更大、更高、更強(qiáng)：東五平臺比肩國際一流

文/ 清心

2019年12月27日，基于東方紅五號衛(wèi)星公用平臺的首顆新技術(shù)試驗驗證衛(wèi)星——實踐二十號衛(wèi)星在我國海南文昌航天發(fā)射場由長征五號遙三火箭成功發(fā)射升空并進(jìn)入預(yù)定軌道。

2020年1月5日上午，實踐二十號衛(wèi)星成功定點在地球同步軌道，星上載荷陸續(xù)開通。這標(biāo)志著我國目前重量最大、技術(shù)最先進(jìn)的通信衛(wèi)星具備了正式提供服務(wù)的能力。

東方紅五號衛(wèi)星平臺的立項之路，走了整整10年。作為我國下一代地球同步軌道大型衛(wèi)星公用平臺，東五平臺注定要成為中國衛(wèi)星研制歷史上的又一座里程碑。相比之前的東方紅“家族”，東五平臺衛(wèi)星可謂更大、更高、更強(qiáng)，指標(biāo)領(lǐng)先國際，具有“高承載、高功率、高散熱、高控制精度”等特點，主要滿足未來近20年內(nèi)通信、微波遙感和光學(xué)遙感等載荷對衛(wèi)星平臺的需求，使我國真正躋身國際一流通信衛(wèi)星的“俱樂部”。

邁上一個大臺階

曾有人問東五平臺總指揮周志成院士，為什么要研發(fā)東五平臺？“因為我國需要大容量的通信衛(wèi)星?！敝苤境梢谎砸员沃?。

早在2008年通信衛(wèi)星事業(yè)部成立之初，中國空間技術(shù)研究院就啟動了對東五平臺的研制工作?？是蟠笕萘客ㄐ判l(wèi)星的國內(nèi)外市場，早就“盯”上了這個具有升級換代意義的衛(wèi)星平臺。

“國際市場對東五平臺的需求是很迫切的?！睉{借對通信衛(wèi)星市場的超前分析，東方紅“家族”研制團(tuán)隊敏銳地發(fā)現(xiàn)。

長期以來，我國形成了以東方紅三號、東方紅四號等為代表的東方紅系列衛(wèi)星公用平臺及型譜化產(chǎn)品。東五平臺的出現(xiàn)將填補(bǔ)該系列大型衛(wèi)星平臺型譜的空白，可滿足中國近20年內(nèi)對大功率通信衛(wèi)星的需求。但在當(dāng)時，東五平臺到底應(yīng)該是怎樣的，研制人員坦言“自己也沒想清楚”。

2010年，通信衛(wèi)星事業(yè)部以“新型衛(wèi)星平臺研究室”為依托，正式啟動對新一代通信衛(wèi)星平臺的研制工作，并自籌經(jīng)費進(jìn)行先期技術(shù)攻關(guān)。與此同時，中國空間技術(shù)研究院也在跟蹤世界最前沿的技術(shù)，擴(kuò)展原有衛(wèi)星平臺的技術(shù)水平。

大家對東五平臺的期待逐步達(dá)成了共識：這應(yīng)該是能夠適應(yīng)新一代大型地球同步軌道通信衛(wèi)星和對地觀測衛(wèi)星等需求的全新大型衛(wèi)星平臺；或者說，能夠滿足未來更大容量、更大功率、更高承載能力、更長壽命、可拓展的通信衛(wèi)星的研制需求。

▲ 廠房里的實踐二十號衛(wèi)星

相比于之前的東四平臺，東五平臺各個方面都上了一個大臺階。尚在研發(fā)階段，便有各方來打探它的消息?！拔覀兊钠脚_還在研制之中，首發(fā)星就已經(jīng)被用戶給‘預(yù)訂’了?！睎|五平臺主任設(shè)計師呂紅劍回憶道。

而東五平臺的研發(fā)，其實是通盤考慮的結(jié)果。對于東方紅系列衛(wèi)星公用平臺的型譜，通信衛(wèi)星事業(yè)部一開始便志存高遠(yuǎn)，從國家整體科技進(jìn)步角度出發(fā)，對通信衛(wèi)星未來幾十年的發(fā)展提前進(jìn)行系統(tǒng)性的頂層規(guī)劃，以滿足用戶的各種需求。東五平臺同時肩負(fù)著闖市場的時代使命。除了應(yīng)用于傳統(tǒng)通信衛(wèi)星，該平臺還能適應(yīng)微波遙感和光學(xué)遙感衛(wèi)星的新需求。

