國外全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺的發(fā)展及啟示

胡 照，王 敏，袁俊剛

（中國空間科技研究院 通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京100094）

0 引言

全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺采用高比沖的電推進(jìn)系統(tǒng)（如離子推力器或霍爾電推力器等）來實現(xiàn)星箭分離后的衛(wèi)星變軌、入軌后的位置保持、姿態(tài)控制及離軌等操作任務(wù)[1]。全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺的最大優(yōu)點是可大幅減少推進(jìn)劑攜帶量，在攜帶同等重量有效載荷的情況下可使發(fā)射重量減輕約一半[2]，從而可實現(xiàn)一箭雙星發(fā)射，有效降低研制和發(fā)射成本，顯著提升衛(wèi)星平臺的市場競爭力。

2012年3月，波音公司推出702SP 電推進(jìn)平臺，用于軌道轉(zhuǎn)移變軌操作，并獲得了4 顆通信衛(wèi)星的發(fā)射合同。2015年3月2日，用“獵鷹-9”火箭以一箭雙星的方式將 ABS-3A、Eutelsat- 115WestB 兩顆全電推進(jìn)衛(wèi)星發(fā)射升空，預(yù)計于11月定點投入使用。截至目前，全球共訂購了15 顆全電推進(jìn)衛(wèi)星。除此之外，美國軌道科學(xué)公司、 勞拉空間系統(tǒng)公司、洛馬公司，歐洲泰雷茲公司，德國OHB 公司，俄羅斯衛(wèi)星通信公司等都在開展全電推進(jìn)衛(wèi)星的研制。

全電推進(jìn)衛(wèi)星的發(fā)展勢頭強勁，正在改變通信衛(wèi)星的市場格局。

1 國外全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺發(fā)展歷程

分析GEO 衛(wèi)星飛行的各個階段任務(wù)對速度增量需求，用于軌道轉(zhuǎn)移的需求量最大，其次是南北位置保持。因此，將高比沖的電推進(jìn)系統(tǒng)用于軌道轉(zhuǎn)移，可以大幅降低衛(wèi)星的推進(jìn)劑攜帶量，從而降低衛(wèi)星發(fā)射重量，提升衛(wèi)星平臺有效載荷承載能力。國外電推進(jìn)系統(tǒng)在衛(wèi)星上的應(yīng)用主要經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：第一階段，應(yīng)用于衛(wèi)星軌道位置保持；第二階段，應(yīng)用于衛(wèi)星部分軌道轉(zhuǎn)移、軌道位置保持和動量輪卸載等[3]；第三階段，應(yīng)用于衛(wèi)星全部軌道轉(zhuǎn)移、軌道位置保持和動量輪卸載等[4]。

1）第一階段

自1995年俄羅斯在MSS-2500-GSO 衛(wèi)星平臺上配置了霍爾電推力器以來，國際上主流的通信衛(wèi)星平臺均配置了電推進(jìn)系統(tǒng)用以實現(xiàn)軌道位置保持，如波音公司的601 衛(wèi)星平臺和702SP 平臺，洛馬公司的 A2100 平臺，勞拉空間系統(tǒng)公司的LS3000 平臺，Alcatel 公司的Spacebus-4000 平臺，Astrium 公司的EUROSTAR-3000 平臺，ESA 的Artemis 衛(wèi)星，以及俄羅斯的Express、Seset 通信衛(wèi)星等[5]。其中，俄羅斯的Express 衛(wèi)星配置了一套包含8 臺SPT-100 霍爾電推力器的電推進(jìn)系統(tǒng)用于軌道位置保持，一套由12 臺無水肼單組元推進(jìn)器組成的推進(jìn)系統(tǒng)用于姿態(tài)調(diào)整。

2）第二階段

電推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用從在軌位置保持進(jìn)一步擴展到軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，但受限于電推力器推力較小，該應(yīng)用方案將增加衛(wèi)星變軌時間，因此只用于完成部分變軌任務(wù)[5]。對于發(fā)射重量超過5 t的大型GEO衛(wèi)星，先用化學(xué)發(fā)動機變軌到中間轉(zhuǎn)移軌道，再用電推力器完成變軌，這樣可以有效減少推進(jìn)劑攜帶量，從而提升有效載荷的承載能力[6]。例如，基于A2100M 平臺的AEHF衛(wèi)星采用了電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行部分變軌和南北位置保持，變軌時間增加為100天；雖然變軌時間增加了，但帶來的益處是有效載荷承載能力提高到700 kg。

