國外全電推進衛星發展分析

李云（中國航天系統科學與工程研究院）

全電推進衛星是指星箭分離后完全依靠電推進系統變軌進入工作軌道，且入軌后位置保持也采用電推進系統的衛星。2012年3月，波音公司（Boeing）在一次商業通信衛星競標中，首次推出全球首款全電推進衛星平臺—波音衛星系統-702SP（BSS-702SP）衛星平臺，拉開了全電推進衛星研制的序幕。

1 波音公司的BSS-702SP衛星平臺

波音公司的新型BSS-702SP地球靜止軌道通信衛星平臺，是在繼承BSS-702衛星平臺技術的基礎上進行創新設計，為用戶提供的一款價格較低、質量較輕的小功率衛星平臺。該衛星平臺歷時兩年時間設計，通過采用全電推進，可大幅降低衛星發射質量和提高載荷比。

BSS-702SP衛星平臺性能參數

BSS-702SP衛星平臺提供的電源功率為3～8kW，最大有效載荷質量為500kg，最多可安裝5副天線。該衛星平臺采用已經在BSS-702HP和BSS-702MP兩種衛星平臺上經過充分驗證的25cm氙離子推力器（X IPS-25）；采用新一代電子體系結構，簡化運行并改善數據接入，還可評估衛星的健康狀態；可搭載S、X、C、Ku和Ka等頻段轉發器，還可搭載敏感器、特高頻（UHF）和導航L頻段等有效載荷。由于采用輕質設計，使其可與目前大多數火箭兼容發射，如獵鷹-9、阿里安-5、海射-3SL、質子號、聯盟號、德爾他-4以及宇宙神-5等，而且可以進行“一箭雙星”發射。

2012年3月，香港亞洲廣播衛星公司（ABS）和墨西哥衛星公司（Satm ex）以每顆衛星略低于1億美元的價格，聯合向波音公司購買了4顆全電推進衛星，后續還可能增購4顆衛星，這也是BSS-702SP平臺的首次訂購。前兩顆衛星分別為亞洲廣播衛星-3A（ABS-3A）和墨西哥衛星-7（Satm ex-7），提供C頻段和Ku頻段服務，預計將在2014年底或2015年初由獵鷹-9火箭發射；后兩顆衛星分別為ABS-2A和Satmex-9，將分別搭載48臺Ku頻段轉發器，計劃于2015年第四季度由獵鷹-9火箭發射。2013年8月，ABS-3A衛星和Satm ex-7衛星采用的平臺通過關鍵設計評審，進入衛星裝配、總裝和試驗階段。

采用BSS-702SP衛星平臺的ABS-3A衛星示意圖

2 歐洲航天局的全電推進衛星平臺

在全電推進衛星的發展上，歐洲緊隨美國之后。2013年10月，歐洲航天局（ESA）與歐洲衛星公司（SES）正式簽署了“伊萊克特拉”（ELECTRA）項目合同，采取公私合作方式，研制一顆創新的中小型全電推進衛星，并進行發射和在軌驗證。在項目實施的第一階段，歐洲衛星公司是主承包商，目前正在與次承包商—不萊梅軌道高技術公司（OHB）共同開展衛星平臺設計制造工作。該衛星質量約3t，與傳統4～5t的中大型衛星相比，質量減少了40%，而攜帶有效載荷的能力與之相當。該衛星計劃于2018年底用小型運載火箭或采用一箭雙星方式發射。

公私合作方式能使歐洲航天局及其各個成員國分擔創新研發成本，并保持歐洲衛星運營商和制造商的競爭力。目前，歐洲在全球衛星通信市場占據35%的份額（含低軌和靜止軌道）。通過公私合作，歐洲航天局已經先后實施了“阿蒂米斯”（A rtem is）衛星、高適應性衛星-1（HYLAS-1）寬帶通信衛星、大型“阿爾法平臺“（A lph abu s）和“歐洲數據中繼衛星”（EDRS）等多個項目。歐洲航天局為“伊萊克特拉”項目投資0.97億歐元，德國出資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衛星示意圖

