全電推進(jìn)衛(wèi)星全球首發(fā)：六大關(guān)注點(diǎn)

劉悅（北京空間科技信息研究所）

2015年3月3日，美國(guó)太空探索公司（SpaceX）的獵鷹－9(Falcon－9)火箭攜帶美國(guó)波音公司（Boeing）研制的兩顆全電推進(jìn)衛(wèi)星（All-electric propulsion satellite）—亞洲廣播衛(wèi)星－3A（ABS－3A）衛(wèi)星和“歐洲通信衛(wèi)星115西B”（Eutelsat 115 West B）衛(wèi)星升空。全電推進(jìn)衛(wèi)星的概念由波音公司于2012年最早提出，波音公司的BSS－702SP全電推進(jìn)平臺(tái)一經(jīng)推出即獲得了4顆衛(wèi)星訂單，采用波音公司的專利技術(shù)以一箭雙星的方式發(fā)射，從而引領(lǐng)了全球全電推進(jìn)衛(wèi)星的發(fā)展浪潮。此次發(fā)射的亞洲廣播衛(wèi)星－3A衛(wèi)星和“歐洲通信衛(wèi)星115西B”衛(wèi)星是這4顆衛(wèi)星的前兩顆衛(wèi)星，也是世界第一批上天的全電推進(jìn)衛(wèi)星。

所謂全電推進(jìn)衛(wèi)星是指地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星在星箭分離后使用電推進(jìn)取代化學(xué)推進(jìn)完成軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)進(jìn)入工作軌道，且入軌后的位置保持任務(wù)完全由電推進(jìn)執(zhí)行。因此，全電推進(jìn)衛(wèi)星能夠節(jié)省大量的燃料，提高衛(wèi)星平臺(tái)的有效載荷比或降低發(fā)射成本，具有巨大的實(shí)用和商業(yè)價(jià)值。然而，在看到優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商也認(rèn)識(shí)到只依靠原本作為備份的電推進(jìn)系統(tǒng)完成所有的軌道機(jī)動(dòng)，有可能帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)，因此，美國(guó)波音公司這次發(fā)射的成敗與否，將在一定程度上決定未來(lái)全電推進(jìn)衛(wèi)星發(fā)展的前景。星箭分離后，由于軌道轉(zhuǎn)移時(shí)間較長(zhǎng)，有不少問(wèn)題需關(guān)注。

看點(diǎn)1：惡劣的空間環(huán)境是否會(huì)對(duì)全電推進(jìn)衛(wèi)星造成影響？

地球的外層空間位于700～10000km高度有2條高能質(zhì)子輻射帶，即范·艾倫輻射帶。全電推進(jìn)衛(wèi)星在長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的變軌時(shí)間內(nèi)，長(zhǎng)期處于并頻繁穿越高能質(zhì)子輻射帶，對(duì)衛(wèi)星抗輻射能力提出了很高的要求。2010年，美國(guó)成功挽救了先進(jìn)極高頻－1（AEHF－1）衛(wèi)星，依靠電推進(jìn)系統(tǒng)在經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)14個(gè)月的軌道轉(zhuǎn)移之后，最終成功將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，并且仍能保證14年的工作壽命，或許跟該衛(wèi)星是一顆軍用的、高防護(hù)、抗核加固的衛(wèi)星有關(guān)。而此次發(fā)射的是一顆普通的商用衛(wèi)星，是否還能夠順利穿越高能輻射帶，星上的電子設(shè)備是否會(huì)出現(xiàn)故障？值得我們重點(diǎn)關(guān)注。

看點(diǎn)2：全電推進(jìn)衛(wèi)星到底需要多長(zhǎng)時(shí)間才能入軌？

傳統(tǒng)的靜止軌道衛(wèi)星依靠遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)完成軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，一般僅需花費(fèi)2～3周即可到達(dá)預(yù)定軌位，然而，按照現(xiàn)有電推進(jìn)系統(tǒng)的能力，全電推進(jìn)衛(wèi)星至少需要6個(gè)月才能進(jìn)入地球靜止軌道。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，全電推進(jìn)衛(wèi)星的有效載荷在軌道轉(zhuǎn)移過(guò)程中不能開(kāi)機(jī)，衛(wèi)星的“空轉(zhuǎn)”時(shí)間比化學(xué)推進(jìn)衛(wèi)星增加了幾個(gè)月，這段時(shí)間無(wú)法盈利，相當(dāng)于增加了運(yùn)營(yíng)商的投入成本。對(duì)于提供在軌交付的制造商來(lái)說(shuō)，這幾個(gè)月也會(huì)算作衛(wèi)星交付周期之內(nèi)，增加了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不利因素。因此，衛(wèi)星到底多長(zhǎng)時(shí)間能夠進(jìn)入最后軌道，成為跟運(yùn)營(yíng)商和制造商經(jīng)濟(jì)收入密切相關(guān)的重要因素。

看點(diǎn)3：全電推進(jìn)衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移過(guò)程中地面控制如何進(jìn)行？

