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日志

 
 

国外全电推进卫星发展分析  

2014-04-25 00:23:56|  分类: 宇航工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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李云(中国航天系统科学与工程研究院)

全电推进卫星是指星箭分离后完全依靠电推进系统变轨进入工作轨道,且入轨后位置保持也采用电推进系统的卫星。2012年3月,波音公司(Boeing)在一次商业通信卫星竞标中,首次推出全球首款全电推进卫星平台BSS-702SP,拉开了全电推进卫星研制的序幕。

1 波音公司的BSS-702SP卫星平台

波音公司的新型BSS-702SP地球静止轨道通信卫星平台,是在继承BSS-702卫星平台技术的基础上进行创新设计,为用户提供的一款价格较低、质量较轻的小功率卫星平台。该卫星平台历时两年时间设计,通过采用全电推进,可大幅降低卫星发射质量和提高载荷比。
BSS-702SP卫星平台提供的电源功率为3~8 kW,最大有效载荷质量为500 kg,最多可安装5副天线。该卫星平台采用已经在BSS-702HP和BSS-702MP两种卫星平台上经过充分验证的25 cm氙离子推力器(XIPS-25);采用新一代电子体系结构,简化运行并改善数据接入,还可评估卫星的健康状态;可搭载S、X、C、Ku和Ka等频段转发器,还可搭载敏感器、特高频(UHF)和导航L频段等有效载荷。由于采用轻质设计,使其可与目前大多数火箭兼容发射,如猎鹰-9、阿里安-5、海射-3SL、质子号、联盟号、德尔他-4以及宇宙神-5等,而且可以进行“一箭双星”发射。
2012年3月,香港亚洲广播卫星公司(ABS)和墨西哥卫星公司(Satmex)以每颗卫星略低于1亿美元的价格,联合向波音公司购买了4颗全电推进卫星,后续还可能增购4颗卫星,这也是BSS-702SP平台的首次订购。前两颗卫星分别为亚洲广播卫星-3A(ABS-3A)和墨西哥卫星-7(Satmex-7),提供C频段和Ku频段服务,预计将在2014年底或2015年初由猎鹰-9火箭发射;后两颗卫星分别为ABS-2A和Satmex-9,将分别搭载48台Ku频段转发器,计划于2015年第四季度由猎鹰-9火箭发射。2013年8月,ABS-3A卫星和Satmex-7卫星采用的平台通过关键设计评审,进入卫星装配、总装和试验阶段。

BSS-702SP卫星平台性能参数
 尺寸 1.8m×1.9m×3.5m
 质量 1900 kg(包括有效载荷)
 电源功率 3~8 kW(寿命末期)
 设计寿命 15年
 蓄电池 锂离子
 姿态控制 零动量、三轴稳定
 指向精度 0.1°
 可重构冗余电子 分布式处理(可选)
 一体化推进控制
 天线指向控制(可选)
 即插即用体系结构
 SpaceWire数据总线接口
 灵活的有效载荷接口 电、机械、软件
 太阳电池翼 两个单轴驱动太阳翼,每个太阳翼4块面板
 超三结砷化镓电池
 全电推进系统 4台氙离子推力器
  
2 欧洲航天局的全电推进卫星平台

在全电推进卫星的发展上,欧洲紧随美国之后。2013年10月,欧洲航天局(ESA)与欧洲卫星公司(SES)正式签署了“伊莱克特拉”(ELECTRA)项目合同,采取公私合作方式,研制一颗创新的中小型全电推进卫星,并进行发射和在轨验证。在项目实施的第一阶段,欧洲卫星公司是主承包商,目前正在与次承包商—不莱梅轨道高技术公司(OHB)共同开展卫星平台设计制造工作。该卫星质量约3t,与传统4~5 t的中大型卫星相比,质量减少了40%,而携带有效载荷的能力与之相当。该卫星计划于2018年底用小型运载火箭或采用一箭双星方式发射。
公私合作方式能使欧洲航天局及其各个成员国分担创新研发成本,并保持欧洲卫星运营商和制造商的竞争力。目前,欧洲在全球卫星通信市场占据35%的份额(含低轨和静止轨道)。通过公私合作,欧洲航天局已经先后实施了“阿蒂米斯”(Artemis)卫星、高适应性卫星-1(HYLAS-1)宽带通信卫星、大型“阿尔法平台“(Alphabus)和“欧洲数据中继卫星”(EDRS)等多个项目。欧洲航天局为“伊莱克特拉”项目投资0.97亿欧元,德国出资0.58亿欧元,卢森堡出资0.17亿欧元。