3）第三階段

隨著高效電源技術(shù)和大推力長壽命電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，可采用電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行全過程變軌、軌道位置保持和動量輪卸載、離軌等任務(wù)，因而實現(xiàn)全電推進(jìn)。全電推進(jìn)平臺可大大提高有效載荷攜帶能力或有效減輕衛(wèi)星發(fā)射重量：對于GEO 通信衛(wèi)星，可使衛(wèi)星發(fā)射重量減輕約一半，使衛(wèi)星平臺承載效率從約0.1 提升至約0.25；對于深空探測器，如“黎明號”深空探測器，可使推進(jìn)劑/衛(wèi)星干重之比從約2.5 降至近0.47[7]。

2 國外全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺研制進(jìn)展

2.1 波音公司的702SP 平臺

702SP 平臺尺寸1.8 m×1.9 m×3.5 m；發(fā)射重量不超過2 t，其中氙氣400 kg，有效載荷500 kg（51路轉(zhuǎn)發(fā)器），有效載荷功率3～8 kW；衛(wèi)星設(shè)計壽命15年。該平臺采用4 臺XIPS-25 氙離子推力器，單臺推力165 mN，比沖3500 s，功率4.5 kW，變軌時需要2 臺氙離子推力器同時工作。平臺采用全電推進(jìn)實現(xiàn)變軌和位置保持等任務(wù)，取消了雙組元化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，有效減輕了衛(wèi)星發(fā)射重量。電推進(jìn)的變軌機動時間很長，衛(wèi)星從GTO 變軌到GEO 需要4～6 個月時間[8]。

該平臺充分繼承了702HP 平臺成熟技術(shù)，如超三結(jié)砷化鎵太陽電池陣、鋰離子蓄電池、零動量三軸控制技術(shù)，還采用了創(chuàng)新技術(shù)，如新一代綜合電子系統(tǒng)，簡化了數(shù)據(jù)管理并增強了衛(wèi)星健康管理能力[9]。

702SP 平臺衛(wèi)星由于質(zhì)量小，從而可采用一箭雙星發(fā)射，節(jié)省發(fā)射成本。“獵鷹-9”火箭可發(fā)射2顆702SP 平臺衛(wèi)星；“阿里安娜-5”火箭具有9 t 的發(fā)射能力，可同時發(fā)射1 顆大型通信衛(wèi)星和1 顆702SP 平臺衛(wèi)星。

2.2 OHB 公司的Electra 平臺

2013年10月，ESA 及德國OHB 公司與全球第二大衛(wèi)星運營商盧森堡SES 公司簽訂協(xié)議，聯(lián)合開發(fā)全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺——Electra 平臺，首顆SES 公司的衛(wèi)星計劃在2018年發(fā)射。

Electra 平臺基于OHB 公司的SGEO 平臺進(jìn)行開發(fā)，發(fā)射重量達(dá)3000 kg。初步考慮配置6 臺電推力器，其中2 臺用于變軌，其余4 臺主要用于軌道位置保持等任務(wù)。

SGEO 平臺采用了經(jīng)過在軌飛行驗證的新技術(shù)（包括鋰電池、三結(jié)砷化鎵太陽電池片）和多頻段（S、C、X 或Ku）測控技術(shù)，可根據(jù)具體任務(wù)需求改變配置規(guī)模，攜帶了霍爾電推力器和高效率多模式離子推力器，發(fā)射重量為1600～3000 kg，其中有效載荷200～400 kg，有效載荷功率2～4 kW。首發(fā)星為2009年簽訂合同的西班牙Hispaat AG1衛(wèi)星，可采用多種運載火箭發(fā)射直接入軌。

2.3 軌道科學(xué)公司的STAR-3 平臺

2014年2月，軌道科學(xué)公司（衛(wèi)星和火箭制造商）表示，除了推出Antares 新型火箭之外，還將投資2500 萬美元開發(fā)新型商業(yè)通信衛(wèi)星平臺 GEO STAR-3 全電推進(jìn)平臺。

2.4 歐洲的Eurostar-3000 平臺及其電推進(jìn)衛(wèi)星

Eurostar-3000 平臺是歐洲空客公司研制的大型通信衛(wèi)星平臺，同時又在該平臺基礎(chǔ)上推出了Eurostar-3000EOR 擴展平臺[10]。歐洲的宇航公司正在基于Eurostar-3000 平臺開發(fā)新型全電推進(jìn)衛(wèi)星。

