)務(wù)，比如說語音通話還可以忽略這么點延遲，但是現(xiàn)在的實際應(yīng)用的需求，導(dǎo)致延遲對很多業(yè)務(wù)來講已經(jīng)不能滿足需求了，星鏈衛(wèi)星之所以要部署在幾百公里的軌道，就是因為距離縮減了幾十、幾百倍，才能夠?qū)崿F(xiàn)幾十毫秒的超低衛(wèi)星通訊延遲，所以不管是星鏈的競爭對手銥星衛(wèi)星「Iridium」，還是亞馬遜的「Kuiper」，其實都計劃部署衛(wèi)星在近地軌道和超近地軌道就是為了減少通訊延遲，所以說現(xiàn)在并非只有星鏈衛(wèi)星要覆蓋在近地軌道，而是以后的通訊衛(wèi)星為了滿足覆蓋范圍和低延時通訊的硬性要求，不得不都部署在近地軌道和超近地軌道，這樣一來衛(wèi)星就必須高速飛行才能保持足夠的離心力來跟引力對抗，除此之外在幾百公里的近地軌道其實依然屬于「散逸層」，地球的引力依然會拉住一部分稀薄的大氣，稀薄到可能大氣分子之間的距離有幾米甚至上千米遠，但是依然存在氣體分子，這樣就會導(dǎo)致衛(wèi)星會有非常小的摩擦阻力，即使非常非常小但是對衛(wèi)星依然有長期的影響。

如果衛(wèi)星自己沒有推進器，那么過很久以后速度就會逐漸丟失，然后慣性就會導(dǎo)致離心力越來越小，然后就會被地球的引力拉進大氣層，為了抵抗大氣分子的摩擦力，并且為了跟引力做出一個動態(tài)的平衡，需要推進器來維持高速飛行 。剛才說過了，為了追求通訊的低延時，現(xiàn)在的通訊衛(wèi)星都不得不運轉(zhuǎn)在幾百公里的近地和超近地軌道，這個技術(shù)思路和演進方向已經(jīng)是確定好了，大家請做好準備以后近地軌道上會布滿各個公司，各個國家的通訊衛(wèi)星數(shù)量級，現(xiàn)在這個階段無法想象的那么以后可能數(shù)以萬計，甚至幾十萬、上百萬顆近地軌道通訊衛(wèi)星必然就會造成交通問題，甚至可能會發(fā)生碰撞，這就要提離子推進器的第二個職能， 就是為了避障星鏈衛(wèi)星會結(jié)合美國國防部和NASA的數(shù)據(jù)提前發(fā)動推進器來調(diào)整姿態(tài)躲避掉，已知的近地軌道的其他衛(wèi)星和太空碎片，剛才說過了離子推進器并不能做到短時間內(nèi)獲得大量的推進力來實現(xiàn)類似于戰(zhàn)斗機一樣的高機動性能，所以只能借助美國國防部和NASA已統(tǒng)計到的一些比較大型的太空碎片的這些軌道數(shù)據(jù)，提前做出規(guī)避的機動離子推進器的推力。其實也是有優(yōu)點的，那就是推力非常精細可控，特別適合姿態(tài)調(diào)整誤差非常小，根據(jù)碎片的大小和速度星鏈衛(wèi)星可能提前幾分鐘、甚至提前幾天，就要通過離子推進器來實現(xiàn)規(guī)避動作躲避掉之后、又需要幾分鐘、甚至幾天的時間通過推進器來回到之前的運轉(zhuǎn)軌道上，這種細膩的操作反而特別適合離子推進器來實現(xiàn)。因為如果采用噴氣式或者用這種化學燃料推進需要多次點火，效率低不說，還非常不容易控制，可能沒躲幾次推進劑就消耗光了，離子推進器可以長期運轉(zhuǎn)，消耗推進劑極低，而且精準可控，不過加速慢也是離子推進器的一個缺點，如果說要躲避碰撞，需要推進器提前幾分鐘、幾小時開始工作，才能完成躲避碰撞的機動，想要回到之前的軌道又需要一個長期并且緩慢的加速過程，對于那些有軌道數(shù)據(jù)的太空碎片還好，至于一些沒有探測到的、非常小的太空碎片或者說臨時出現(xiàn)的碎片，只能靠運氣躲避了，不過在太空尺度上碰撞幾率是非常小的，但是你要考慮到星鏈衛(wèi)星可能達到幾萬個這種量級，這個問題確實不可以小看。衛(wèi)星被太空碎片擊中，如果說損壞了關(guān)鍵部件，可能會失去維持軌道高度的能力，在幾天甚至幾年的時間窗口內(nèi)會被地球的引力慢慢拉進大氣層，最后墜毀，這就說到了離子推進器的第三個作用了，就是用于主動，自毀按照設(shè)計星鏈衛(wèi)星的壽命到了之后，需要通過推進器主動調(diào)節(jié)進入大氣層的角度，自毀在無人區(qū)或者海洋，以防止造成傷人的事件因為離子推進器的推力很小，整個進入大氣層自毀的過程可能會是幾個月、甚至幾年的時間，需要提前計算好軌道，衛(wèi)星達到預(yù)期的壽命也分幾種情況。第一種就是推進劑消耗光，衛(wèi)星失去維持軌道高度的能力，這種情況下按照設(shè)計一般會在三五年左右出現(xiàn)，這種情況是無法避免的，因為按照這種設(shè)計星鏈衛(wèi)星就算是一種消耗品。所以Starlink公司會一直持續(xù)****衛(wèi)星，用新的衛(wèi)星替換掉老衛(wèi)星。第二種情況就是出現(xiàn)異常比如說自身出現(xiàn)故障或者說被太空碎片擊中，這種情況下如果推

