新型高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)當(dāng)前發(fā)展與未來啟示

姚 遠(yuǎn) 蔡亞星 郭玲華/文

2020 年4 月23 日，習(xí)近平總書記在給參與“東方紅一號(hào)”任務(wù)的老科學(xué)家的回信中指出：“新時(shí)代的航天工作者要以老一代航天人為榜樣，大力弘揚(yáng)‘兩彈一星’精神，敢于戰(zhàn)勝一切艱難險(xiǎn)阻，勇于攀登航天科技高峰，讓中國(guó)人探索太空的腳步邁得更穩(wěn)更遠(yuǎn)，早日實(shí)現(xiàn)建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的偉大夢(mèng)想?！弊鳛閼?zhàn)斗在我國(guó)航天通信衛(wèi)星事業(yè)領(lǐng)域的新一代航天人，學(xué)習(xí)領(lǐng)會(huì)總書記的重要指示，我們感到無(wú)比親切，更感責(zé)任重大。

自從我國(guó)“東方紅一號(hào)”通信衛(wèi)星成功發(fā)射以來，半個(gè)世紀(jì)里世界通信衛(wèi)星事業(yè)不斷實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，衛(wèi)星平臺(tái)不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)生了許多新的特點(diǎn)。認(rèn)真分析研究這些特點(diǎn)，特別是分析研究新型高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)的創(chuàng)新特點(diǎn)、創(chuàng)新文化，對(duì)于改進(jìn)提升我國(guó)新型高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)具有重大深遠(yuǎn)意義，是建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的一項(xiàng)實(shí)際行動(dòng)。本文試對(duì)國(guó)際新型高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)當(dāng)前發(fā)展作出概述分析，以期描繪我國(guó)通信衛(wèi)星平臺(tái)領(lǐng)域發(fā)展的方向。

國(guó)際新型高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)創(chuàng)新潮流

新型高軌通信衛(wèi)星是國(guó)際民用商用衛(wèi)星市場(chǎng)中份額最高、競(jìng)爭(zhēng)最為激烈的領(lǐng)域。全球平均每年發(fā)射約20 顆大型通信衛(wèi)星，約占商業(yè)通信衛(wèi)星總量的80%。針對(duì)各類用戶對(duì)高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)的綜合性能、效費(fèi)比、研制周期、可靠性、兼容性提出的技術(shù)創(chuàng)新要求，近年來全球各大衛(wèi)星制造商開始著力研究并開發(fā)新型高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)。

洛克希德.馬丁公司及其新型LM2100 平臺(tái)。該公司早在20 世紀(jì)90 年代就推出A2100 平臺(tái)，并提前10 年啟動(dòng)了“全面檢查并升級(jí)A2100 衛(wèi)星平臺(tái)”的一項(xiàng)內(nèi)部投資計(jì)劃，推出了LM50、LM400、LM1000、LM2100 等4 個(gè)全新平臺(tái)。如下圖所示：

洛克希德.馬丁公司新型衛(wèi)星平臺(tái)

以LM2100 為最新標(biāo)志的新平臺(tái)采用了集成通用化、先進(jìn)制造技術(shù)、并行制造策略等的設(shè)計(jì)理念，比之前的A2100 有26 項(xiàng)性能提升。其中最重要的創(chuàng)新就是采用柔性太陽(yáng)翼，開發(fā)石墨桅桿和展開系統(tǒng)，提供更多功率、更輕重量以及更小包絡(luò)。平臺(tái)推進(jìn)系統(tǒng)提供全電、全化學(xué)、混合推進(jìn)三種方式，對(duì)于電推進(jìn)，使用霍爾電推力器，變軌時(shí)間為其他電推進(jìn)系統(tǒng)的一半。平臺(tái)能力可擴(kuò)展到16kW 以上載荷功率，星上處理器實(shí)現(xiàn)在軌重構(gòu)。LM2100 平臺(tái)還具有可擴(kuò)展制造特性，使用了包括3D 打印、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字設(shè)計(jì)等多項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，使短周期、低成本產(chǎn)品在衛(wèi)星研制各階段可精準(zhǔn)裝配，等等。基于LM2100 的衛(wèi)星發(fā)射重量2300～6500kg，整星功率20kW，載荷可擴(kuò)展到1000kg 和12kW。平臺(tái)狀態(tài)為HellasSat-4通信衛(wèi)星于2019 年2 月5 日首飛成功發(fā)射入軌，3 星在軌。

概括起來，LM2100 平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新主要體現(xiàn)在四方面：