1）Eutelsat 172B 衛(wèi)星

歐洲通信衛(wèi)星公司（SES）提出了首顆全電推進(jìn)衛(wèi)星——Eutelsat 172B 的研制計劃，由空客防務(wù)與航天公司負(fù)責(zé)建造，擬在2017年上半年用“阿里安娜-5”火箭發(fā)射。

Eutelsat 172B 衛(wèi)星基于Eurostar E3000 平臺開發(fā)，配備了等離子體推力器（由法國飛機引擎公司制造），發(fā)射重量3500 kg，有效載荷功率13 kW，設(shè)計壽命15年。利用11 個Ku 波段點波束實現(xiàn) 1.8 GByte/s 的大吞吐量容量，用于全球航空寬帶的服務(wù)。除大吞吐量點波束外，還配備36 路常規(guī)Ku轉(zhuǎn)發(fā)器和14 路C 波段轉(zhuǎn)發(fā)器。Eutelsat 172B 為第一個使用動態(tài)分配功率的衛(wèi)星，在降低發(fā)射成本的同時，希望將軌道轉(zhuǎn)移時間控制在4 個月內(nèi)。

2）SES-12 衛(wèi)星

SES 公司選擇空客防務(wù)和宇航公司研制一顆覆蓋東亞的大型Ku/Ka 頻段寬帶衛(wèi)星，衛(wèi)星將使用電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行位置保持和軌道轉(zhuǎn)移。

SES-12 衛(wèi)星是SES 公司在Eurostar-3000 平臺上研制的電推進(jìn)衛(wèi)星，計劃于2017年年底發(fā)射，使用壽命將達(dá)15年以上，發(fā)射重量為5.3 t。若采用傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)，則發(fā)射重量將超過6 t，使發(fā)射成本大增。星上攜帶了68 路大功率Ku 頻段轉(zhuǎn)發(fā)器和8 路Ka 頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，同時配備8 副反射器天線，有效載荷功率為19 kW。根據(jù)運載火箭的不同，SES-12 衛(wèi)星將花費3～6 個月的時間完成轉(zhuǎn)移定點，而采用傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)方式，則僅需數(shù)周的時間。

2.5 NextStar 衛(wèi)星

衛(wèi)星服務(wù)商阿尼亞拉空間通信公司已同衛(wèi)星制造商道里亞宇航公司簽訂了2 顆全電推進(jìn)的Ku波段靜止軌道通信衛(wèi)星（NextStar-1 和NextStar-2）的研制合同，總造價2.1 億美元，每顆發(fā)射重量不到1 t，使用壽命10～15年。其中有效載荷300 kg（12～16 路Ku 波段轉(zhuǎn)發(fā)器），總功率3 kW。

該衛(wèi)星采用了由Dauria 公司與西班牙Elecnor Deimos 公司以及其他制造商共同研制的平臺，其中電推進(jìn)系統(tǒng)和多項創(chuàng)新技術(shù)經(jīng)過了飛行驗證，旨在實現(xiàn)衛(wèi)星的高性能、低成本和長壽命。衛(wèi)星計劃在2017年年底用GSLV 火箭（最新型號）以一箭雙星方式進(jìn)行發(fā)射[11]。

2.6 Express-AM5 衛(wèi)星

RSCC 公司研制的Express-AM5 衛(wèi)星采用了Express-2000 平臺（是Express 系列中承載能力最強、功率最大的平臺），使用霍爾電推力器實現(xiàn)軌道提升。衛(wèi)星有2 種全電推進(jìn)的配置類型，它們的指標(biāo)為：第一種，發(fā)射重量3400 kg，其中有效載荷1100 kg，功率13 kW，設(shè)計壽命15年；第二種，發(fā)射重量4500 kg，其中有效載荷1500 kg，功率16kW，設(shè)計壽命15年。

衛(wèi)星于2013年12月由“質(zhì)子號”運載火箭發(fā)射升空，2014年3月到達(dá)工作位置，并且驗證了電推進(jìn)系統(tǒng)的軌道提升機動。

3 全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 減輕衛(wèi)星發(fā)射重量，提高承載效率

