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)
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。
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]。
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。
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。
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。
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。
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]。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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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