面向需求的設(shè)計(jì)：擴(kuò)展有效載荷重量、功率和散熱能力范圍，適應(yīng)各類任務(wù)使命；

面向成本的設(shè)計(jì)：簡(jiǎn)化架構(gòu)并縮減產(chǎn)品的類型和數(shù)量，從根本上縮減研制成本和相關(guān)部件的研制周期；

面向生產(chǎn)的設(shè)計(jì)：修改了架構(gòu)和總裝流程，以提升制造和測(cè)試流程；

面向任務(wù)的設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)軍事和商業(yè)用戶所需的平臺(tái)特性與鑒定測(cè)試要求，對(duì)各類任務(wù)使命通用性好。

基于LM2100 的Arabsat 6A 和Hellassat-4 衛(wèi)星示意圖

歐洲航天局ARTES 計(jì)劃下的新型NEOSAT 平臺(tái)。該平臺(tái)瞄準(zhǔn)發(fā)射質(zhì)量3 至6 噸的主流通信衛(wèi)星市場(chǎng)，通過創(chuàng)新技術(shù)、降低成本、縮短生產(chǎn)周期等手段，使其整體競(jìng)爭(zhēng)力與歐洲現(xiàn)有平臺(tái)相比提升30%，并在2018—2030 年期間實(shí)現(xiàn)50%的市場(chǎng)占有率，即獲得約150 顆衛(wèi)星的研制合同，預(yù)計(jì)可為歐洲帶來約250億歐元的衛(wèi)星制造收入。

NEOSAT 項(xiàng)目產(chǎn)品的基本指標(biāo)：

可以滿足中型衛(wèi)星任務(wù)要求；

與獵鷹-9 火箭發(fā)射臺(tái)及4 米整流罩發(fā)射臺(tái)全程兼容；

充分的模塊化理念和完整的電子化平臺(tái)；

可選的推進(jìn)模塊：增加推進(jìn)的持續(xù)時(shí)間；

熱控：通過液體循環(huán)或采用可展開輻射器（DPR）。

幾乎同時(shí)，空客防務(wù)與航天公司（ADS）開發(fā)了Eurostar NEO 新型高軌通信衛(wèi)星平臺(tái)，泰雷茲阿萊尼亞航天公司（TAS）開發(fā)了SpaceBus NEO 新型高軌通信衛(wèi)星平臺(tái)。這兩種平臺(tái)都具有全電推配置、全化學(xué)推進(jìn)配置和化推+電推混合配置的類型特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星平臺(tái)全面性、體系性、系統(tǒng)性和先進(jìn)性的創(chuàng)新。目前平臺(tái)狀態(tài)為10 星在研，一星在軌。

概括起來，新型NEOSAT 平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新主要體現(xiàn)在四方面：

面向市場(chǎng)化需求：整體競(jìng)爭(zhēng)力比歐洲現(xiàn)有平臺(tái)提升30%，爭(zhēng)得全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；

面向?qū)掃m應(yīng)要求：發(fā)射重量3000～6000kg，支持多種運(yùn)載發(fā)射；

面向集成化特點(diǎn)：縮減單機(jī)種類，采用3D 打印技術(shù)；

面向模塊化設(shè)計(jì)：推進(jìn)艙、載荷艙、東西板、太陽(yáng)翼，并行總裝、整體對(duì)接，縮減研制周期至18～36 個(gè)月。歐洲高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)型譜規(guī)劃。

德國(guó)OHB 系統(tǒng)公司及其新型Small GEO 平臺(tái)。Small GEO 平臺(tái)是ARTES 計(jì)劃下，由OHB 系統(tǒng)公司研制的小型公用靜止軌道衛(wèi)星平臺(tái)項(xiàng)目。采用模塊化、批量化、多運(yùn)載兼容、創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用等的設(shè)計(jì)理念。技術(shù)創(chuàng)新和管理上的特點(diǎn)是：高度模塊化的航天器設(shè)計(jì)，促使供應(yīng)商在系統(tǒng)設(shè)計(jì)早期參與合作；平臺(tái)設(shè)備的批量化生產(chǎn)強(qiáng)化了設(shè)計(jì)以降低成本和優(yōu)化集成過程；從部件到系統(tǒng)開展火箭兼容性設(shè)計(jì)，可兼容多種運(yùn)載火箭。Small GEO 平臺(tái)提升了衛(wèi)星的好用性和易用性。平臺(tái)也有全化學(xué)推進(jìn)、混合推進(jìn)和全電推進(jìn)三種配置，其中全電推進(jìn)配置能夠提供最大的有效載荷承載能力。平臺(tái)狀態(tài)是2017 年首飛，目前2 星在軌，7 星在研。

