新型高軌公用衛(wèi)星平臺發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

文/ 姚遠 蔡亞星 郭玲華

自從我國“東方紅一號”通信衛(wèi)星成功發(fā)射以來，半個世紀里世界通信衛(wèi)星事業(yè)不斷實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，衛(wèi)星平臺不斷實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)生了許多新的特點。認真分析研究這些特點，特別是分析研究新型高軌公用衛(wèi)星平臺的創(chuàng)新特點、創(chuàng)新文化，對于改進提升我國新型高軌公用衛(wèi)星平臺具有重大深遠意義，是建設(shè)航天強國的一項實際行動。本文試對國際新型高軌公用衛(wèi)星平臺當(dāng)前發(fā)展作以概述分析，以期描繪我國通信衛(wèi)星平臺領(lǐng)域發(fā)展方向。

國際新型高軌公用衛(wèi)星平臺創(chuàng)新潮流

新型高軌通信衛(wèi)星是國際民用商用衛(wèi)星市場中份額最高、競爭最為激烈的領(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%。針對各類用戶對高軌公用衛(wèi)星平臺的綜合性能、效費比、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。

一是洛克希德馬丁公司及其新型LM2100平臺。

該公司早在20世紀90年代就推出A2100平臺，并提前10年啟動了“全面檢查并升級A2100衛(wèi)星平臺”的一項內(nèi)部投資計劃，推出了LM50、LM400、LM1000、LM2100等4個 全新平臺。

以LM2100為最新標(biāo)志的新平臺采用了集成通用化、先進制造技術(shù)、并行制造策略等的設(shè)計理念。比之前的A2100有26項性能提升。其中，最重要的創(chuàng)新就是采用柔性太陽翼，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)。平臺推進系統(tǒng)提供全電、全化學(xué)、混合推進三種方式，對于電推進，使用霍爾電推力器，變軌時間為其他電推進系統(tǒng)的一半。平臺能力可擴展到16千瓦以上載荷功率，星上處理器實現(xiàn)在軌重構(gòu)。LM2100平臺還具有可擴展制造特性，使用了包括3D打印、基于虛擬現(xiàn)實的數(shù)字設(shè)計等多項先進制造技術(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?；贚M2100的衛(wèi)星發(fā)射重量2300～6500千克，整星功率20千瓦，載荷可擴展到1000千克和12千瓦。平臺狀態(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平臺的關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新主要體現(xiàn)在四方面：

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

2.面向成本的設(shè)計：簡化架構(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。

3.面向生產(chǎn)的設(shè)計：修改了架構(gòu)和總裝流程，以提升制造和測試流程。

4.面向任務(wù)的設(shè)計：實現(xiàn)軍事和商業(yè)用戶所需的平臺特性與鑒定測試要求，對各類任務(wù)使命通用性好。

二是歐空局ARTES計劃下的新型NEOSAT平臺。

該平臺瞄準(zhǔn)發(fā)射質(zhì)量3至6噸的主流通信衛(wèi)星市場，通過創(chuàng)新技術(shù)、降低成本、縮短生產(chǎn)周期等手段，使其整體競爭力與歐洲現(xiàn)有平臺相比提升30%，并在2018-2030年期間實現(xiàn)50%的市場占有率，即獲得約150顆衛(wèi)星的研制合同，預(yù)計可為歐洲帶來約250億歐元的衛(wèi)星制造收入。

NEOSAT項目產(chǎn)品的基本指標(biāo)：

1.可以滿足中型衛(wèi)星任務(wù)要求。

2.與獵鷹-9火箭發(fā)射臺及4米整流罩發(fā)射臺全程兼容。

3.充分的模塊化理念和完整的電子化平臺。

4.可選的推進模塊：增加推進的持續(xù)時間。

5.熱控：通過液體循環(huán)或采用可展開輻射器（DPR）。

幾乎同時，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，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。這兩種平臺都具有全電推配置、全化學(xué)推進配置和化推+電推混合配置的類型特點，實現(xiàn)了衛(wèi)星平臺全面性、體系性、系統(tǒng)性和先進性的創(chuàng)新。目前平臺狀態(tài)為10星在研，1星在軌。