3 幾點分析

（1）從支持衛星南北位置保持向軌道轉移發展

由于電推進具有比沖高、壽命長、效率高、綜合性能好等優勢，目前美國、歐洲和俄羅斯等國家和地區的主流靜止軌道衛星平臺上均采用了電推進系統。其中，絕大多數采用氙離子推力器（X IPS）、穩態等離子推力器（SPT）、脈沖等離子推力器（PPT）和電弧加熱推力器。

國外主要通信衛星平臺電推進應用情況

典型電推進系統性能參數

這些電推進系統主要設計用于衛星南北位置保持。在波音提出全電推進平臺設計之前，它們從未被設計用于衛星入軌，只是在化學推進系統出現故障時，曾被迫應用于軌道轉移。比如，2001年發射的“阿蒂米斯”衛星和2010年發射的“先進極高頻”（AEHF）衛星均曾在主推進系統發生故障后，利用衛星的電推進系統慢慢提升至目標軌道。全電推進衛星平臺將在目前主流衛星平臺基礎上更進一步，完全依靠電推進系統進行軌道轉移和位置保持，這正在成為未來地球靜止軌道通信衛星的一個發展方向。

（2）將以較長的入軌時間換取發射成本大幅降低

當前的地球靜止軌道通信衛星變軌一般都使用化學推進系統，傳統的雙組元推進系統比沖為300s左右，軌道轉移過程中需消耗大量推進劑。而電推進系統，如X IPS-25推力器的比沖已達3800s以上，大大高于化學推進系統的比沖，因此，消耗較少的工質就可以使衛星獲得較大的速度增量。如果使用電推進完成從地球同步轉移軌道（GTO）到地球靜止軌道的變軌過程，僅需數百千克推進劑。即便考慮到電推進系統增加了電源分系統的質量，總體上還是可以大大減少整星質量，或者在相同發射質量的情況下提高有效載荷質量。通過“一箭雙星”發射，在不影響衛星通信能力和性能的前提下，衛星運營商的發射費用可大大減少。

但是，目前采用化學推進的衛星入軌時間只需幾周，而電推進系統由于推力小，造成全電推進衛星入軌時間大大延長，最長可能需要6個月。這不僅會對變軌期間的長期運行管理和衛星抗輻射等提出新的技術挑戰，而且由于在較長的入軌時間內無法獲得收益，衛星運營商必須比以往更早地提前規劃衛星的更新工作。

（3）將從商業通信衛星向深空探測等領域擴展

除了商業通信衛星，深空探測領域也一直是電推進技術應用的主要領域，如美國于1988年發射的深空-1（DS-1）探測器和2007年發射的“黎明”（Daw n）小行星探測器均采用了離子推進系統。未來該領域還將成為繼通信衛星后，最有可能應用全電推進的的領域，包括進行木星、土星、火星、小天體等科學探測任務。波音公司的BSS-702SP衛星平臺考慮了深空探測任務的應用，通過采用先進模塊化電源系統（AMPS），顯著降低系統質量，功率質量比達到約130W/kg，可使航天器具備在火星軌道運行、進行科學實驗的功率余量以及在木星甚至土星軌道運行的能力。除了通信衛星和深空探測任務，全電推進衛星平臺還可能應用于部署在高軌的導航衛星和遙感衛星，以及越來越受到關注的有效載荷搭載任務中。

4 結束語

目前，全電推進衛星已經成為航天領域新的發展熱點。除了波音公司和歐洲航天局外，國外其他一些政府或公司也在積極推動全電推進衛星的發展：勞拉公司和阿斯特留姆公司已啟動全電推進衛星研發，洛馬公司和泰雷茲-阿萊尼亞公司等也表示對此技術感興趣。其中，勞拉公司還在考慮將6個月左右的入軌時間壓縮至3～4個月。隨著電推進技術的不斷成熟，以電推進為主推進系統的航天器會越來越多，但由于電推進本身的入軌時間長等問題，其技術仍需要進一步發展。