衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜規(guī)劃

尹玉明 閆璇 王喜奎

（航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071）

文 摘：總結(jié)國(guó)外衛(wèi)星公用平臺(tái) （波音、洛馬、阿姆斯特留等歐美公司制造的衛(wèi)星公用平臺(tái)）的發(fā)展情況和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架，明確平臺(tái)型譜的設(shè)計(jì)原則，選取最能體現(xiàn)衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜固有特性的特征參數(shù)，提出一個(gè)科學(xué)、合理的衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架，形成有序發(fā)展的、成熟的、可應(yīng)用的衛(wèi)星公用平臺(tái)系列。

衛(wèi)星公用平臺(tái)是指能夠根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行適應(yīng)性變化或調(diào)整部分配置，從而支持多種有效載荷、滿足多種任務(wù)要求的衛(wèi)星平臺(tái)。20世紀(jì)70年代，世界主流衛(wèi)星制造商將衛(wèi)星中的公共服務(wù)系統(tǒng)獨(dú)立出來(lái)，開(kāi)展通用化研發(fā)，從而有效地降低了衛(wèi)星研制成本，有利于衛(wèi)星研制規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著空間飛行器發(fā)射數(shù)量與在軌數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)日益增多，建立科學(xué)、合理的衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜，用最少數(shù)目的不同規(guī)格平臺(tái)滿足當(dāng)前和未來(lái)的發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)系列化發(fā)展。

1 國(guó)外主要衛(wèi)星公用平臺(tái)概況

在全球衛(wèi)星制造業(yè)市場(chǎng)上，美國(guó)的波音公司、洛克希德·馬丁公司、勞拉公司，歐洲的阿斯特留姆公司、泰雷斯·阿萊尼亞航天公司、薩瑞衛(wèi)星技術(shù)有限公司等國(guó)外主要的宇航公司處于衛(wèi)星制造業(yè)市場(chǎng)領(lǐng)先的地位，代表了較為先進(jìn)的衛(wèi)星技術(shù)能力。這些公司研制了不同系列的衛(wèi)星公用平臺(tái)，形成了真正意義上的通用化、系列化、模塊化平臺(tái)產(chǎn)品。其衛(wèi)星公用平臺(tái)產(chǎn)品得到了有序規(guī)劃和發(fā)展，可滿足高中低軌、大中小型衛(wèi)星在通信、遙感、導(dǎo)航、科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

1.1 美國(guó)波音公司

圖1 波音公司衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架

1.2 美國(guó)洛克希德·馬丁公司

洛克希德·馬丁公司其通信衛(wèi)星公用平臺(tái)主要有A2100系列、LM系列、Mil-Star系列及DSCS-3系列等；遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)主要有LMx系列和Tiros-N系列。

在通信衛(wèi)星公用平臺(tái)領(lǐng)域具有代表性的平臺(tái)是 A2100系列平臺(tái)，包含 A2100A、A2100AX、A2100M等子型。A2100系列平臺(tái)電源功率從1.5kW到13kW，發(fā)射質(zhì)量從1000kg～3900kg，設(shè)計(jì)壽命13年～15年，滿足不同的用戶需求，實(shí)現(xiàn)不同功率不同質(zhì)量的覆蓋能力。在遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)領(lǐng)域，Tiros-N平臺(tái)廣泛應(yīng)用于 “國(guó)防衛(wèi)星氣象計(jì)劃” （DMSP）和 “諾阿” （NOAA）等美國(guó)氣象衛(wèi)星系列[2]。洛馬公司衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架如圖2所示。

圖2 洛馬公司衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架

1.3 歐洲阿斯特留姆公司

阿斯特留姆公司是歐洲空客集團(tuán)下屬子公司，主打的衛(wèi)星公用平臺(tái)覆蓋全面。近年來(lái)，阿斯特留姆公司通過(guò)廣泛并購(gòu)，建立了更為豐富的衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜。

歐洲星 （Eurostar）系列平臺(tái)是阿斯特留姆公司典型的地球同步軌道通信衛(wèi)星平臺(tái)，Eurostar3000平臺(tái)是其最新的主力衛(wèi)星公用平臺(tái)，衛(wèi)星最大發(fā)射質(zhì)量可達(dá)6150kg，其尺寸和性能具有非常靈活的變化模式，可以滿足衛(wèi)星設(shè)計(jì)和尺寸上的不斷變化。

