全電推進衛星平臺未來發展前景分析

劉悅（北京空間科技信息研究所）

1 引言

在通信衛星制造領域，波音公司是勇于創新，敢于做“第一個吃螃蟹”的公司。21世紀初，波音公司便在早期的BSS－702衛星平臺的太陽電池翼上率先采用聚光器設計，以期獲得更大功率。事實表明，聚光器設計是一項失敗的設計，導致衛星太陽電池發電效率很快大幅降低。無獨有偶，波音公司的BSS－601衛星平臺較早采用了電推進系統用于南北位置保持，其電推進系統產品為13cm直徑氙離子推力器XIPS－13；而統計發現，2000年以來，在全球通信衛星發生的電推進系統故障事件中，BSS－601衛星平臺電推進系統故障事件占60%以上。上述兩大挫折曾導致波音公司在商業通信衛星市場中一度跌入低潮。隨后，波音公司采取了相應措施，在BSS－702衛星平臺的設計中取消了聚光器，引入新型25cm直徑氙離子推進系統-25（XIPS－25），衛星可靠性顯著提高。數據表明，迄今為止采用BSS－702衛星平臺的衛星只發生了2次電推進系統故障事件。25cm直徑氙離子推力器已成為一款應用成熟、可靠性較高的產品。

而今，波音公司為了重返商業市場，大膽提出了全電推進技術的概念，并推出了全球首款全電推進衛星平臺—BSS－702SP。新衛星平臺一經推出，波音公司即宣布獲得亞洲廣播衛星公司（ABS）和墨西哥衛星公司（SATMEX）的4顆衛星訂單。傳統的地球靜止軌道衛星在星箭分離后依靠化學推進系統完成軌道轉移任務進入工作軌道，入軌后的位置保持有可能采用電推進系統，也有可能采用化學推進系統。所謂全電推進衛星平臺衛星是指地球靜止軌道衛星在星箭分離后使用電推進系統取代化學推進系統完成軌道轉移任務進入工作軌道，且入軌后的位置保持任務完全由電推進系統執行。

2 國外全電推進衛星平臺研制最新進展

美國BSS－702SP衛星平臺通過關鍵設計評審

BSS-702SP衛星平臺的研制始于2011年，2013年8月通過了關鍵設計評審，預計首發星將在2014年發射。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702MP兩種衛星平臺上經過充分驗證的XIPS－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。該衛星平臺的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、天頂-3海射、質子號、聯盟號、德爾他－4及宇宙神－5等，而且可以進行“一箭雙星”發射。

歐洲全電推進衛星平臺項目正式立項

歐洲全電推進衛星平臺的研制落后于美國，目前尚無全電推進衛星平臺產品面世，但也很早就認識到全電推進技術的重要性。在2011年底，歐洲第二大通信衛星運營商SES ASTRA公司在一次會議上做了有關優化衛星成本和在軌壽命的報告。

歐洲航天局（ESA）通信部已將發展全電推進衛星列為該部門的最高優先級項目之一。2013年10月，ESA正式與盧森堡衛星運營商SES公司和衛星制造商德國不萊梅OHB公司簽訂了全電推進系統通信衛星“伊萊克特拉”（Electra）項目合同。這份為期1年的合同總價值1200萬歐元（約合1600萬美元），在此之后，將會有后續的計劃跟進Electra項目。

BSS－702SP衛星平臺性能參數

采用BSS-702SP衛星平臺的ABS-3A衛星示意圖

公私合作方式能使ESA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。這份合同的第一階段由ESA出資70%，SES公司和OHB公司共同出資30%。SES公司是衛星設計階段的主承包商，OHB公司是分包商。盧森堡政府宣布將為Electra項目投入1700萬歐元。Electra衛星的首飛時間將根據實際的項目實施進度，預計將在2018年發射。SES公司把Electra項目視作推動下一代衛星研制和衛星發射服務的助推器。全電推進衛星已經成為歐洲未來通信衛星能力提升的重要技術路線圖。

全球其他主要航天企業紛紛啟動全電推進衛星平臺研制

除了美歐兩大衛星制造商，世界各主要航天企業紛紛表示開始全電推進技術的研究，希望能在未來3年內發射自己的全電推進衛星：美國商業通信衛星制造商勞拉空間系統公司（SS/L）也表示將在1年內推出全電推進衛星平臺；俄羅斯火炬設計局（Fakel）立足其成熟的電推進系統產品SPT－100霍爾推力器，該產品已經廣泛用于各國的電推進系統軌道保持任務，2013年新推出的新型推力器SPT－140已經具有滿足軌道機動要求的能力。未來，Fakel設計局還計劃在2年內實現高功率大推力霍爾電推進系統用于軌道轉移任務。

近年來，中國老年人口持續快速增長。截至2017年底，全國60周歲以上人口已達24090萬人，占比17.3%。為應對這一緊迫形勢，2013年以來，政府密集出臺了一系列發展養老服務、放開養老服務市場、提升養老服務質量的政策，各地結合實際創新升級省級政策，有力推動了養老服務業持續發展。本次發布的創新報告對全國31個省市區的養老服務政策創新情況進行了評價，評價指標涉及機構養老服務、社區居家服務、長期照護服務、醫養結合等9個方面和39個評價點。