概括起來，Small GEO 平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新主要體現(xiàn)在四方面：

面向需求的靈活和可伸縮性設(shè)計(jì)，適應(yīng)較大有效載荷重量、功率和散熱能力的范圍，兼容各種運(yùn)載火箭；

基于Small GEO 平臺(tái)的衛(wèi)星展開示意圖

面向成本的設(shè)計(jì)，從根本上縮減了研制成本和相關(guān)部件的研制周期；

繼承典型GEO 衛(wèi)星的AIT 流程，并行開展平臺(tái)、推進(jìn)和載荷的集成和測(cè)試；

利用GNSS 導(dǎo)航和電推進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)GEO 軌道自主位置保持，降低運(yùn)行維護(hù)成本。

中國(guó)高軌通信衛(wèi)星平臺(tái)型譜及DFH-5 平臺(tái)的成功實(shí)踐

中國(guó)在傳統(tǒng)高軌通信衛(wèi)星平臺(tái)型譜基礎(chǔ)上，持續(xù)提升平臺(tái)能力，成功新研東方紅3 號(hào)電推型（DFH-3E）、東方紅4 號(hào)增強(qiáng) 型（DFH-4E）、東方紅5 號(hào)（DFH-5），并拓展了低軌使用的東方紅4 號(hào)L 型（DFH-4L）等衛(wèi)星平臺(tái)。展現(xiàn)的創(chuàng)新特點(diǎn)集中在兩個(gè)方面：

一方面，新型高軌DFH-5 衛(wèi)星平臺(tái)是我國(guó)自主開發(fā)的跨代發(fā)展平臺(tái)。DFH-5平臺(tái)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了智能化自主運(yùn)行管理，有效提升衛(wèi)星的好用性、易用性；通過分艙模塊化設(shè)計(jì)和數(shù)字化研制模式，大幅縮短研制周期，有效提高了設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。平臺(tái)的桁架結(jié)構(gòu)技術(shù)比傳統(tǒng)的承力筒式結(jié)構(gòu)承載能力更大、適應(yīng)性更強(qiáng)。DFH-5 平臺(tái)采用更為高效的化學(xué)推進(jìn)技術(shù)，有效提升推進(jìn)劑利用效率。同時(shí)，平臺(tái)采用了大推力、多模式的LIPS-300 電推進(jìn)系統(tǒng)，在衛(wèi)星發(fā)射重量不變的情況下提升承載能力，大幅提高使用效益。平臺(tái)采用二維二次展開半剛性太陽(yáng)翼、20kW 大功率電源控制器、高比能量的鋰離子蓄電池等關(guān)鍵技術(shù)，大幅提高衛(wèi)星電源效率。DFH-5 平臺(tái)萬(wàn)瓦級(jí)高效散熱技術(shù)依托可展開熱輻射器和新型流體回路，有效提升了載荷艙容納比和散熱能力。

另一方面，DFH-5 平臺(tái)具有“高承載、大功率、高散熱、長(zhǎng)壽命、可擴(kuò)展”等特點(diǎn)。基于DFH-5 平臺(tái)，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，衛(wèi)星起飛重量可達(dá)8000～9000kg，載荷承載能力可達(dá)1500～1800kg；整星功率28kW 以上，提供載荷功率達(dá)18kW；載荷艙的散熱能力達(dá)9kW；設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)16 年。其成功案例是：2019 年12 月27 日，實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星成功發(fā)射，衛(wèi)星經(jīng)歷7 次軌道機(jī)動(dòng)后，在36000km 高度的地球同步軌道成功定點(diǎn)，標(biāo)志著DFH-5 衛(wèi)星公用平臺(tái)首飛成功，達(dá)到國(guó)際相同領(lǐng)域最高水平。

東方紅五號(hào)衛(wèi)星在技術(shù)廠房

東方紅五號(hào)衛(wèi)星將為更多的國(guó)家提供通信服務(wù)

國(guó)際新型高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)際民用商用衛(wèi)星市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。美國(guó)在國(guó)際市場(chǎng)上由2000 年近70%的份額跌至2010 年的50%，同時(shí)期，歐洲則在30%的份額中徘徊，包括俄羅斯與亞洲“新來者”同期奮起直追，由不到10%的份額提升了將近一倍，達(dá)到20%。發(fā)展新型高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)成為爭(zhēng)奪國(guó)際民商衛(wèi)星市場(chǎng)的重要途徑與手段。初步分析，國(guó)際新型高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)是：