SPOT系列平臺(tái)是阿斯特留姆公司的遙感衛(wèi)星平臺(tái)，包括MK1、MK2和MK3等子型。MK1、MK2平臺(tái)主要應(yīng)用于法國(guó)早期的SPOT系列商業(yè)衛(wèi)星、Helios（太陽(yáng)神）偵察衛(wèi)星；MK3平臺(tái)進(jìn)一步提高了性能、改進(jìn)了姿軌控和電子設(shè)備基礎(chǔ)，定位于大型高分辨率成像衛(wèi)星平臺(tái)，主要應(yīng)用于SPOT-5民用高分辨率遙感衛(wèi)星和軍用Helios-2衛(wèi)星。

除此之外，阿斯特留姆公司還有針對(duì)極軌地球觀測(cè)項(xiàng)目研制的歐洲極軌平臺(tái) （PPF平臺(tái)）、與泰雷斯·阿萊尼亞公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了大型通信衛(wèi)星平臺(tái)AlphaBus等。阿斯特留姆公司衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架如圖3所示。

圖3 阿斯特留姆公司衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架

1.4 薩瑞衛(wèi)星技術(shù)有限公司

薩瑞衛(wèi)星技術(shù)有限公司 （SSTL公司）是由英國(guó)薩里大學(xué)組建的一家私營(yíng)衛(wèi)星制造公司，成立于1985年，旨在對(duì)該大學(xué)小衛(wèi)星工程研究成果進(jìn)行商業(yè)開(kāi)發(fā)。SSTL公司全面涉足遙感、通信、導(dǎo)航、科學(xué)實(shí)驗(yàn)四大民事衛(wèi)星領(lǐng)域和一些軍事衛(wèi)星領(lǐng)域，先后推出了SSTL-100增強(qiáng)型微型平臺(tái)、SSTL-150微小型平臺(tái)、SSTL-300、SSTL-600等衛(wèi)星平臺(tái)，其型譜框架如圖4所示。

圖4 薩瑞公司衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架

2 國(guó)外衛(wèi)星公用平臺(tái)發(fā)展特點(diǎn)

綜合國(guó)外衛(wèi)星公用平臺(tái)發(fā)展情況，總結(jié)其型譜特點(diǎn)，主要有以下幾方面。

(1)燕窩植生穴。吳江濤等[19]在湖北清江隔河巖庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐中，構(gòu)造燕窩植生穴用以種植耐水淹陸生灌木和挺水植物，并取得了良好的效果。

2.1 軌道是衛(wèi)星公用平臺(tái)設(shè)計(jì)的必要約束條件

衛(wèi)星公用平臺(tái)的主要工作環(huán)境是衛(wèi)星運(yùn)行軌道。從國(guó)外衛(wèi)星平臺(tái)公司的系列框架可以看出，適用于不同軌道的衛(wèi)星平臺(tái)系列都有著不同的型譜框架。例如：美國(guó)洛馬公司的A2100系列平臺(tái)和LMx系列平臺(tái)，A2100系列平臺(tái)適用于地球靜止軌道 （約36000公里），LMx系列平臺(tái)適用于低地球軌道 （低于2000公里）。

2.2 整星發(fā)射重量與衛(wèi)星公用平臺(tái)設(shè)計(jì)密不可分

整星發(fā)射重量表征了衛(wèi)星公用平臺(tái)的規(guī)模，每一個(gè)系列的技術(shù)指標(biāo)中，整星發(fā)射重量都不盡相同。例如：薩瑞公司衛(wèi)星平臺(tái)的四個(gè)系列，每一個(gè)系列的承載質(zhì)量、平臺(tái)質(zhì)量和承載功率都有所不同。SSTL-100的整星發(fā)射重量為98kg，SSTL-150的整星發(fā)射重量為153kg，SSTL300的整星發(fā)射重量為368kg，SSTL-600的整星發(fā)射重量為629kg，其平臺(tái)系列中的命名數(shù)字也與整星發(fā)射重量相關(guān)。

3 我國(guó)衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜規(guī)劃建議

“十三五”以來(lái)，我國(guó)持續(xù)面臨著高強(qiáng)度研制、高密度發(fā)射的形勢(shì)。商業(yè)航天需求爆發(fā)、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇，對(duì)衛(wèi)星的可靠性要求較高的同時(shí)，也對(duì)衛(wèi)星的研制效率和成本提出了較大的要求。以我國(guó)正在論證的 “低軌移動(dòng)星座”為例，計(jì)劃在近年完成幾百顆衛(wèi)星的發(fā)射組網(wǎng)。以傳統(tǒng)型號(hào)為核心的衛(wèi)星研制管理模式越來(lái)越難以滿足我國(guó)對(duì)目前衛(wèi)星研制能力的需求，迫切需要合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜，提高衛(wèi)星公用平臺(tái)可靠性，縮短研制周期，提升研制效益。

