北京时间2023年02月27日，美国SpaceX公司公布了其第二代“星链”卫星mini版（或称“V2mini”）的有关技术参数。第二代“星链”卫星重量将可能达到1.75吨，甚至2吨，是第一代“星链”卫星的两倍多，已经是接近地球同步轨道卫星重量的“小巨人”了。随着卫星参数一同公布的还有其使用的新一代霍尔电推进（即“二代霍尔”）的相关参数，最引人关注的是其霍尔电推进的工质由氪气换成了氩气，这又在业内再次引发了引发了一波“电推热潮”。本文重点解答大家最关心的三个问题：为何需要用氩气？改用氩气的马斯克有多少胜算？我们是不是要追随马斯克的脚步快速替换成氩气？
要回答第一个问题，首先我们应该明确的是，对商业航天，商业属性是第一位的，其次才是性能属性。商业属性要求首先围绕“成本（cost）”设计产品，产品展示出的形态与传统航天将“性能（performance）”放第一位的产品形态不同。马斯克的商用火箭亦采用了可重复使用和阵列式发动机的低成本路线。此外，为降低组网成本，最大限度增加单次发射的数量，“星链”卫星采用了扁平状的刀片式结构。这一系列激进的技术创新其实都源自商业属性的驱动。
关于马斯克为何需要去选择氩气作为工质，大家给出的一致的看法是氩气获取难度低，价格便宜。
图2 埃隆·马斯克(ElonMusk)最新推文——“向氩气的过渡虽然很棘手，但有必要，因为氪气太稀有了”
氙气是名副其实的稀有气体，每年的产量仅在百吨上下。对于SpaceX“星链”计划的体量，氙气的储备很容易就会短缺，因此从公司战略角度，氙气并不合适。氪气价格约为氙气的1/40，获取难度要小于氙气，但唯一的问题是，乌克兰是氙气和氪气的主要出口国。自去年俄乌冲突爆发之后，氙气及氪气的价格就一路看涨，拥有氙气与氪气空分精炼提取设备的马里乌波尔钢铁厂等稀有惰性气体生产大户刚好处在冲突战区的核心地带。虽然氙气与氪气的价格近期有所下调，但这种不稳定性并非SpaceX供应链管理希望看见的。
马斯克的第一代氪气霍尔电推进已经比传统的高性能氙气霍尔电推进非常大地节省了成本，但对高总冲的在轨任务来说，“油费”仍然在整个电推进系统占了相当可观的比例。所以为了进一步减少二代“星链”的组网成本，节省“油费”而采用更便宜的氩气，即使需要牺牲一些系统的综合性能，也依然是一条可行的商业和工程路线。一些专业技术人员提出质疑，认为氪气已经很便宜，没有必要再用氩气。然而，“星链”（或称“星盾”）最终形态可能会达到4.2万颗卫星，在一颗卫星上节省成本的努力将会得到4.2万倍的回报。反过来说，单颗卫星成本的上浮，也会放大4.2万倍，而这正是初代“铱星”计划失败的原因。
在综合考虑后，马斯克选择了氩气。据国外估算，使用氩气可让每颗“星链”卫星成本降低3-5万美元。考虑到氩气在地球大气中的含量和马斯克自有工厂的空分能力，在其为“星舰”运载火箭配套的大产能液氮空分液化设备中，氩气还可以从原本的空气成分杂质直接摇身一变，成为“星链”星座在轨燃料的供应来源。另外，火星大气中的氩气含量也不算太低，未来SpaceX在火星表面建设工厂、生产运载火箭所需的甲烷燃料的同时，也可以空分出氩气，为未来更大推力的氩电推进提供来源，作为其往返火星的空间飞行器的动力。
为了实现低成本，马斯克首先采用当前最先进的全电推进卫星平台，在商用电推进的选型上又放弃了美国人自己发明的性能更好的离子发动机，最后又摒弃了已经很成熟应用二十年的氙气霍尔电推进技术路线。从氙气到氪气，是马斯克的第一代商用霍尔电推进最大的跨越。星链V0.9版本的卫星，在入轨后，有不少就没能实现可靠的升轨，最终坠入稠密大气而焚毁。可见，创新本身，需要足够的勇气去面对工程实践中的大量问题。第一代霍尔推进器迈向成熟的道路上，洒满了因卫星焚毁而流下的泪水。
