走進衛(wèi)星公用平臺

魏蕾

2020年4月24日是第5個“中國航天日”也是中國第1顆人造衛(wèi)星“東方紅一號”成功發(fā)射50周年紀念日。50年前，“東方紅一號”承載著中國人千年的航天夢想劃破夜空，讓宇宙第一次聽見“中國聲音”，也開啟了我國邁向航天大國的征程。

迄今為止，人造衛(wèi)星是世界上發(fā)射數(shù)量最多、用途最廣、發(fā)展最快的航天器，直接服務(wù)于國民經(jīng)濟和國防軍事，成為現(xiàn)代社會發(fā)展不可缺少的重要組成部分。作為投人成本高、研制周期長、投產(chǎn)數(shù)量少、需求變化快的航天產(chǎn)品，人造衛(wèi)星曾在一定程度上較難進行重復(fù)批量生產(chǎn)。隨著模塊化的設(shè)計理念被引入衛(wèi)星設(shè)計中，通過通用化的研發(fā)，逐漸形成了衛(wèi)星公用平臺的設(shè)計思想，有效控制了衛(wèi)星研制的周期和成本，促進了衛(wèi)星規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

在《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標準》中，要求學(xué)生認識“工程技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計，工程是運用科學(xué)和技術(shù)進行設(shè)計、解決實際問題和制造產(chǎn)品的活動”。在中國科學(xué)技術(shù)館，可以通過“太空探索”展區(qū)的展品“衛(wèi)星設(shè)計師”和“東方紅四號衛(wèi)星”，了解人們是如何運用科學(xué)和技術(shù)進行衛(wèi)星設(shè)計，解決衛(wèi)星研制中的實際問題并制造出滿足需求的衛(wèi)星產(chǎn)品的。

◎衛(wèi)星設(shè)計師

人造衛(wèi)星用途各異，功能不一，涉及通信廣播、對地觀測、導(dǎo)航定位、科學(xué)探測和技術(shù)試驗等多個領(lǐng)域。那么，不同功能的衛(wèi)星是如何設(shè)計的？通過展品“衛(wèi)星設(shè)計師”可以親自“設(shè)計”并“發(fā)射”一顆自己的專屬衛(wèi)星。

該展品由平板電腦、液晶電視、電腦、展臺等組成（見圖1）。觀眾通過點擊操作平板電腦進行衛(wèi)星模擬設(shè)計，經(jīng)過任務(wù)發(fā)布、衛(wèi)星平臺選擇、載荷配置選擇、運行軌道選擇、衛(wèi)星命名5個環(huán)節(jié)，完成衛(wèi)星設(shè)計任務(wù)。不同的任務(wù)對于衛(wèi)星平臺、載荷配置、運行軌道有不同的要求，觀眾可根據(jù)各種平臺和載荷的性能指標的達標情況，選擇最合適的平臺和載荷進行組裝。同時，在設(shè)計過程中系統(tǒng)也會對觀眾選擇的合理與否給出相應(yīng)的提示。觀眾完成設(shè)計后，將衛(wèi)星從平板電腦發(fā)射到演示地球衛(wèi)星軌道的液晶電視中，隨即可以在相應(yīng)的軌道上查看自己所設(shè)計的衛(wèi)星在軌運行情況和設(shè)計評價。4臺平板電腦與液晶電視之間采用聯(lián)動的運行方式，可同時容納多名觀眾參與衛(wèi)星設(shè)計體驗和查看衛(wèi)星在軌運行演示，并相互對比各自的設(shè)計成果。

通過該展品可以了解衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)構(gòu)成是根據(jù)其承擔(dān)的任務(wù)確定的，盡管各類衛(wèi)星的用途不同，但都是由有效載荷和衛(wèi)星平臺兩大部分組成。有效載荷是指衛(wèi)星上直接完成特定任務(wù)的儀器、設(shè)備或系統(tǒng)，不同用途的衛(wèi)星安裝有不同的有效載荷。例如，遙感衛(wèi)星需要安裝照相機，通信衛(wèi)星需要安裝轉(zhuǎn)發(fā)器，氣象衛(wèi)星需要安裝掃描輻射計等。衛(wèi)星平臺是由衛(wèi)星保障系統(tǒng)組成、可以支持一種或幾種有效載荷的組合體，是每顆衛(wèi)星完成各自特有使命必不可少的支持系統(tǒng)，一般由以下部分組成。

●結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：確保衛(wèi)星具有適當?shù)膹姸群蛣偠?，且有定的外形和容積;

●熱控制系統(tǒng)：確保衛(wèi)星內(nèi)部維持在適當?shù)臏囟?