進器和控制單元還在正常運轉(zhuǎn)，那么會跟第一種情況一樣處理邏輯，會安排出一條進入大氣層的軌道，在海洋或者無人區(qū)進行自毀，無論哪種情況星鏈衛(wèi)星的自毀功能的設(shè)計就是為了通過大氣層，然后燒毀實現(xiàn)的，不過Elon Musk之前說過95%以上的星鏈衛(wèi)星的材料，會在進入大氣層之后燒毀，但是還是會有些材料可能燃燒不全，有潛在的砸到地面的隱患，所以按照設(shè)計需要離子推進器提前安排好進入大氣層的角度，盡量讓衛(wèi)星自毀在無人區(qū)或者海洋上空，不過考慮到星鏈衛(wèi)星的數(shù)量級，誰能保證沒個意外呢。畢竟高達突入大氣層也經(jīng)常發(fā)生偏離預(yù)設(shè)墜落點的情況，所以我感覺以后新聞搞不好哪天就報道有人被衛(wèi)星燃燒不全的零件砸中的情況，而且極有可能就是離子推進器的某些部件，比如說應(yīng)對于高溫的推進器的噴口，就大概率沒辦法在大氣層中被燃燒殆盡。

以上就是關(guān)于星鏈衛(wèi)星離子推進器的一些我認為大家有必要了解的信息，如果說你對相關(guān)話題感興趣也可以自己深入學習，比如說離子推進器也分很多類型 采用的推進劑也有差別星鏈衛(wèi)星采用的是氪離子推進，不過「氙離子推進器」應(yīng)用更早也更成熟星鏈衛(wèi)星的推進器的氪離子腐蝕性比較強，比較容易腐蝕推進器噴口，但是為什么馬斯克要用氪呢，就因為便宜，老馬的思路就是這么簡單粗暴，我跟你們分享幾個特別有意思的，他做產(chǎn)品的思路。比如說傳統(tǒng)通信衛(wèi)星因為太遠延遲就高，老馬就跟手下的科學家說延遲要給我做到幾十毫秒，于是就顛覆了傳統(tǒng)幾萬公里遠軌道的通訊衛(wèi)星，出現(xiàn)了近地軌道和超近地軌道的星鏈衛(wèi)星用于通訊衛(wèi)星，因為貼近地表做不了太大的信號覆蓋，老馬就問手下家科學家多少顆衛(wèi)星夠覆蓋，于是我們就發(fā)現(xiàn)他們要計劃打幾萬顆上去，連「FCC」和「ITU」都跟著老馬折騰過，修改過好幾次國際標準，然后星鏈衛(wèi)星有故障率和幾年的壽命，老馬大手一揮沒關(guān)系，咱就一批一批的用咱自家的火箭送上去新的，替換掉老的，反正咱自家的火箭便宜，而且我現(xiàn)在就給你造運載能力更強的「星艦飛船」，老的衛(wèi)星你給我計算好，要自己進入地球大氣層銷毀，別砸到花花草草和小朋友，還有老馬的「Falcon 9」和星艦飛船老馬就問，現(xiàn)在火箭的燃料這么貴你們有什么想法，科學家說甲烷便宜還無毒，老馬索性就用了在普通超市都買得到的甲烷做火箭的燃料，你們看老馬做產(chǎn)品就是這樣的，非常直接簡單粗暴甚至他的特斯拉汽車也是這個邏輯，傳統(tǒng)燃油車要做什么傳動桿 變速箱、齒輪、離合掛擋這些東西，電動車就是一個輪子接一個馬達，底盤再鋪上一層電池，跟我們小的時候玩的電動遙控車簡直是一個邏輯。