比起化學(xué)推進(jìn)衛(wèi)星，電推進(jìn)衛(wèi)星由于推力較小，推力器的點(diǎn)火次數(shù)顯著增加，點(diǎn)火時(shí)間大幅延長(zhǎng)，這期間需要很多技術(shù)人員全程參與。在全電推進(jìn)衛(wèi)星的變軌過(guò)程中，要不斷修正變軌策略，星地間數(shù)據(jù)交換頻繁，有可能帶來(lái)人工運(yùn)行管理風(fēng)險(xiǎn)。有消息稱，波音公司的BSS－702SP平臺(tái)衛(wèi)星加強(qiáng)了自主運(yùn)行管理設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了高自動(dòng)化的點(diǎn)火規(guī)劃運(yùn)行系統(tǒng)，使得全電推進(jìn)衛(wèi)星的地面運(yùn)行管理的工作量達(dá)到之前化學(xué)推進(jìn)衛(wèi)星xiang相接近。但該系統(tǒng)應(yīng)用的效果如何，是否會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星出現(xiàn)在軌故障，值得重點(diǎn)分析。

看點(diǎn)4：全電推進(jìn)衛(wèi)星的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)如何？

傳統(tǒng)衛(wèi)星的電源系統(tǒng)一般由有效載荷決定。然而，全電推進(jìn)衛(wèi)星在軌道轉(zhuǎn)移過(guò)程中，不再使用傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)，而主要用電推進(jìn)完成軌道提升，需要更多功率，會(huì)耗費(fèi)更多電力，甚至于與有效載荷整個(gè)周期內(nèi)消耗的最多功率相當(dāng)，因而同有效載荷系統(tǒng)一樣，電推進(jìn)系統(tǒng)也成為電源設(shè)計(jì)的重要考慮因素。此外，還需要考慮推力器連續(xù)點(diǎn)火導(dǎo)致的儲(chǔ)能電池工作壽命和太陽(yáng)電池翼尺寸問(wèn)題，須預(yù)備額外2kW的功率余量。歐洲全電推進(jìn)衛(wèi)星方案顯示，在衛(wèi)星進(jìn)行軌道提升時(shí)，計(jì)劃兩個(gè)電推力器同時(shí)開(kāi)機(jī)，電推進(jìn)系統(tǒng)的功率高達(dá)9.6kW；在衛(wèi)星進(jìn)行位置保持時(shí)，1個(gè)電推力器開(kāi)機(jī)工作，分配給電推進(jìn)子系統(tǒng)的功率僅需3.2kW。因此，此次波音公司全電推進(jìn)衛(wèi)星的電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能如何，值得我們關(guān)注。

看點(diǎn)5：全電推進(jìn)衛(wèi)星“一箭雙星”的發(fā)射過(guò)程如何？

整裝測(cè)試中的ABS-3A衛(wèi)星

全電推進(jìn)衛(wèi)星在現(xiàn)階段的核心優(yōu)勢(shì)，在于衛(wèi)星質(zhì)量大幅降低，利用同樣的運(yùn)載火箭可以采用“一箭雙星”發(fā)射方式，發(fā)射費(fèi)用的大幅下降。據(jù)國(guó)外媒體計(jì)算顯示，亞洲廣播衛(wèi)星－3A全電推進(jìn)衛(wèi)星的建造、發(fā)射和保險(xiǎn)費(fèi)用合計(jì)1.75億～1.8億美元，對(duì)比混合推進(jìn)衛(wèi)星的2.5億～2.75億美元少了接近1億美元。因此，波音公司為這種兩顆衛(wèi)星堆疊發(fā)射技術(shù)申請(qǐng)了專利。相比起之前阿里安－5火箭和俄羅斯質(zhì)子號(hào)火箭進(jìn)行的“一箭雙星”發(fā)射，最大的不同在于波音能夠支持兩顆完全相同的全電推進(jìn)高功率衛(wèi)星的發(fā)射，而通常上述歐俄兩家火箭只能發(fā)射一大一小兩顆衛(wèi)星，并且不包括全電推進(jìn)或是混合推進(jìn)的衛(wèi)星。波音公司的“一箭雙星”發(fā)射是一種創(chuàng)新。

看點(diǎn)6：國(guó)外運(yùn)營(yíng)商對(duì)此次全電推進(jìn)衛(wèi)星發(fā)射做何評(píng)價(jià)？

對(duì)于衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，特別是用戶基礎(chǔ)較為薄弱的中小型衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商，能夠以近一半的價(jià)格采購(gòu)?fù)饶芰Φ男l(wèi)星，具有極大的吸引力。然而，只有尋找到與該運(yùn)營(yíng)商匹配的衛(wèi)星才能享受到全電推進(jìn)和“一箭雙星”帶來(lái)的商業(yè)價(jià)值，因此，衛(wèi)星的匹配問(wèn)題成了制約全電推進(jìn)衛(wèi)星訂單的“瓶頸”，例如，2014年印尼衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商PSN欲采購(gòu)一顆全電推進(jìn)衛(wèi)星，整整花費(fèi)了1年的時(shí)間都未能找到匹配的衛(wèi)星，最終放棄。該公司稱，雖然意識(shí)到全電推進(jìn)帶來(lái)的巨大優(yōu)勢(shì)，但還處于觀望狀態(tài)，等待多顆全電推進(jìn)衛(wèi)星成功發(fā)射。這也反映了國(guó)外運(yùn)營(yíng)商對(duì)于全電推進(jìn)的普遍態(tài)度。