国外主要通信卫星平台电推进应用情况
 卫星平台 公司 寿命/年 电推进系统
 BSS-601HP 波音 15 XIPS-13
 BSS-702HP 波音 15 XIPS-25
 LS-1300E 劳拉 15 SPT-100
 A2100 洛马 15 ArcjetMR510
 Spacebus-4000 泰雷兹-阿莱尼亚 15 SPT-100/PPS-1350
 Eurostar-3000 阿斯特留姆 15 SPT-100
 Alphabus 阿斯特留姆/泰雷兹-阿莱尼亚 15 PPS-1350
 Express-EM 信息卫星系统-列舍特涅夫 12 SPT-100
  
典型电推进系统性能参数
 推力器 推力/mN 比冲/s 功率/W 效率(%)
 SPT-100 83 1560 1350 46.8
 PPS-1350 89 1730 1500 50.3
 XIPS-25 165 3800 4500 68.0

3 几点分析

(1)从支持卫星南北位置保持向轨道转移发展
由于电推进具有比冲高、寿命长、效率高、综合性能好等优势,目前美国、欧洲和俄罗斯等国家和地区的主流静止轨道卫星平台上均采用了电推进系统。其中,绝大多数采用氙离子推力器(XIPS)、稳态等离子推力器(SPT)、脉冲等离子推力器(PPT)和电弧加热推力器。
这些电推进系统主要设计用于卫星南北位置保持。在波音提出全电推进平台设计之前,它们从未被设计用于卫星入轨,只是在化学推进系统出现故障时,曾被迫应用于轨道转移。比如,2001年发射的“阿蒂米斯”卫星和2010年发射的“先进极高频”(AEHF)卫星均曾在主推进系统发生故障后,利用卫星的电推进系统慢慢提升至目标轨道。全电推进卫星平台将在目前主流卫星平台基础上更进一步,完全依靠电推进系统进行轨道转移和位置保持,这正在成为未来地球静止轨道通信卫星的一个发展方向。
(2)将以较长的入轨时间换取发射成本大幅降低
当前的地球静止轨道通信卫星变轨一般都使用化学推进系统,传统的双组元推进系统比冲为300s左右,轨道转移过程中需消耗大量推进剂。而电推进系统,如XIPS-25推力器的比冲已达3800 s以上,大大高于化学推进系统的比冲,因此,消耗较少的工质就可以使卫星获得较大的速度增量。如果使用电推进完成从地球同步转移轨道(GTO)到地球静止轨道的变轨过程,仅需数百千克推进剂。即便考虑到电推进系统增加了电源分系统的质量,总体上还是可以大大减少整星质量,或者在相同发射质量的情况下提高有效载荷质量。通过“一箭双星”发射,在不影响卫星通信能力和性能的前提下,卫星运营商的发射费用可大大减少。
但是,目前采用化学推进的卫星入轨时间只需几周,而电推进系统由于推力小,造成全电推进卫星入轨时间大大延长,最长可能需要6个月。这不仅会对变轨期间的长期运行管理和卫星抗辐射等提出新的技术挑战,而且由于在较长的入轨时间内无法获得收益,卫星运营商必须比以往更早地提前规划卫星的更新工作。
(3)将从商业通信卫星向深空探测等领域扩展
除了商业通信卫星,深空探测领域也一直是电推进技术应用的主要领域,如美国于1988年发射的深空-1(DS-1)探测器和2007年发射的“黎明”(Dawn)小行星探测器均采用了离子推进系统。未来该领域还将成为继通信卫星后,最有可能应用全电推进的的领域,包括进行木星、土星、火星、小天体等科学探测任务。波音公司的BSS-702SP卫星平台考虑了深空探测任务的应用,通过采用先进模块化电源系统(AMPS),显著降低系统质量,功率质量比达到约130 W/kg,可使航天器具备在火星轨道运行、进行科学实验的功率余量以及在木星甚至土星轨道运行的能力。除了通信卫星和深空探测任务,全电推进卫星平台还可能应用于部署在高轨的导航卫星和遥感卫星,以及越来越受到关注的有效载荷搭载任务中。

4 结束语

目前,全电推进卫星已经成为航天领域新的发展热点。除了波音公司和欧洲航天局外,国外其他一些政府或公司也在积极推动全电推进卫星的发展:劳拉公司和阿斯特留姆公司已启动全电推进卫星研发,洛马公司和泰雷兹-阿莱尼亚公司等也表示对此技术感兴趣。其中,劳拉公司还在考虑将6个月左右的入轨时间压缩至3~4个月。随着电推进技术的不断成熟,以电推进为主推进系统的航天器会越来越多,但由于电推进本身的入轨时间长等问题,其技术仍需要进一步发展。

(《国际太空》2014.3)
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