3.1 特征參數(shù)選取建議

對(duì)應(yīng)平臺(tái)型譜中每個(gè)規(guī)格的衛(wèi)星公用平臺(tái)，其主要功能性能指標(biāo)包括：衛(wèi)星軌道、整星發(fā)射重量、承載能力、設(shè)計(jì)壽命、姿控指向精度、姿控測(cè)量精度、定點(diǎn)精度、推進(jìn)方式、運(yùn)載火箭及接口等。通過(guò)分析研究國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星公用平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀可得出，衛(wèi)星軌道、整星發(fā)射重量直接影響到衛(wèi)星的總體方案和構(gòu)型設(shè)計(jì)，是最能描述衛(wèi)星公用平臺(tái)的固有特性。

3.1.1 衛(wèi)星軌道

軌道是衛(wèi)星公用平臺(tái)設(shè)計(jì)的必要約束條件，與滿足衛(wèi)星飛行任務(wù)要求直接相關(guān)。衛(wèi)星軌道選擇是衛(wèi)星頂層設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì)的前提 （或依據(jù)）之一，不同軌道高度對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)要求有較大差異，直接影響到衛(wèi)星的總體方案和構(gòu)型設(shè)計(jì)，如近地軌道、大橢圓軌道以及地球同步軌道等均有自己的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法也就不同。表1[3]列出了不同軌道上各種環(huán)境參數(shù)對(duì)衛(wèi)星的影響。由此可知，多數(shù)環(huán)境參數(shù)對(duì)低軌道和中軌道產(chǎn)生的影響基本比較類似。結(jié)合我國(guó)衛(wèi)星公用平臺(tái)的應(yīng)用情況，建議將中軌道和低軌道合成一類，高軌道作為一類。

表1 不同軌道上各種環(huán)境參數(shù)對(duì)衛(wèi)星的影響

3.1.2 整星發(fā)射重量

整星發(fā)射重量是包含衛(wèi)星平臺(tái)、載荷的總重量，往往與衛(wèi)星平臺(tái)供電能力等性能正相關(guān)，因此可作為衛(wèi)星公用平臺(tái)規(guī)格劃分的另一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)[5]。整星發(fā)射重量應(yīng)作為衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜的第一類特征參數(shù)。

此外，根據(jù)實(shí)踐積累的情況，為區(qū)分同一系列公用平臺(tái)型譜不同規(guī)格差異的類型，可以將除衛(wèi)星軌道和整星發(fā)射重量以外的平臺(tái)突出特點(diǎn)作為公用平臺(tái)型譜第二類特征參數(shù)，用于區(qū)分每個(gè)系列里的各個(gè)子型。根據(jù)國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星及公用平臺(tái)發(fā)展的實(shí)踐，可以劃分為基本型、增強(qiáng)型、敏捷型、全電推型等。

3.2 型譜體系框架設(shè)計(jì)

按照第一類特征參數(shù)進(jìn)行平臺(tái)系列分類，根據(jù)第二類特征參數(shù)形成若干平臺(tái)子型。平臺(tái)型譜體系框架可分為高軌道、中低軌道兩大類，初步設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架設(shè)計(jì)

3.3 型譜體系框架優(yōu)化

衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜應(yīng)在平臺(tái)體系框架的基礎(chǔ)上，根據(jù)任務(wù)需求、應(yīng)用數(shù)量等原則進(jìn)行優(yōu)化，一方面以覆蓋現(xiàn)有需求為前提，對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)型譜規(guī)格進(jìn)行整合與固化，有利于產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展；另一方面需要面向未來(lái)需求進(jìn)行拓展，填補(bǔ)能力空白，以實(shí)現(xiàn)更為有效的管理和合理的應(yīng)用[5]。

產(chǎn)品型譜是航天通用產(chǎn)品體系建設(shè)的核心要素[6]，開(kāi)展衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜研究與編制，在總結(jié)以往研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)產(chǎn)品的梳理、固化和能力提升，形成有序發(fā)展的、成熟的、可應(yīng)用的衛(wèi)星公用平臺(tái)系列，引領(lǐng)衛(wèi)星公用平臺(tái)的建設(shè)與發(fā)展。

本文通過(guò)總結(jié)國(guó)外衛(wèi)星公用平臺(tái)發(fā)展情況，設(shè)計(jì)衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架，分析研究后將衛(wèi)星軌道和整星發(fā)射重量作為衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜的主要特征參數(shù)，并進(jìn)一步區(qū)分出若干平臺(tái)子型。此外，衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要隨著衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展持續(xù)研究。因此，平臺(tái)型譜簡(jiǎn)表應(yīng)定期進(jìn)行更新維護(hù)與版本升級(jí)。