在參與和領(lǐng)導(dǎo)了多個新平臺研制的通信衛(wèi)星專家周志成看來，東方紅五號平臺、東方紅四號增強(qiáng)型平臺、東方紅三號B平臺、全電推平臺這四款主打產(chǎn)品一旦推向市場，將意味著我國的通信衛(wèi)星在國際市場上從“跟隨者”變身為“領(lǐng)跑者”。

不僅如此，東五平臺的橫空出世，還能產(chǎn)生牽一發(fā)而動全身的效應(yīng)?！皷|五平臺的開發(fā)意義重大，它將引領(lǐng)我國航天器設(shè)計與制造相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，帶動我國大型衛(wèi)星公用平臺升級換代和能力跨越式提升，促進(jìn)元器件、原材料和重大共性關(guān)鍵技術(shù)的突破，同時支撐民用空間基礎(chǔ)設(shè)施和航天裝備發(fā)展，形成參與國際商業(yè)衛(wèi)星市場競爭的新優(yōu)勢?！敝苤境煞治龅?。

國務(wù)院新聞辦公室發(fā)布的《2016中國的航天》白皮書指出，未來5年，中國航天將提升衛(wèi)星系統(tǒng)水平和基礎(chǔ)產(chǎn)品能力，構(gòu)建形成衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星通信廣播、衛(wèi)星導(dǎo)航定位三大系統(tǒng)，建設(shè)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，基本建成空間基礎(chǔ)設(shè)施體系。

“東五平臺通信容量可以到80個G，150個G，甚至可以到1個T，融入我們國家的寬帶中國戰(zhàn)略，包括我們現(xiàn)在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)這個大的工程?！敝苤境裳a(bǔ)充說。

此外，根據(jù)《2016中國的航天》白皮書，“一帶一路”空間信息走廊建設(shè)、金磚國家遙感衛(wèi)星星座建設(shè)、航天發(fā)射及搭載服務(wù)等都將是未來5年中國與國際的重點合作領(lǐng)域。而東五平臺的推廣也被國家列入“一帶一路”建設(shè)的規(guī)劃之中。

探索浩瀚宇宙，發(fā)展航天事業(yè)，建設(shè)航天強(qiáng)國，是我們不懈追求的航天夢。如今，黨的十九大報告進(jìn)一步明確提出建設(shè)航天強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)，中國航天事業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展的新時代，中國正在從航天大國邁向航天強(qiáng)國。

“我們只有有了東五這樣的平臺，才算有了實現(xiàn)航天強(qiáng)國目標(biāo)的具體路徑之一?！蓖ㄐ判l(wèi)星事業(yè)部部長助理張偉說。

躋身一流的跨越

“從某種程度上來說，衛(wèi)星平臺好比一輛公共汽車，通過搭載不同的‘乘客’（載荷），來實現(xiàn)衛(wèi)星的應(yīng)用性能?！睎|五平臺總設(shè)計師李峰形象地說。

東五平臺設(shè)計技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，與目前世界上最先進(jìn)的Alphabus衛(wèi)星平臺指標(biāo)相當(dāng)，部分指標(biāo)甚至超過Alphabus。該平臺具有高承載、大功率、高散熱、長壽命等特點，采用了一系列新的設(shè)計理念和技術(shù)，能適應(yīng)通信、遙感等多種載荷要求。

作為未來寬帶大容量衛(wèi)星的平臺，東五平臺的通信容量有了極大躍升——每秒速度可達(dá)150千兆字節(jié)以上，同時可以進(jìn)一步將高通量衛(wèi)星的容量由目前的20G提高到300G。

相較東四平臺重為4～5噸的40多路轉(zhuǎn)發(fā)器，東五平臺轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量多達(dá)100余路，總重量在8噸上下。若采取傳統(tǒng)設(shè)計理念，東五平臺光是龐大的設(shè)備安裝調(diào)試工作量就將是原先的好幾倍。

▲ 實踐二十號衛(wèi)星準(zhǔn)備吊裝

為了縮減研制成本和周期，研制團(tuán)隊在東三、東四平臺模塊化研制理念基礎(chǔ)上，對東五平臺進(jìn)行了徹底的分艙模塊化設(shè)計?！皷|五平臺和載荷艙的研制工作并行開展，研制期間不必‘見面’，待到‘見面’時接口電纜一連接，便組合為整星?！睎|五平臺副總設(shè)計師裴勝偉介紹。

