國(guó)外全電推進(jìn)衛(wèi)星發(fā)展分析

李云（中國(guó)航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

全電推進(jìn)衛(wèi)星是指星箭分離后完全依靠電推進(jìn)系統(tǒng)變軌進(jìn)入工作軌道，且入軌后位置保持也采用電推進(jìn)系統(tǒng)的衛(wèi)星。2012年3月，波音公司（Boeing）在一次商業(yè)通信衛(wèi)星競(jìng)標(biāo)中，首次推出全球首款全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)—波音衛(wèi)星系統(tǒng)-702SP（BSS-702SP）衛(wèi)星平臺(tái)，拉開了全電推進(jìn)衛(wèi)星研制的序幕。

1 波音公司的BSS-702SP衛(wèi)星平臺(tái)

波音公司的新型BSS-702SP地球靜止軌道通信衛(wèi)星平臺(tái)，是在繼承BSS-702衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為用戶提供的一款價(jià)格較低、質(zhì)量較輕的小功率衛(wèi)星平臺(tái)。該衛(wèi)星平臺(tái)歷時(shí)兩年時(shí)間設(shè)計(jì)，通過采用全電推進(jìn)，可大幅降低衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量和提高載荷比。

BSS-702SP衛(wèi)星平臺(tái)性能參數(shù)

BSS-702SP衛(wèi)星平臺(tái)提供的電源功率為3～8kW，最大有效載荷質(zhì)量為500kg，最多可安裝5副天線。該衛(wèi)星平臺(tái)采用已經(jīng)在BSS-702HP和BSS-702MP兩種衛(wèi)星平臺(tái)上經(jīng)過充分驗(yàn)證的25cm氙離子推力器（X IPS-25）；采用新一代電子體系結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化運(yùn)行并改善數(shù)據(jù)接入，還可評(píng)估衛(wèi)星的健康狀態(tài)；可搭載S、X、C、Ku和Ka等頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，還可搭載敏感器、特高頻（UHF）和導(dǎo)航L頻段等有效載荷。由于采用輕質(zhì)設(shè)計(jì)，使其可與目前大多數(shù)火箭兼容發(fā)射，如獵鷹-9、阿里安-5、海射-3SL、質(zhì)子號(hào)、聯(lián)盟號(hào)、德爾他-4以及宇宙神-5等，而且可以進(jìn)行“一箭雙星”發(fā)射。

2012年3月，香港亞洲廣播衛(wèi)星公司（ABS）和墨西哥衛(wèi)星公司（Satm ex）以每顆衛(wèi)星略低于1億美元的價(jià)格，聯(lián)合向波音公司購(gòu)買了4顆全電推進(jìn)衛(wèi)星，后續(xù)還可能增購(gòu)4顆衛(wèi)星，這也是BSS-702SP平臺(tái)的首次訂購(gòu)。前兩顆衛(wèi)星分別為亞洲廣播衛(wèi)星-3A（ABS-3A）和墨西哥衛(wèi)星-7（Satm ex-7），提供C頻段和Ku頻段服務(wù)，預(yù)計(jì)將在2014年底或2015年初由獵鷹-9火箭發(fā)射；后兩顆衛(wèi)星分別為ABS-2A和Satmex-9，將分別搭載48臺(tái)Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，計(jì)劃于2015年第四季度由獵鷹-9火箭發(fā)射。2013年8月，ABS-3A衛(wèi)星和Satm ex-7衛(wèi)星采用的平臺(tái)通過關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審，進(jìn)入衛(wèi)星裝配、總裝和試驗(yàn)階段。

采用BSS-702SP衛(wèi)星平臺(tái)的ABS-3A衛(wèi)星示意圖

2 歐洲航天局的全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)

