東方紅五號(hào)：以“更大、更高、更強(qiáng)”領(lǐng)先國(guó)際

文/ 崔恩慧

▲ 長(zhǎng)五遙三運(yùn)載火箭發(fā)射實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星

通信衛(wèi)星的發(fā)展水平代表著一個(gè)國(guó)家在航天科技領(lǐng)域的科技水平，也是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要體現(xiàn)。東方紅五號(hào)平臺(tái)的出現(xiàn)填補(bǔ)了該系列大型衛(wèi)星平臺(tái)型譜的空白，可滿足中國(guó)近20年內(nèi)大功率通信衛(wèi)星的需求。作為我國(guó)新一代地球同步軌道大型衛(wèi)星公用平臺(tái)，東五平臺(tái)注定要成為中國(guó)衛(wèi)星研制歷史上又一座里程碑。

東方紅五號(hào)平臺(tái)的立項(xiàng)之路，走了整整十年。相比之前的“東方紅家族”，東五平臺(tái)衛(wèi)星可謂更大、更高、更強(qiáng)，指標(biāo)國(guó)際領(lǐng)先，具有“高承載、高功率、高熱耗、高控制精度”的特點(diǎn)，主要滿足未來5至15年內(nèi)通信、微波遙感和光學(xué)遙感等載荷對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的需求，使我國(guó)真正躋身國(guó)際一流通信衛(wèi)星的“俱樂部”。

領(lǐng)跑國(guó)際市場(chǎng)

東方紅五號(hào)平臺(tái)的研制工作是從2008年中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部成立之初開始的。當(dāng)時(shí)國(guó)際市場(chǎng)對(duì)東五平臺(tái)的需求很迫切，渴求大容量通信衛(wèi)星的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)用戶早就“盯”上了這個(gè)具有升級(jí)換代意義的衛(wèi)星平臺(tái)。

我國(guó)東方紅系列衛(wèi)星公用平臺(tái)及型譜化產(chǎn)品中，長(zhǎng)期以來缺少大型衛(wèi)星平臺(tái)，東五平臺(tái)的出現(xiàn)填補(bǔ)了這一空白。

2010年，中國(guó)空間技術(shù)研究院正式啟動(dòng)對(duì)新一代通信衛(wèi)星平臺(tái)的研制工作，并自籌經(jīng)費(fèi)進(jìn)行先期技術(shù)攻關(guān)。

當(dāng)時(shí)對(duì)東五的定位是：能夠適應(yīng)新一代大型地球同步軌道通信衛(wèi)星和對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星等需求的全新大型衛(wèi)星平臺(tái)，要能夠滿足未來更大容量、更大功率、更高承載能力、更長(zhǎng)壽命、可拓展的通信衛(wèi)星的研制需求。

此外，東五平臺(tái)還肩負(fù)著闖市場(chǎng)的時(shí)代使命。除了應(yīng)用于傳統(tǒng)的通信衛(wèi)星，該平臺(tái)還能適應(yīng)微波遙感和光學(xué)遙感衛(wèi)星的新需求。其推廣也被國(guó)家列入“一帶一路”的戰(zhàn)略規(guī)劃之中。

東方紅五號(hào)平臺(tái)、東方紅四號(hào)增強(qiáng)型平臺(tái)、東方紅三號(hào)B平臺(tái)、全電推平臺(tái)這四款主打產(chǎn)品一旦推向市場(chǎng)，將意味著我國(guó)的通信衛(wèi)星在國(guó)際市場(chǎng)上從“跟隨者”變身為“領(lǐng)跑者”。

不僅如此，東五平臺(tái)還將引領(lǐng)我國(guó)航天器設(shè)計(jì)與制造相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，帶動(dòng)我國(guó)大型衛(wèi)星公用平臺(tái)升級(jí)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(shí)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(guó)際商業(yè)衛(wèi)星市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的新優(yōu)勢(shì)。

全面技術(shù)跨越

▲ 廠房里的實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星

▲ 珠海航展上展出的東方紅五號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)

▲ 衛(wèi)星電推進(jìn)研制

東五平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，具有高承載、大功率、高散熱、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，采用了一系列新的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)，能適應(yīng)通信、遙感等多種載荷要求。它與目前世界最先進(jìn)的Alphabus衛(wèi)星平臺(tái)指標(biāo)相當(dāng)，部分指標(biāo)甚至超過Alphabus。

從通信容量來說，作為未來寬帶大容量衛(wèi)星的平臺(tái)，東五平臺(tái)每秒速度可達(dá)150千兆字節(jié)以上，容量將由目前的20G提高到300G。東四平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)器僅有40多路，而東五平臺(tái)采取了全新的設(shè)計(jì)理念，將轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量提高到多達(dá)100余路。

此外，寬帶大容量衛(wèi)星應(yīng)用的是多波束天線，對(duì)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(tái)還采用了長(zhǎng)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。

在東三、東四平臺(tái)模塊化研制理念基礎(chǔ)上，研制團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步縮減研制成本和周期，對(duì)東五平臺(tái)進(jìn)行了徹底的分艙模塊化設(shè)計(jì)。東五平臺(tái)和載荷艙的研制工作并行開展，互不干擾，研制完成后直接將接口電纜連接，組合為整星。