東五平臺與前幾代平臺相比，設(shè)備大幅增加，載荷艙發(fā)熱量隨之升為9千瓦。東四平臺的兩塊艙板直接散熱量為3.7千瓦，按照每平方米艙板250瓦的散熱量，需要面積為14.8平方米的散熱艙板。如果照這樣設(shè)計，東五平臺的艙板將達(dá)36平方米，近乎前者的3倍，面積過大難以實施。

然而，再“大”的難題也難不過通信衛(wèi)星事業(yè)部的東方紅研制團(tuán)隊?？蒲腥藛T一方面為東五平臺設(shè)計了雙面散熱的可展開熱輻射器，擴(kuò)展其散熱面積，使每塊艙板只有10平方米大小；另一方面在載荷艙本體使用了泵驅(qū)單相流體回路，提升其散熱能力，也使整星結(jié)構(gòu)更加緊湊。

此外，寬帶大容量衛(wèi)星應(yīng)用的是多波束天線，對指向控制精度要求極高，指向一旦偏離，通信容易中斷。因此，東五平臺還采用了長壽命的新型半球諧振陀螺，使整星姿態(tài)控制精度可高達(dá)0.03度。

與東方紅“家族”其他衛(wèi)星平臺相比，東五平臺的能力也大不同。科研人員為其設(shè)計的承載有效載荷重量為1500公斤，是東四平臺的2.5倍、東三平臺的7.5倍；載荷功率為18千瓦，是東四平臺的3倍、東三平臺的9倍。

大容量通信衛(wèi)星要突破承載能力瓶頸，電推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用是重要解決手段。相對于化學(xué)推進(jìn)，電推力器比沖高，推進(jìn)劑消耗率低，不僅能有效節(jié)省衛(wèi)星推進(jìn)劑消耗量，還能延長其在軌服務(wù)壽命。

東四平臺在軌每年要消耗45公斤推進(jìn)劑，按在軌15年來算，推進(jìn)劑共需約700公斤?！皷|五平臺采用大功率雙模式的電推進(jìn)技術(shù)，每年耗費10公斤氙氣，同樣在軌15年只需150公斤左右的氙氣，比沖卻能提高10倍以上?！眳渭t劍說。

與東三B平臺只在位置保持時采用電推進(jìn)技術(shù)不同，東五平臺在由地球同步轉(zhuǎn)移軌道向地球靜止軌道轉(zhuǎn)換時，便利用了化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)混合變軌。

此外，科研人員對東五平臺化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)也進(jìn)行了升級換代——由東四平臺的篩網(wǎng)式半管理貯箱變?yōu)榘迨饺芾碣A箱，使推進(jìn)劑管理使用更加靈活；采用第三代490牛變軌發(fā)動機(jī)和10牛推力器，實現(xiàn)高比沖的同時兼顧沖量精準(zhǔn)。

一般通信衛(wèi)星的主承力結(jié)構(gòu)都較高，如東四平臺的中心承力筒高達(dá)3.7米。有了遙感衛(wèi)星需求的東五平臺其載荷相機(jī)口徑比哈勃望遠(yuǎn)鏡還要大，若加裝在這樣的承力筒上，“大高個”身型易產(chǎn)生震動，無疑會使相機(jī)力學(xué)環(huán)境變差。

于是，研制團(tuán)隊對東五平臺首次采用全桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計，將主承力結(jié)構(gòu)高度降為1.78米。桁架式主承力結(jié)構(gòu)的研制是東五平臺開發(fā)成敗的關(guān)鍵之一。經(jīng)過前期試驗，該結(jié)構(gòu)已達(dá)到整星起飛重量8噸的承載要求。

和許多面向市場的衛(wèi)星一樣，東五平臺也具備便于用戶應(yīng)用的特點。以前地面人員大約每周都要對東四衛(wèi)星進(jìn)行授時、測軌和位保，而基于東五平臺的衛(wèi)星未來可以星上自動測軌并制定位保策略。地面只在衛(wèi)星有嚴(yán)重問題時才需糾偏。一般故障將會被衛(wèi)星自行“消化”，并將“自愈”結(jié)果反饋給地面用戶。

未來還有很長的路要走，中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部的研制團(tuán)隊又上路了，且腳步更加堅定。這一次，他們志在攀登高峰，比肩國際。