在全電推進(jìn)衛(wèi)星的發(fā)展上，歐洲緊隨美國(guó)之后。2013年10月，歐洲航天局（ESA）與歐洲衛(wèi)星公司（SES）正式簽署了“伊萊克特拉”（ELECTRA）項(xiàng)目合同，采取公私合作方式，研制一顆創(chuàng)新的中小型全電推進(jìn)衛(wèi)星，并進(jìn)行發(fā)射和在軌驗(yàn)證。在項(xiàng)目實(shí)施的第一階段，歐洲衛(wèi)星公司是主承包商，目前正在與次承包商—不萊梅軌道高技術(shù)公司（OHB）共同開展衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)制造工作。該衛(wèi)星質(zhì)量約3t，與傳統(tǒng)4～5t的中大型衛(wèi)星相比，質(zhì)量減少了40%，而攜帶有效載荷的能力與之相當(dāng)。該衛(wèi)星計(jì)劃于2018年底用小型運(yùn)載火箭或采用一箭雙星方式發(fā)射。

公私合作方式能使歐洲航天局及其各個(gè)成員國(guó)分擔(dān)創(chuàng)新研發(fā)成本，并保持歐洲衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商和制造商的競(jìng)爭(zhēng)力。目前，歐洲在全球衛(wèi)星通信市場(chǎng)占據(jù)35%的份額（含低軌和靜止軌道）。通過公私合作，歐洲航天局已經(jīng)先后實(shí)施了“阿蒂米斯”（A rtem is）衛(wèi)星、高適應(yīng)性衛(wèi)星-1（HYLAS-1）寬帶通信衛(wèi)星、大型“阿爾法平臺(tái)“（A lph abu s）和“歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（EDRS）等多個(gè)項(xiàng)目。歐洲航天局為“伊萊克特拉”項(xiàng)目投資0.97億歐元，德國(guó)出資0.58億歐元，盧森堡出資0.17億歐元。

歐洲航天局的全電推進(jìn)衛(wèi)星示意圖

3 幾點(diǎn)分析

（1）從支持衛(wèi)星南北位置保持向軌道轉(zhuǎn)移發(fā)展

由于電推進(jìn)具有比沖高、壽命長(zhǎng)、效率高、綜合性能好等優(yōu)勢(shì)，目前美國(guó)、歐洲和俄羅斯等國(guó)家和地區(qū)的主流靜止軌道衛(wèi)星平臺(tái)上均采用了電推進(jìn)系統(tǒng)。其中，絕大多數(shù)采用氙離子推力器（X IPS）、穩(wěn)態(tài)等離子推力器（SPT）、脈沖等離子推力器（PPT）和電弧加熱推力器。

國(guó)外主要通信衛(wèi)星平臺(tái)電推進(jìn)應(yīng)用情況

典型電推進(jìn)系統(tǒng)性能參數(shù)

這些電推進(jìn)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)用于衛(wèi)星南北位置保持。在波音提出全電推進(jìn)平臺(tái)設(shè)計(jì)之前，它們從未被設(shè)計(jì)用于衛(wèi)星入軌，只是在化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，曾被迫應(yīng)用于軌道轉(zhuǎn)移。比如，2001年發(fā)射的“阿蒂米斯”衛(wèi)星和2010年發(fā)射的“先進(jìn)極高頻”（AEHF）衛(wèi)星均曾在主推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)生故障后，利用衛(wèi)星的電推進(jìn)系統(tǒng)慢慢提升至目標(biāo)軌道。全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)將在目前主流衛(wèi)星平臺(tái)基礎(chǔ)上更進(jìn)一步，完全依靠電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移和位置保持，這正在成為未來地球靜止軌道通信衛(wèi)星的一個(gè)發(fā)展方向。