東五平臺(tái)的設(shè)備數(shù)量與前幾代平臺(tái)相比也大幅增加，這就造成了載荷艙發(fā)熱量飆升至9千瓦。按照東四平臺(tái)每平米艙板散熱量250瓦計(jì)算，東五平臺(tái)需要艙板面積將達(dá)36平米，面積過大難以實(shí)施。

針對(duì)這一問題，研制團(tuán)隊(duì)一方面為東五平臺(tái)設(shè)計(jì)了雙面散熱的可展開熱輻射器，擴(kuò)展其散熱面積；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。

為了突破大容量通信衛(wèi)星的承載能力瓶頸，研制團(tuán)隊(duì)在東五平臺(tái)上還應(yīng)用了電推進(jìn)器。與化學(xué)推進(jìn)器相比，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(zhǎng)其在軌服務(wù)壽命。

▲ 東方紅五號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)

使用電推力器后，東五平臺(tái)能夠承載的有效載荷重量為1500千克，是東四平臺(tái)的2.5倍、東三平臺(tái)的7.5倍；載荷功率為18千瓦，是東四平臺(tái)的3倍、東三平臺(tái)的9倍。

東四平臺(tái)在軌每年要消耗45千克推進(jìn)劑，按在軌15年來算，推進(jìn)劑共需約700千克。東五平臺(tái)采用大功率雙模式的電推進(jìn)技術(shù)，每年耗費(fèi)10千克氙氣，同樣在軌15年只需要150千克左右的氙氣，比沖卻能提高10倍以上。東三B平臺(tái)也采用了電推進(jìn)技術(shù)，但是只應(yīng)用在位置保持時(shí)。東五平臺(tái)更進(jìn)一步，在由地球同步轉(zhuǎn)移軌道向地球靜止軌道轉(zhuǎn)換時(shí)，利用了化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)混合變軌。

除了應(yīng)用電推進(jìn)技術(shù)，研制團(tuán)隊(duì)對(duì)東五平臺(tái)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)也進(jìn)行了升級(jí)換代。貯箱由東四平臺(tái)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3代490牛變軌發(fā)動(dòng)機(jī)和10牛推力器，實(shí)現(xiàn)高比沖的同時(shí)兼顧沖量精準(zhǔn)。

通信衛(wèi)星的主承力結(jié)構(gòu)一般都較高，但過高的身型易產(chǎn)生震動(dòng)，會(huì)使相機(jī)力學(xué)環(huán)境變差。東五平臺(tái)載荷相機(jī)的口徑比哈勃望遠(yuǎn)鏡還要大，因此“身高”必須降下來。

為此，研制團(tuán)隊(duì)首次采用了全桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將主承力結(jié)構(gòu)高度降為1.78米，比東四平臺(tái)還要矮一半多。桁架式主承力結(jié)構(gòu)的研制是東五平臺(tái)開發(fā)成敗的關(guān)鍵之一。結(jié)構(gòu)調(diào)整后，不僅保證了遙感相機(jī)的工作環(huán)境，也降低了平臺(tái)重量，使其達(dá)到整星起飛重量8噸的承載要求。

由于肩負(fù)闖市場(chǎng)的使命，東五平臺(tái)在便于用戶應(yīng)用方面下足了功夫。東四衛(wèi)星幾乎每周都需要地面人員進(jìn)行授時(shí)、撤軌和位保。而基于東五平臺(tái)的衛(wèi)星未來可以星上自動(dòng)撤軌并制定位保策略。地面只在衛(wèi)星有嚴(yán)重問題時(shí)才需糾偏。一般故障將會(huì)被衛(wèi)星自行“消化”，并將“自愈”結(jié)果反饋給地面用戶。

實(shí)驗(yàn)星驗(yàn)證成功

2019年12月27日， 基于東方紅五號(hào)衛(wèi)星公用平臺(tái)的首顆新技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證衛(wèi)星——實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星在我國(guó)海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)由長(zhǎng)征五號(hào)遙三火箭成功發(fā)射升空并進(jìn)入預(yù)定軌道。它是我國(guó)研制的發(fā)射重量最重、技術(shù)含量最高的高軌衛(wèi)星。

2020年1月5日上午，實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星成功定點(diǎn)在地球同步軌道，星上載荷陸續(xù)開通。這標(biāo)志著我國(guó)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。

作為東方紅五號(hào)衛(wèi)星公用平臺(tái)首飛試驗(yàn)星，實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星目前已完成轉(zhuǎn)移軌道變軌工作，對(duì)東五平臺(tái)的主要關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

未來，實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星除將對(duì)東五平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全面驗(yàn)證外，還將對(duì)未來空間發(fā)展的新領(lǐng)域、新技術(shù)、新產(chǎn)品進(jìn)行在軌驗(yàn)證，不僅提升平臺(tái)技術(shù)成熟度，還將推動(dòng)牽引以下一代高容量寬帶通信衛(wèi)星為代表的型號(hào)立項(xiàng)工作。