3 全電推進衛星平臺未來發展的優勢與挑戰

全電推進衛星平臺的應用優勢

一直以來，降低衛星發射質量、提高有效載荷比是大型靜止軌道衛星研制追求的目標。雖然推進系統的重要性毋庸置疑，但無可否認，只有有效載荷才是衛星真正的價值所在。與構成衛星平臺的其他分系統相比，推進系統質量占的比重最大，當前采用化學推進系統的靜止軌道衛星的干質量比約為40%。因此，降低推進系統質量具有巨大的實用價值，甚至有可能成為影響未來衛星產業的關鍵技術之一。

ESA的全電推進衛星示意圖

全電推進衛星使用電推進系統取代化學推進系統，節省了大量的化學燃料，巨大的應用優勢主要體現在3個方面：①在有效載荷確定和在軌運行壽命不變的基礎上降低發射質量；②在發射質量和在軌運行壽命不變的基礎上增加有效載荷的質量；③在發射質量和有效載荷確定的基礎上提高衛星的在軌運行壽命。

以歐洲通信衛星（EUTELSAT）公司最先進的大容量寬帶通信衛星“Ka頻段衛星”（Ka-SAT）為例，對比了同一衛星采用3種不同推進系統方案的衛星質量。第1種推進系統方案采用全化學推進系統，衛星的總質量將達到7000kg，目前商業發射難以實現。第2種方案是混合推進系統（化學推進-電推進系統），即星箭分離到入軌的過程中用化學推進系統，而在軌工作期間的位置保持使用電推進系統，此種方案中衛星的發射質量超過6000kg。第3種方案是采用全電推進系統，即軌道轉移以及在軌的位置保持均使用電推進系統來完成，此種方案將發射質量降低到4100kg左右。在有效載荷質量和在軌壽命相同的情況下，電推進系統應用的程度越大，Ka-SAT衛星的發射質量越小。波音公司的全電推進系統通信衛星使用150kg的氙替代1650kg的肼，原本發射質量為4000kg的衛星，現在發射質量降為2000kg，這樣使得衛星能以“一箭雙星”的方式發射，能夠節省超過3500萬的發射費用。

在衛星發射質量不變的情況下，從攜帶燃料方面節省的質量具有巨大的實用價值：節省下來的質量能夠使現有衛星平臺攜帶大型的、復雜的、較重的有效載荷成為可能，甚至能夠支持更大型的有效載荷，從而大大提高衛星的投入產出比。比起化學推進系統，電推進系統推力較小，一般為幾十到幾千毫牛的量級，可以支持對姿態精度要求較高的有效載荷，如2009年ESA發射的“重力場和穩態海洋環流探測器”（GOCE）衛星。

此外，對于通信衛星來說，節省下來的質量能夠大幅延長通信衛星的設計壽命，提高衛星的商業價值；為了提高衛星的在軌靈活性，有時需要變更軌位，全電推進系統節省的燃料還可以用來在軌機動或變更軌位。此外，使用電推進系統能夠避免在修正軌道傾角所消耗的化學燃料，降低衛星發射對低緯度發射場的依賴，譬如我國專門興建了緯度更低的海南發射場。

采用不同推進系統方案的Ka-SAT質量

全電推進衛星平臺的風險與挑戰

所謂全電推進系統，是指只依靠原本作為備份的電推進系統完成所有的軌道機動，而對于航天這樣一個高風險的行業來說，沒有備份本身就是一個很大的風險。因此，在認識到全電推進衛星擁有的巨大實用價值的同時，但在現階段仍面臨著巨大的風險和挑戰。

傳統靜止軌道衛星的軌道轉移一般采用霍曼（Hohmann）轉移軌道方法，遠地點發動機由于采用化學推進系統因而推力較大，僅需數次開機和數百分鐘的點火時間即可到達靜止軌道。如果采用電推進系統承擔軌道轉移任務，由于推力較小，整個軌道轉移任務需要幾個月才能最終完成。

這樣存在幾個問題。第一，有效載荷推遲開機使用，這為運營商和制造商都帶來了較大的商業風險；第二，衛星長期處于較低的軌道高度，因而面臨長期空間生存能力的考驗；第三，全電推進衛星軌道轉移過程中的變軌控制較化學推進系統更加復雜，對電源系統等其他相關分系統的設計也提出了更高的要求。為此，在認識到全電推進衛星擁有的巨大實用價值的同時，這些風險和挑戰也應當引起充分的重視。