第二代使用的氩气，本质上也是氪气一族的惰性气体，氩气霍尔电推进涉及的核心技术能直接参考其一代霍尔电推进的技术，包括总体结构布局、精确的微流量控制、空心阴极技术、一代霍尔上天积累的使用经验和在轨决策策略等等，快速缩短了研发周期。关于氩气的使用，第一，业内都知道氩气的电离难度相比于氪气和氙气要大，考虑到离子加速，阳极电压需要提至800V左右；因此二代霍尔的二次电源模块要升级，特别是耐高压方面；推力器头亦然。第二，氩气密度小，即使考虑到综合比冲增大带来的燃料量减少，仍然需要更大的储罐去容纳工质。因此，其二代霍尔系统应该采用了更轻质的复合材料储罐，才能抵消氩气储罐偏大带来的结构废重增加。
从流出的SpaceX的二代霍尔工作照片中的羽流颜色判断，笔者不认为这是纯氩气的放电，猜测工质应为以氩气为主的混合气体。混合工质的好处是既能够更好的降低电离氩气所需的高电压，增大工质密度，减小储箱，又能兼顾成本，进而达到了成本和性能上的平衡。
以SpaceX的一贯做事风格，一款新电推产品成功率期望值超过50%才会大规模搭星上天验证使用，所以判断SpaceX对其氩气电推进的成熟度是相当有把握的。
对于我们来说，更多的入轨验证，更多宝贵的在轨运行数据积累，是脚踏实地迎头赶上领头羊的必备前提。国内商业卫星对商用电推进的技术验证和技术创新，从未停歇。以国内商用电推进有突出贡献的公司遨天科技为例，自2019年8月电推进首次成功实现在轨应用到现在，已有25台电推进产品在轨运行。这样的数据，是我们实现霍尔电推进技术从设想到工程实践再到大规模商业化应用的关键所在。
一是根据“成本（Cost）”战略设计打造产品。在此框架下，产品需要做到通用化、模块化，通过模块的自由组合实现灵活适应不一样卫星的要求和不同空间的布局。
二是商业属性的要求下的全面成本管理及产品可靠性保障。这要掌握全系统技术和生产流程。马斯克通过重新定义、设计和制造自己的商用电推进，才有了今天我们正真看到的氩气商用电推进产品。中国商用电推进企业也应全自主掌握全系统技术和生产流程，将成本管理真正落实到了设计并延伸到了每个器件上。
三是脚踏实地，分布前进。在“星链”及其商用电推进的发展道路上，马斯克的技术创新总结为一句话就是：“分步走，而非一步到位”。“星链”（星盾）终极版重量是2吨左右，但这并不是一步到位的，而是分两代走来减小技术难度，每一代里又分了小步骤。第一代，先做300kg左右的小卫星，即使已经降低了技术难度，2018年马斯克还是选先发射两颗小的验证星做技术验证和演示，在积累了5年的大量经验和数据之后，才逐步拉开第二代组网序幕。第二代，终极版卫星是1.5-2吨，配套火箭是运载能力较大的“星舰”，他依然选择先发射二代mini版750kg的卫星进行关键技术验证、积累飞行数据。从这个发展历史看，相对终极目标而言，马斯克并没有那么“激进”，而是十分注意技术的循序渐进、在轨样本的积累、飞行经验的积累，这点恰恰是中国商业航天同仁应该学习的。
氙气霍尔电推进在整个西方有20多年的应用经验，马斯克在此基础上开发了氪气/氩气商用电推进，却仍然采取了“分步走”策略，显得“小心翼翼”。对于马斯克而言，氩气的应用是当下对于SpaceX的最佳选择，也是其“分步走”和长期试错过程中得出的最佳方案，而相比之下，国内现在还没有一颗卫星有全寿命周期霍尔电推进的使用经历；此外，国内低轨商业卫星的参数（重量、功能指标）大多跟第一代“星链”卫星相当，能预见，国内卫星还有相当一段时间需要用氙气/氪气霍尔电推进，以积累飞行数据、提升产品可靠性、积累在轨使用电推进经验。有人说我们大家可以一步到位，直接超车，但作者觉得应该要进行技术储备，在应用的时间点上要最大限度地考虑国内商业卫星的发展速度，以及我国商业火箭运载能力的提升历程。
本文转载自“空天大视野”，原标题《“商用”霍尔电推进与SpaceX的成本战略》。
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