（2）將以較長(zhǎng)的入軌時(shí)間換取發(fā)射成本大幅降低

當(dāng)前的地球靜止軌道通信衛(wèi)星變軌一般都使用化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的雙組元推進(jìn)系統(tǒng)比沖為300s左右，軌道轉(zhuǎn)移過程中需消耗大量推進(jìn)劑。而電推進(jìn)系統(tǒng)，如X IPS-25推力器的比沖已達(dá)3800s以上，大大高于化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)的比沖，因此，消耗較少的工質(zhì)就可以使衛(wèi)星獲得較大的速度增量。如果使用電推進(jìn)完成從地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）到地球靜止軌道的變軌過程，僅需數(shù)百千克推進(jìn)劑。即便考慮到電推進(jìn)系統(tǒng)增加了電源分系統(tǒng)的質(zhì)量，總體上還是可以大大減少整星質(zhì)量，或者在相同發(fā)射質(zhì)量的情況下提高有效載荷質(zhì)量。通過“一箭雙星”發(fā)射，在不影響衛(wèi)星通信能力和性能的前提下，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商的發(fā)射費(fèi)用可大大減少。

但是，目前采用化學(xué)推進(jìn)的衛(wèi)星入軌時(shí)間只需幾周，而電推進(jìn)系統(tǒng)由于推力小，造成全電推進(jìn)衛(wèi)星入軌時(shí)間大大延長(zhǎng)，最長(zhǎng)可能需要6個(gè)月。這不僅會(huì)對(duì)變軌期間的長(zhǎng)期運(yùn)行管理和衛(wèi)星抗輻射等提出新的技術(shù)挑戰(zhàn)，而且由于在較長(zhǎng)的入軌時(shí)間內(nèi)無法獲得收益，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商必須比以往更早地提前規(guī)劃衛(wèi)星的更新工作。

（3）將從商業(yè)通信衛(wèi)星向深空探測(cè)等領(lǐng)域擴(kuò)展

除了商業(yè)通信衛(wèi)星，深空探測(cè)領(lǐng)域也一直是電推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域，如美國(guó)于1988年發(fā)射的深空-1（DS-1）探測(cè)器和2007年發(fā)射的“黎明”（Daw n）小行星探測(cè)器均采用了離子推進(jìn)系統(tǒng)。未來該領(lǐng)域還將成為繼通信衛(wèi)星后，最有可能應(yīng)用全電推進(jìn)的的領(lǐng)域，包括進(jìn)行木星、土星、火星、小天體等科學(xué)探測(cè)任務(wù)。波音公司的BSS-702SP衛(wèi)星平臺(tái)考慮了深空探測(cè)任務(wù)的應(yīng)用，通過采用先進(jìn)模塊化電源系統(tǒng)（AMPS），顯著降低系統(tǒng)質(zhì)量，功率質(zhì)量比達(dá)到約130W/kg，可使航天器具備在火星軌道運(yùn)行、進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)的功率余量以及在木星甚至土星軌道運(yùn)行的能力。除了通信衛(wèi)星和深空探測(cè)任務(wù)，全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)還可能應(yīng)用于部署在高軌的導(dǎo)航衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星，以及越來越受到關(guān)注的有效載荷搭載任務(wù)中。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，全電推進(jìn)衛(wèi)星已經(jīng)成為航天領(lǐng)域新的發(fā)展熱點(diǎn)。除了波音公司和歐洲航天局外，國(guó)外其他一些政府或公司也在積極推動(dòng)全電推進(jìn)衛(wèi)星的發(fā)展：勞拉公司和阿斯特留姆公司已啟動(dòng)全電推進(jìn)衛(wèi)星研發(fā)，洛馬公司和泰雷茲-阿萊尼亞公司等也表示對(duì)此技術(shù)感興趣。其中，勞拉公司還在考慮將6個(gè)月左右的入軌時(shí)間壓縮至3～4個(gè)月。隨著電推進(jìn)技術(shù)的不斷成熟，以電推進(jìn)為主推進(jìn)系統(tǒng)的航天器會(huì)越來越多，但由于電推進(jìn)本身的入軌時(shí)間長(zhǎng)等問題，其技術(shù)仍需要進(jìn)一步發(fā)展。