衛(wèi)星平臺(tái)產(chǎn)品注重集成化、通用化設(shè)計(jì)。如LM2100 縮減了56%部件種類，縮短了28%的交貨周期，開發(fā)了280多個(gè)通用化部件，可用于不同規(guī)模衛(wèi)星。

衛(wèi)星平臺(tái)注重面向AIT 優(yōu)化設(shè)計(jì)。如SpaceBus NEO 平臺(tái)針對(duì)并行測(cè)試，將通信艙分艙設(shè)計(jì)，分開總裝和測(cè)試，實(shí)現(xiàn)縮短測(cè)試時(shí)間的目標(biāo)。

衛(wèi)星平臺(tái)注重可擴(kuò)展設(shè)計(jì)。如NEO 平臺(tái)發(fā)射重量可在3～6 噸重量范圍內(nèi)擴(kuò)展，LM2100 平臺(tái)發(fā)射重量可在2～7 噸重量范圍內(nèi)擴(kuò)展，適應(yīng)多類運(yùn)載，提升了平臺(tái)對(duì)不同應(yīng)用需求的適應(yīng)能力。

衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)廣泛采用高效電推進(jìn)技術(shù)。如LM2100、NEOSAT、Small GEO 等多類新型高軌通用平臺(tái)都有全化、全電、混合推進(jìn)三種配置，提升平臺(tái)的承載能力。

衛(wèi)星平臺(tái)以高效低成本短周期為目標(biāo)。先進(jìn)的國(guó)際新型高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)均采用基于全電推和模塊化的平臺(tái)產(chǎn)品，并配置基于全數(shù)字化的載荷產(chǎn)品，使提供通用化高軌衛(wèi)星產(chǎn)品變?yōu)榭赡艿耐瑫r(shí)，成本降低30%，研制周期縮短。

國(guó)際新型高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)展的啟示

未來10～20 年，通信、遙感、空間科學(xué)探測(cè)、科學(xué)試驗(yàn)、在軌服務(wù)等多領(lǐng)域民用商用市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，這對(duì)高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)提出了更高的新要求。適應(yīng)這一要求，新時(shí)代的航天通信人和各級(jí)管理者必須堅(jiān)持創(chuàng)新文化，在以下幾個(gè)方面尋求新的突破:

在對(duì)標(biāo)超越國(guó)際先進(jìn)平臺(tái)上尋求突破。航天是一項(xiàng)競(jìng)爭(zhēng)的事業(yè)，通信衛(wèi)星平臺(tái)必須不斷實(shí)現(xiàn)超越。我們應(yīng)該樹立國(guó)際視野、拓展世界眼光、強(qiáng)化戰(zhàn)略思維，時(shí)刻把衛(wèi)星平臺(tái)建設(shè)的目光瞄向同行業(yè)發(fā)展的最前沿。

在核心關(guān)鍵技術(shù)上尋求突破。新型高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)需盡可能采用自主化、通用化、集成化、數(shù)字化、智能化新技術(shù)，全面提升表征平臺(tái)先進(jìn)性的技術(shù)指標(biāo)，如載干比（載荷/干重）、熱控干重比（熱控、干重）、能源干重比（供配電/干重）、結(jié)構(gòu)效率（結(jié)構(gòu)/發(fā)射重量）、能力指數(shù)（單位發(fā)射重量實(shí)現(xiàn)的載荷綜合能力）等。

在平臺(tái)產(chǎn)品綜合質(zhì)量上尋求突破。我國(guó)DFH-5平臺(tái)能力指數(shù)已進(jìn)入國(guó)際第一梯隊(duì)，但在高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)產(chǎn)品層面仍顯不足，如結(jié)構(gòu)效率較低、熱控和能源系統(tǒng)重量較重、單機(jī)集成度有提升空間、整星可靠性有待提高等。

在平臺(tái)系統(tǒng)管理能力上尋求突破。面對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，在總體設(shè)計(jì)層面還需再度縮短研制周期、降低研制成本，優(yōu)化研制模式，提高衛(wèi)星產(chǎn)品靈活可重構(gòu)、用戶需求可定制的能力。

在系統(tǒng)整合節(jié)約拓展平臺(tái)型譜種類上尋求突破。我國(guó)還需集約平臺(tái)型譜種類，開發(fā)適應(yīng)2-6t 衛(wèi)星發(fā)射重量的新型高軌公用衛(wèi)星平臺(tái)，不斷優(yōu)化提升我國(guó)衛(wèi)星平臺(tái)先進(jìn)能力。