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

1.面向市場化需求：整體競爭力比歐洲現(xiàn)有平臺提升30%，爭得全球市場競爭優(yōu)勢。

2.面向?qū)掃m應(yīng)要求：發(fā)射重量3000～6000千克，支持多種運載發(fā)射。

3.面向集成化特點：縮減單機種類，采用3D打印技術(shù)。

4.面向模塊化設(shè)計：推進艙、載荷艙、東西板、太陽翼，并行總裝、整體對接，縮減研制周期至18～36個月。

三是德國OHB系統(tǒng)公司及其新型Small GEO平臺。

Small GEO平臺是ARTES計劃下，由OHB系統(tǒng)公司研制的小型公用靜止軌道衛(wèi)星平臺項目， 采用模塊化、批量化、多運載兼容、創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用等的設(shè)計理念。技術(shù)創(chuàng)新和管理上的特點是：高度模塊化的航天器設(shè)計，促使供應(yīng)商在系統(tǒng)設(shè)計早期參與合作；平臺設(shè)備的批量化生產(chǎn)強化了設(shè)計以降低成本和優(yōu)化集成過程；從部件到系統(tǒng)開展火箭兼容性設(shè)計，可兼容多種運載火箭。Small GEO平臺提升了衛(wèi)星的好用性和易用性。平臺也有全化學(xué)推進、混合推進和全電推進三種配置，其中全電推進配置能夠提供最大的有效載荷承載能力。平臺狀態(tài)是2017年首飛，目前2星在軌，7星在研。

▲ Eurostar NEO平臺的三種推進分系統(tǒng)配置示意圖

▲ 歐洲高軌公用衛(wèi)星平臺型譜規(guī)劃

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

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

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

3.繼承典型GEO衛(wèi)星的AIT流程，并行開展平臺、推進和載荷的集成和測試。

4.利用GNSS導(dǎo)航和電推進技術(shù)實現(xiàn)GEO軌道自主位置保持，降低運行維護成本。

中國高軌通信衛(wèi)星平臺型譜及東方紅五號平臺的成功實踐

中國在傳統(tǒng)高軌通信衛(wèi)星平臺型譜基礎(chǔ)上，持續(xù)提升平臺能力，成功新研東方紅三號電推型、東方紅四號增強型、東方紅五號，并拓展了低軌使用的東方紅四號L型等衛(wèi)星平臺。展現(xiàn)的創(chuàng)新特點集中在兩個方面：

一方面，新型高軌東方紅五號衛(wèi)星平臺是我國自主開發(fā)的跨代發(fā)展平臺。東方紅五號平臺創(chuàng)新設(shè)計理念，實現(xiàn)了智能化自主運行管理，有效提升衛(wèi)星的好用、易用性；通過分艙模塊化設(shè)計和數(shù)字化研制模式，大幅縮短研制周期，有效提高了設(shè)計生產(chǎn)效率。平臺的桁架結(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。東方紅五號平臺采用更為高效的化學(xué)推進技術(shù)，有效提升推進劑利用效率。同時，平臺采用了大推力、多模式的LIPS-300電推進系統(tǒng)，在衛(wèi)星發(fā)射重量不變情況下提升承載能力，大幅提高使用效益。平臺采用二維二次展開半剛性太陽翼、20千瓦大功率電源控制器、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。東方紅五號平臺萬瓦級高效散熱技術(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，東方紅五號平臺具有“高承載、大功率、高散熱、長壽命、可擴展”等特點?；跂|方紅五號平臺，我國研制的發(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8000～9000千克，載荷承載能力可達1500～1800千克；整星功率28千瓦以上，提供載荷功率達18千瓦；載荷艙的散熱能力達9千瓦；設(shè)計壽命長達16年。其成功案列是：2019年12月27日，實踐二十號衛(wèi)星成功發(fā)射，衛(wèi)星經(jīng)歷7次軌道機動后，在36000公里高度的地球同步軌道成功定點，標(biāo)志著東方紅五號衛(wèi)星公用平臺首飛成功，達到國際相同領(lǐng)域最高水平。