以某中等容量GEO 通信衛(wèi)星為例，假設(shè)有效載荷重量為500 kg，功率8 kW，設(shè)計壽命15年，分別對比全化學(xué)推進(jìn)、混合推進(jìn)和全電推進(jìn)3 種方案的衛(wèi)星發(fā)射重量和承載效率（有效載荷重量和發(fā)射重量之比），如圖1所示。在有效載荷重量和在軌壽命相同的情況下，電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用的程度越高，發(fā)射重量越輕，而承載效率越高[12]。

圖1 不同推進(jìn)方案對衛(wèi)星發(fā)射重量和承載效率的影響 Fig.1 Effect of different propulsion modes on the launch weight and carrying efficiency

3.2 降低衛(wèi)星綜合成本，提高市場競爭力

由于全電推進(jìn)平臺的承載效率提高，從而可減少衛(wèi)星的研制費用。另一方面，全電推進(jìn)平臺衛(wèi)星由于重量輕，所以可以采用中小型火箭或一箭雙星發(fā)射，降低運載火箭費用。

以基于702SP 平臺研制的ABS-3A 衛(wèi)星為例，采用“獵鷹-9”火箭一箭雙星發(fā)射，發(fā)射費用6500 萬 美元低于“阿里安娜-5”火箭（約1 億美元）和“質(zhì)子號”火箭（約8000 萬美元）的。ABS-3A 衛(wèi)星裝載了51 個C 頻段和Ku 頻段的轉(zhuǎn)發(fā)器，單星造價約1 億美元，每顆衛(wèi)星的火箭費用3250 萬美元，分?jǐn)傊撩柯忿D(zhuǎn)發(fā)器僅為300 萬美元（考慮研制成本和發(fā)射成本等折合后的價格），遠(yuǎn)低于目前國際市場上每路轉(zhuǎn)發(fā)器500 萬美元的平均價格，競爭優(yōu)勢非常顯著。

3.3 突破化學(xué)推進(jìn)比沖限制，增加衛(wèi)星在軌服務(wù) 壽命

以平臺干重為1300 kg 的衛(wèi)星為例，采用電推進(jìn)進(jìn)行軌道位置保持和姿態(tài)控制，平均每年氙氣的消耗量約為7 kg；而化學(xué)推進(jìn)每年推進(jìn)劑的消耗量約為55kg。另外，衛(wèi)星壽命末期利用電推進(jìn)實施離軌所需的推進(jìn)劑消耗量較少。

根據(jù)上述消耗，若攜帶與化學(xué)推進(jìn)相同的推進(jìn)劑量，則顯然可增加衛(wèi)星在軌服務(wù)壽命[13]，甚至使衛(wèi)星壽命突破20年。壽命的延長，可使得衛(wèi)星的產(chǎn)出/投入之比大幅增加。

3.4 實施小推力推進(jìn)，有助于有效載荷的精確控制

衛(wèi)星的軌道傾角和偏心率快要超出控制范圍時，需要執(zhí)行軌道位置保持操作。對于化學(xué)推進(jìn)，通常每周或每2 周點火1 次；對于電推進(jìn)，可以每天自主進(jìn)行傾角和軌道偏心率控制，每次的控制幅度很小，有助于保持很高的軌道控制精度，這對于高精度軌道控制任務(wù)尤其是多星共軌任務(wù)是非常有利的。

在進(jìn)行衛(wèi)星軌道位置保持或動量輪卸載時，由于化學(xué)推進(jìn)的推力較大，有時會引發(fā)衛(wèi)星的姿態(tài)擾動，不能滿足部分高精度有效載荷的控制需要。而電推進(jìn)的推力較小，一般為幾十mN 的量級，產(chǎn)生的姿態(tài)干擾非常小，甚至可以忽略不計，這對于帶有大型撓性天線的通信衛(wèi)星或者對于姿態(tài)穩(wěn)定度有特殊要求的激光通信衛(wèi)星是非常有利的。

4 全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺的市場機遇

2013年6月，美國商業(yè)航天運輸管理協(xié)會和商業(yè)航天運輸咨詢委員會聯(lián)合發(fā)布了《2013年商業(yè)航天運輸預(yù)測報告》，對國際通信衛(wèi)星市場發(fā)射情況進(jìn)行了統(tǒng)計，對未來發(fā)射數(shù)量作出了預(yù)測（見圖2）。據(jù)統(tǒng)計，2015年—2022年，國際市場質(zhì)量4200 kg 以下的中小型通信衛(wèi)星市場需求將占到41%?？梢姡统杀局行屯ㄐ判l(wèi)星將在國際市場上占據(jù)重要地位。

