2. 任务剖面与推进需求捕获
推进系统总体设计的第一步，不是选发动机，而是把任务书里的“目标”翻译成推进系统能听懂的“需求”。任务书通常只写“将 1200 kg 有效载荷送入 700 km 太阳同步轨道，寿命 5 年，具备轨道保持与离轨能力”，这些是任务目标；而推进分系统需要的是各阶段的速度增量 Δv、推力 F、总冲 I、比冲 Isp、最小点火冲量、响应时间、工作次数与寿命。两者之间隔着一层“任务剖面—推进需求”的映射，这一节要解决的就是这层映射怎么做。
一、任务阶段划分：先切段，再逐段捕获
任务剖面（Mission Profile）是把整个飞行过程按推进系统工作状态切分成若干阶段。典型划分包括：发射与上升段、入轨段（含星箭分离后的末速修正）、轨道转移段（如 GTO 到 GEO、LEO 到 SSO 的升轨）、姿态控制段（长期在轨的姿态机动与稳定）、位置保持段（东西/南北位保、轨道维持）、离轨段（降轨再入或抬轨弃置）。划分依据是：每个阶段推进系统的工作模式、推力水平、点火次数、工作环境不同，需求也不同。
以一颗 1200 kg 的 SSO 遥感卫星为例，其任务剖面可切为：①发射段（不点火，仅承受力学环境）；②入轨段（星箭分离后 1 次 30 m/s 的末速修正）；③轨道转移段（若采用直接入轨则无，若采用 LEO 升轨则需约 200 m/s）；④姿态控制段（5 年内约 2000 次小角度机动，单次 0.1～1 m/s）；⑤位置保持段（SSO 轨道维持约 50 m/s/年，5 年 250 m/s）；⑥离轨段（1 次约 120 m/s 降轨）。这些数字是示例假设，实际由轨道力学计算给出。
二、从任务目标到推进需求的四步映射
第一步：由轨道力学算出各阶段 Δv。Δv 是推进需求的核心输入。入轨段 Δv 由分离点轨道与目标轨道之差决定；轨道转移段用霍曼转移或低推力螺旋转移公式估算；位置保持段由大气阻力、J2 摄动、太阳光压等摄动模型积分得到年 Δv；离轨段由降轨高度与再入角要求反算。Δv 的单位是 m/s，它是“速度账本”，所有推进需求都从它出发。
第二步：由 Δv 和航天器质量算总冲 I。总冲 I = m·Δv（近似，忽略质量变化时）或更精确地用齐奥尔科夫斯基公式 I = m0·(1−e^(−Δv/Isp·g0))·Isp·g0。总冲单位是 N·s，它决定了推进剂质量。例如 1200 kg 卫星，总 Δv 约 400 m/s，若 Isp=220 s（单组元肼），则推进剂质量约 m_p = m0·(1−e^(−Δv/(Isp·g0))) ≈ 1200×(1−e^(−400/(220×9.81))) ≈ 1200×0.169 ≈ 203 kg。这个数字直接决定贮箱容积和结构质量。
第三步：由任务时序和响应要求定推力 F。推力不是越大越好。轨道转移段若要求 30 天内完成 200 m/s，则平均推力 F ≈ m·Δv/t = 1200×200/(30×86400) ≈ 0.093 N，属于低推力连续工作模式；而姿态控制段要求 0.1 s 内响应、单次冲量 0.5 N·s，则需 5 N 级推力、最小点火冲量小于 0.05 N·s。位置保持段若要求每次位保 0.5 m/s、每年 20 次，则单次点火冲量约 600 N·s，推力 1～5 N、工作数分钟即可。可见同一颗星上，不同阶段对推力的需求可能相差两个数量级，这往往导致“主发动机+姿控推力器”的双模式配置。
第四步：由工作次数和寿命定响应时间与可靠性。响应时间包括启动延迟、达到额定推力时间、关机后推力衰减时间。姿控推力器要求启动延迟 <50 ms、最小脉冲 <20 ms；而主发动机可接受 1～2 s 启动。工作次数决定阀门、催化床、点火器的寿命设计。例如 5 年 2000 次姿控点火，要求推力器寿命 ≥5000 次（含余量），催化床分解效率衰减 <5%。
三、参数之间的耦合与权衡
四个参数不是独立的。比冲 Isp 越高，同样 Δv 所需推进剂越少，但高比冲发动机往往推力小、系统复杂、成本高。例如电推进 Isp 可达 1500～3000 s，但推力仅 0.1～0.5 N，适合位置保持和轨道转移，不适合快速入轨。总冲 I 与推力 F 通过工作时间 t 耦合：I = F·t。若任务要求 30 天内完成 200 m/s 转移，则 F 不能低于 0.093 N；若要求 7 天完成，则 F 需 ≥0.4 N。响应时间与最小脉冲则直接决定姿态控制精度：单次脉冲 0.05 N·s 对应 1200 kg 卫星的 4×10⁻⁵ m/s 速度变化，若姿控精度要求 0.01°，则需配合动量轮或更高精度推力器。
实际设计中，常用“Δv 预算表”逐项列出各阶段 Δv、Isp、推进剂质量、推力、工作次数，再汇总校核总推进剂是否满足质量预算。下表是一个示例格式（数据为假设）：
| 阶段 | Δv (m/s) | Isp (s) | 推进剂 (kg) | 推力 (N) | 工作次数 | 响应要求 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 入轨末修正 | 30 | 220 | 16.7 | 5 | 1 | 启动 <100 ms |
| 轨道转移 | 200 | 310 | 79.5 | 490 | 1 | 启动 <2 s |
| 姿态控制 | 60 | 220 | 33.4 | 5 | 2000 | 脉冲 <20 ms |
| 位置保持 | 250 | 220 | 139.2 | 5 | 100 | 启动 <50 ms |
| 离轨 | 120 | 310 | 47.7 | 490 | 1 | 启动 <2 s |
| 合计 | 660 | — | 316.5 | — | 2103 | — |
注意：上表合计推进剂 316.5 kg 是按各阶段独立计算后简单相加，实际需考虑贮箱不可用余量、增压气体质量、管路残留等，通常再加 5%～10% 余量。若总质量预算紧张，可考虑用高比冲电推进执行位置保持段，将 250 m/s 的推进剂从 139 kg 降到约 20 kg，但需增加电源功率和推力器质量，需做系统级权衡。