所以很多時候我們理解的顛覆傳統(tǒng)行業(yè)思維的一些產(chǎn)品，其實就應(yīng)該簡單粗暴Elon Musk作為我們這一代杰出的夢想家，他的很多產(chǎn)品設(shè)計都是簡單粗暴的邏輯，內(nèi)燃機的汽車已經(jīng)上百年歷史了，結(jié)構(gòu)簡單的電力驅(qū)動的車其實早就應(yīng)該普及了，我們從小就知道電動遙控玩具車要比燃油玩具車更便宜，但是直到馬斯克的特斯拉才真的帶動了行業(yè)的，推進火箭和星際飛船也是這個道理，從人類登月到現(xiàn)在也好幾十年了，推進器的原理依然是能效極低的化學能，不過離子推進器在太空環(huán)境下更適合遠距離的航行，這就是一個正確的方向，人類的通訊基礎(chǔ)設(shè)施目前還是依靠陸地和海洋的光纜，馬斯克想要通過衛(wèi)星組建的網(wǎng)絡(luò)，用電磁波通訊替換各種光纜和電線，也是一個無線化的發(fā)展方向，小米的無線充電技術(shù)還有毫米波用于視頻圖傳，還有馬斯克的星鏈衛(wèi)星通訊其實都是想擺脫人對線的依賴，無線的的確確是未來的技術(shù)發(fā)展方向，人類的科技水平非常接近，指數(shù)級的增長在過去幾十年發(fā)展取得的成果，遠遠超過了人類過去幾千年的發(fā)展速度。

我們有幸身處在技術(shù)爆炸的年代，可以見證過去幾代人完全不可以想象的技術(shù)演進，但是我們的科技樹真的點對了嗎，就好像Elon Musk說過的，人類已經(jīng)想要探索外太空了，但是至今為止連月球基地都沒有，這合理嗎？這明顯很不合理，我們生活中還有哪些技術(shù)和應(yīng)用需要馬斯克這樣的人來推進和革新。其實有很多，比如說人類通過燃燒和煮沸水這種獲取能源的方式，就很原始和落后，還比如說人類程序員寫出來的代碼，其中存在大量的BUG 注釋，以及被砍掉的無效代碼編譯后的執(zhí)行效率，也存在很大的提升空間，甚至很多程序員很多時候是通過誤打誤撞寫出來的代碼，實現(xiàn)了某些功能，也是這個行業(yè)的常態(tài)為什么不能讓機器去寫機器的語言。還比如說人類對外太空的探索其實遠遠比地球的海洋 甚至人類自身的基因、醫(yī)療。這些話題研究要深入很多，人類的科技發(fā)展已經(jīng)到了爆炸式的發(fā)展的階段了，舉個大家身邊的例子，就可以看得出來我們小的時候移動電話升級可能要幾年甚至十年，就連游戲機也需要很多年才有升級的型號，到現(xiàn)在這個年代就太快了，手機已經(jīng)變成了一年甚至半年一升級，就連游戲機、汽車之類的生活中的科技產(chǎn)品也出現(xiàn)了這個趨勢，就連WiFi的技術(shù)規(guī)格的制定周期也縮短了，很多5G的通訊標準也比4G的通訊標準制定的更快，甚至5G現(xiàn)在還沒有建設(shè)完成，6G的標準制定已經(jīng)開始了。

可以預(yù)見到的是接下來的各種科技的演進，只會越來越快，我們的父輩都已經(jīng)慢慢跟不上現(xiàn)在社會的技術(shù)的演進速度了，接下來會不會我們這一代人也會跟我們的父輩一樣搞不懂最新技術(shù)的原理，玩不轉(zhuǎn)最新的科技產(chǎn)品了，很有可能。不過我希望帶著大家一起了解最新的技術(shù)。