圖2 未來商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射需求 Fig.2 Market demand of telecommunication satellites in the future

據(jù)統(tǒng)計，2026年前預(yù)計將有310 顆衛(wèi)星退役，年均退役數(shù)量為21 顆（如圖3所示）。同樣，我國2000年年初發(fā)射的多顆中等容量通信衛(wèi)星，也將陸續(xù)達(dá)到服務(wù)壽命。

圖3 全球在軌GEO 民商用通信衛(wèi)星未來每年退役 數(shù)量統(tǒng)計 Fig.3 The number of civil and commercial telecommunication satellites to be retired in orbit per year

從未來通信衛(wèi)星市場的發(fā)展來看，中小型衛(wèi)星越來越有取代大型通信衛(wèi)星的趨勢。2011年，全球四大通信衛(wèi)星運營商完成了大型、超大型通信衛(wèi)星的更新?lián)Q代；之后，全球大型、超大型通信衛(wèi)星的需求趨于平穩(wěn)，并有逐年遞減的趨勢[14]。與此同時，中、小型通信衛(wèi)星以其較低的成本、較短的研制周期和較高的靈活性更加受到青睞。全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺十分契合未來市場需求，既可以用于新興市場的開拓，也可以用于退役衛(wèi)星的補充發(fā)射市場。

空客公司衛(wèi)星部總裁Beranger 在2014年9月3日的《Space News》上指出：在過去一年中，將 近1/4 的運營商發(fā)出了全電推進(jìn)衛(wèi)星的招標(biāo)需求。法國航天局（CNES）在2015年3月9日的《Space News》上宣稱：到2020年50%的商業(yè)通信衛(wèi)星都將是全電推進(jìn)衛(wèi)星。

5 啟示與建議

全電推進(jìn)衛(wèi)星已成為通信衛(wèi)星領(lǐng)域發(fā)展的熱點方向之一。為適應(yīng)快速發(fā)展的通信衛(wèi)星市場，我國應(yīng)積極研發(fā)全電推進(jìn)衛(wèi)星。具體建議如下：

1）充分論證全電推進(jìn)衛(wèi)星市場需求，并進(jìn)行合理的全電推進(jìn)衛(wèi)星能力定位和總體技術(shù)指標(biāo)分析，做好相應(yīng)的型譜設(shè)計與發(fā)展規(guī)劃。全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺要以替代現(xiàn)有衛(wèi)星平臺產(chǎn)品為目的，突出自身優(yōu)勢，豐富和增加我國現(xiàn)有衛(wèi)星平臺型譜及配置靈活性，增強在通信衛(wèi)星市場的競爭力，為用戶提供多種方案選擇空間。2）全電推進(jìn)衛(wèi)星以高承載能力和高性價比占優(yōu)，在進(jìn)行方案設(shè)計時要充分考慮經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，控制衛(wèi)星發(fā)射重量，保證其在市場上的競爭力。同時，要充分利用國內(nèi)低成本運載工具，采用一箭雙星或與其他衛(wèi)星搭載發(fā)射，盡量降低運載成本。3）對于全電推進(jìn)衛(wèi)星而言，運營商將會顧慮由于采用電推進(jìn)變軌而導(dǎo)致衛(wèi)星延遲在軌交付用戶的問題。解決方案之一是優(yōu)化平臺研制流程，壓縮衛(wèi)星研制周期；之二是充分利用多余運載能力和電推進(jìn)高比沖特點，增加衛(wèi)星設(shè)計壽命。4）須具備較強的載荷適應(yīng)能力。比如，對于Ka 頻段有效載荷，其特點為重量輕，但功率需求大，要求全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺能夠有較高的載荷功率；而對于具有星上處理能力的載荷，要求全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺有較大的載荷承載能力和設(shè)備布局空間。5）對于我國全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺發(fā)展路線，建議先著眼于中小型通信衛(wèi)星市場，發(fā)展2.5 t 級發(fā)射重量的基本型，突破電推進(jìn)、電源、結(jié)構(gòu)、軌道轉(zhuǎn)移與位置保持等關(guān)鍵技術(shù)，支持“長征三號乙”火箭的一箭雙星發(fā)射，提升我國衛(wèi)星平臺市場競爭力，形成基本能力后再著眼發(fā)展后續(xù)增強型譜和擴展型譜。

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