國際新型高軌公用衛(wèi)星平臺發(fā)展趨勢

國際民用商用衛(wèi)星市場競爭激烈。美國在國際市場上由2000年近70%的份額跌至2010年50%，相同時期，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，達到20%。發(fā)展新型高軌公用衛(wèi)星平臺成為爭奪國際民商衛(wèi)星市場的重要途徑與手段。初步分析，國際新型高軌公用衛(wèi)星平臺發(fā)展趨勢為：

一是衛(wèi)星平臺產(chǎn)品注重集成化、通用化設(shè)計。如LM2100縮減了56%部件種類，縮短了28%的交貨周期，開發(fā)了280多個通用化部件，可用于不同規(guī)模衛(wèi)星。

二是衛(wèi)星平臺注重面向AIT優(yōu)化設(shè)計。如SpaceBus NEO平臺針對并行測試，將通信艙分艙設(shè)計，分開總裝和測試，實現(xiàn)縮短測試時間的目標(biāo)。

▲ 中國高軌通信衛(wèi)星平臺型譜

三是衛(wèi)星平臺注重可擴展設(shè)計。如NEO平臺發(fā)射重量可在3～6噸重量范圍內(nèi)擴展，LM2100平臺發(fā)射重量可在2～7噸重量范圍內(nèi)擴展，適應(yīng)多類運載，提升了平臺對不同應(yīng)用需求的適應(yīng)能力。

四是衛(wèi)星平臺設(shè)計廣泛采用高效電推進技術(shù)。如LM2100、NEOSAT、Small GEO等多類新型高軌通用平臺都有全化、全電、混合推進三種配置，提升平臺的承載能力。

五是衛(wèi)星平臺以高效低成本短周期為目標(biāo)。先進的國際新型高軌公用衛(wèi)星平臺均采用基于全電推和模塊化的平臺產(chǎn)品，并配置基于全數(shù)字化的載荷產(chǎn)品，使得提供通用化高軌衛(wèi)星產(chǎn)品變?yōu)榭赡艿耐瑫r，成本降低30%，研制周期縮短。

▲ 基于SmallGEO平臺的衛(wèi)星展開示意圖

國際新型高軌公用衛(wèi)星平臺發(fā)展的啟示

未來10～20年，通信、遙感、空間科學(xué)探測、科學(xué)試驗、在軌服務(wù)等多領(lǐng)域民用商用市場競爭日益激烈，這對高軌公用衛(wèi)星平臺提出了更高的新要求。適應(yīng)這一要求，新時代的航天通信人和各級管理者，必須堅持創(chuàng)新文化，在以下幾個方面尋求新的突破：

一是在對標(biāo)超越國際先進平臺上尋求突破。航天是一項競爭的事業(yè)，通信衛(wèi)星平臺必須不斷實現(xiàn)超越。我們應(yīng)該樹立國際視野、拓展世界眼光、強化戰(zhàn)略思維，時刻把衛(wèi)星平臺建設(shè)的目光瞄向同行業(yè)發(fā)展的最前沿。

二是在核心關(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)，全面提升表征平臺先進性的技術(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)射重量實現(xiàn)的載荷綜合能力）等。

三是在平臺產(chǎn)品綜合質(zhì)量上尋求突破。我國東方紅五號平臺能力指數(shù)已進入國際第一梯隊，但在高軌公用衛(wèi)星平臺產(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、單機集成度有提升空間、整星可靠性有待提高等。

四是在平臺系統(tǒng)管理能力上尋求突破。面對市場競爭，在總體設(shè)計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。

五是在系統(tǒng)整合節(jié)約拓展平臺型譜種類上尋求突破。我國還需集約平臺型譜種類，開發(fā)適應(yīng)2～6噸衛(wèi)星發(fā)射重量的新型高軌公用衛(wèi)星平臺，不斷優(yōu)化提升我國衛(wèi)星平臺先進能力。