在地外空間位于700～10000km的高度有2條高能質子輻射帶，即范·艾倫輻射帶。由于全電推進衛星在長達數月的變軌時間內，長期處于并頻繁穿越高能質子輻射帶，所以會對衛星的電子系統的正常工作造成很大影響。嚴酷的空間環境對衛星的考驗不僅僅來自于空間輻射的影響，而且，由于全電推進衛星長期處于較低的近地點高度，因此還會受到其他一些如微流星體和軌道碎片的影響；其次，電推進系統的使用對于衛星的電源系統提出了很高的要求。盡管有效載荷是決定衛星功率大小的關鍵，全電推進衛星也將衛星的電源系統放在了同等重要的位置上；按照現有電推進系統的能力，全電推進衛星至少需要6個月才能進入靜止軌道。在這樣一個漫長的軌道轉移過程中，對于運營商和制造商雙方都帶來了巨大的風險。

4 結論與啟示

結論

（1）全電推進衛星平臺是實現通信衛星總體能力升級的重要手段

全電推進衛星平臺自2012年開展商業化應用以來，引發了國際航天界的強烈關注。采用小推力的電推進系統完成軌道轉移和位置保持，可以顯著降低發射質量，提高有效載荷比，延長通信衛星的在軌壽命。衛星發射質量的降低能夠大幅降低發射成本，提高商業競爭力。全電推進衛星平臺是一種全新的發展思路，在未來有可能成為提高通信衛星平臺的綜合性能和技術水平的重要手段，是靜止軌道通信衛星的重要發展方向。

（2）全電推進衛星平臺在現階段應用仍有較大風險

全電推進衛星平臺最大的風險在于取消了化學推進系統的備份，采用小推力的電推進系統將顯著延長衛星進行軌道轉移的時間。衛星在長達6個月的變軌過程中，將面臨來自空間環境、運行管理和商業運營等各個方面的挑戰。國外在這個方面的研究也剛剛起步，在實際應用過程中還可能出現很多變數，能否成為主流衛星的標準配置，還要看多次空間應用情況。因此，應當以辯證的角度分析全電推進衛星平臺，既看到其優勢，又了解其風險。

（3）全電推進技術在遙感、深空探測等多個領域應用潛力巨大

雖然目前全電推進衛星平臺只在通信衛星領域實現了商業化應用，但仍不可忽視其在整個航天領域的巨大價值。采用小推力的電推進系統能夠提高姿態和軌道控制精度，實現特定用途的遙感衛星應用（如重力測量衛星）；電推進系統帶來的有效載荷比的提高能夠使得衛星攜帶更大質量的有效載荷，使得更加復雜的軍事偵察任務成為可能；電推進系統能夠大大減少化學推進劑的攜帶量，幫助深空探測器飛向更深遠的太空。

啟示

（1）加緊我國國產電推進系統產品的演示驗證，分步實施全電推進衛星平臺發展計劃

電推進系統是全電推進衛星平臺的核心，應用電推進系統已經成為下一代航天器最重要的技術特征之一。國內電推進系統研究經過了多年的技術攻關和地面試驗，取得了階段性成果，但在實際應用中尚缺乏在實際空間環境中的檢驗。根據我國的實際情況，應當為國產電推進系統產品提供更多的飛行機會，促進電推進系統技術的成熟和工程化應用。在發展全電推進衛星方面，可以考慮分兩步走：第一步是將電推進系統應用于衛星的位置保持，尤其是消耗燃料比較多的南北位置保持，逐漸積累經驗；第二步是在第一步的基礎上將電推進系統的應用擴展到承擔整個軌道轉移任務，研制全電推進衛星。

（2）以創新驅動發展為指導思想，吸取電推進衛星系統發展落后的教訓

在衛星制造這一行業領域來說，創新永遠是最困難的，因為每一項技術的創新，往往總是與高額的成本、巨大的風險和復雜的技術聯系在一起。波音公司從不畏懼創新帶來的風險，面對激烈的國際競爭，波音公司不斷推出變革性的產品，鞏固其市場地位，其背后的戰略思維值得我國航天企業學習。我國電推進系統技術的研究與國外幾乎同時起步，中間歷經了幾十年才首次應用到衛星上進行試驗驗證。這其中有技術落后的問題，但不可否認的是，我國參與商業化市場競爭的經驗較少，對新產品的研發投入重視不夠。我國應當轉變思想，在航天器設計研制的過程中鼓勵采用新思想、新技術，縮短與國外航天強國的距離，避免重演電推進系統“起個大早，趕個晚集”的教訓。

（3）積極發展新技術以實現成本控制，避免我國通信衛星的價格優勢不再

美國航天在過去20年里一直存在問題，主要是發射費用高、衛星價格昂貴。但隨著全電推進衛星和“獵鷹”系列火箭的出現，讓人們看到了美國在航天技術上的強大實力正在轉化為商業競爭力。衛星的研制成本將進一步降低，我國如果不抓緊迎頭趕上，很可能又要被美國甩開一代。我國通信衛星參與國際上的競爭力，主要來自于低廉的衛星價格和較低的火箭發射費用。目前，為了贏得國際訂單，我國通信衛星的利潤空間已經被擠壓到了最低，甚至有些已經到了“賠本賺吆喝”的程度。我國應當緊密跟蹤和研究國外能夠降低衛星成本的新技術，避免由于新技術的應用導致我國通信衛星優勢不再。