●姿態(tài)控制系統(tǒng)：確保衛(wèi)星保持一定的姿態(tài);

●無線電遙測、遙控和跟蹤系統(tǒng)：確保衛(wèi)星與地面控制中心的聯(lián)系;

●推進系統(tǒng)：為控制衛(wèi)星的軌道和姿態(tài)提供動力;

●數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)：采集、處理數(shù)據(jù)，以及協(xié)同管理衛(wèi)星各系統(tǒng)工作;

●電源系統(tǒng)：為衛(wèi)星上所有需要用電的儀器設(shè)備提供電能;

●回收與著陸系統(tǒng)：在返回過程中保證返回艙安全降落（針對返回式衛(wèi)星）。

由此可見，衛(wèi)星平臺就好比貨車，通過其車廂裝載不同的貨物（有效載荷），從而實現(xiàn)不同的應(yīng)用性能。通過對已研制成功的衛(wèi)星進行分析，發(fā)現(xiàn)無論在衛(wèi)星，上裝載什么有效載荷，其基本功能都相似，只是具體的技術(shù)性能不同。根據(jù)這個特點，衛(wèi)星公用平臺的設(shè)計理念被應(yīng)用到衛(wèi)星研制中，從而實現(xiàn)了衛(wèi)星平臺的通用性，使其能在一定范圍內(nèi)適應(yīng)不同有效載荷的要求。即只需要在衛(wèi)星平臺上做少量適應(yīng)性調(diào)整，就可以裝載不同的有效載荷，從而實現(xiàn)“一個平臺，多種用途”。采用這種公用平臺的設(shè)計方法，不僅可以有效縮短研制周期、降低研制成本，還可以提高衛(wèi)星技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性。

◎東方紅四號衛(wèi)星

任何一個公用平臺的通用性都是有限的。為了滿足更多應(yīng)用需求，擴大公用平臺的適用范圍，需要對其進行歸納、綜合、優(yōu)選，實現(xiàn)公用平臺的系列化，以適用于更多功能、種類、型號的衛(wèi)星。目前，在我國通信衛(wèi)星領(lǐng)域，已經(jīng)形成了“東方紅”系列平臺，我們每天打接電話、收聽廣播、觀看電視、，上網(wǎng)等都離不開它們的服務(wù)。接下來，可以通過展品“東東紅四號衛(wèi)星”，了解‘東方紅”這個大家族。

該展品由東方紅四號衛(wèi)星高仿真模型、圍欄、圖文板組成（見圖2）。觀眾可近距離觀看東方紅四號衛(wèi)星的外觀結(jié)構(gòu)并了解相關(guān)性能。東方紅四號衛(wèi)星平臺是我國大型靜止軌道衛(wèi)星公用平臺，具有整星功率大、承載能力強、服務(wù)壽命長等特點，可用于大容量廣播通信、電視直播、數(shù)字音頻廣播和寬帶多媒體等多種業(yè)務(wù)類型。

“東方紅”家族包括東方紅一號、東方紅二號、東方紅三號衛(wèi)星，以及在此基礎(chǔ)上形成的東方紅三號、東方紅四號、東方紅五號衛(wèi)星平臺。1970年4月24日，東方紅一號在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功升空，奠定了“東方紅”系列成為我國通信衛(wèi)星的重要標志。1984年4月8日，東方紅二號衛(wèi)星發(fā)射成功，拉開了我國使用自主研發(fā)的通信衛(wèi)星進行衛(wèi)星通信的序幕。隨著改革開放的推進，國內(nèi)通信衛(wèi)星市場需求不斷增長，東方紅三號衛(wèi)星的誕生成功扭轉(zhuǎn)了我國主要依賴國外通信衛(wèi)星的局面，標志著中國通信衛(wèi)星技術(shù)邁上了一個新臺階，并形成了東方紅三號衛(wèi)星平臺。21世紀初，為提升我國自主研制通信衛(wèi)星的國際市場競爭力，東方紅四號衛(wèi)星平臺問世，其整星指標和能力達到國際先進水平，并實現(xiàn)了我國整星出零的突破。為了滿足未來20年內(nèi)衛(wèi)星研制需求，有力提升中國航天、中國制造的國際影響力，東方紅五號衛(wèi)星平臺應(yīng)運而生。2020年l月5日，東方紅五號衛(wèi)星平臺首飛成功，預(yù)示著我國正躋身國際一流通信衛(wèi)星“俱樂部”。與東方紅三號、東方紅四號相比，東方紅五號在重量、功率、在軌壽命等關(guān)鍵性能指標上有跨越式提升，可礦泛應(yīng)用于高軌通信、微波遙感、光學(xué)遙感、空間科學(xué)探測、科學(xué)試驗、在軌服務(wù)等多個領(lǐng)或，是世界航天領(lǐng)域少有的多適應(yīng)性平臺。依托“東防紅”系列衛(wèi)星平臺，中國通信衛(wèi)星平臺型譜日益完備，能夠滿足各空間領(lǐng)域發(fā)展和衛(wèi)星通信應(yīng)用需求。

當前，人造衛(wèi)星的應(yīng)用不斷深入到人們生產(chǎn)生活的方方面面，逐漸改變著人們的生產(chǎn)生活方式，并促進社會發(fā)生深刻的變化。衛(wèi)星的整體效能和應(yīng)用性能很大程度取決衛(wèi)星平臺的水平，隨著空間飛行器的發(fā)射與在軌數(shù)量不斷增長，衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)需求日益增多，衛(wèi)星平臺將朝著通用化、系列化、模塊化有序發(fā)展。