全電推進衛星全球首發：六大關注點

劉悅（北京空間科技信息研究所）

2015年3月3日，美國太空探索公司（SpaceX）的獵鷹－9(Falcon－9)火箭攜帶美國波音公司（Boeing）研制的兩顆全電推進衛星（All-electric propulsion satellite）—亞洲廣播衛星－3A（ABS－3A）衛星和“歐洲通信衛星115西B”（Eutelsat 115 West B）衛星升空。全電推進衛星的概念由波音公司于2012年最早提出，波音公司的BSS－702SP全電推進平臺一經推出即獲得了4顆衛星訂單，采用波音公司的專利技術以一箭雙星的方式發射，從而引領了全球全電推進衛星的發展浪潮。此次發射的亞洲廣播衛星－3A衛星和“歐洲通信衛星115西B”衛星是這4顆衛星的前兩顆衛星，也是世界第一批上天的全電推進衛星。

所謂全電推進衛星是指地球靜止軌道（GEO）衛星在星箭分離后使用電推進取代化學推進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執行。因此，全電推進衛星能夠節省大量的燃料，提高衛星平臺的有效載荷比或降低發射成本，具有巨大的實用和商業價值。然而，在看到優勢的同時，衛星運營商也認識到只依靠原本作為備份的電推進系統完成所有的軌道機動，有可能帶來巨大的風險，因此，美國波音公司這次發射的成敗與否，將在一定程度上決定未來全電推進衛星發展的前景。星箭分離后，由于軌道轉移時間較長，有不少問題需關注。

看點1：惡劣的空間環境是否會對全電推進衛星造成影響？

地球的外層空間位于700～10000km高度有2條高能質子輻射帶，即范·艾倫輻射帶。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，對衛星抗輻射能力提出了很高的要求。2010年，美國成功挽救了先進極高頻－1（AEHF－1）衛星，依靠電推進系統在經歷了長達14個月的軌道轉移之后，最終成功將衛星送入預定軌道，并且仍能保證14年的工作壽命，或許跟該衛星是一顆軍用的、高防護、抗核加固的衛星有關。而此次發射的是一顆普通的商用衛星，是否還能夠順利穿越高能輻射帶，星上的電子設備是否會出現故障？值得我們重點關注。

看點2：全電推進衛星到底需要多長時間才能入軌？

傳統的靜止軌道衛星依靠遠地點發動機完成軌道轉移任務，一般僅需花費2～3周即可到達預定軌位，然而，按照現有電推進系統的能力，全電推進衛星至少需要6個月才能進入地球靜止軌道。對于運營商來說，全電推進衛星的有效載荷在軌道轉移過程中不能開機，衛星的“空轉”時間比化學推進衛星增加了幾個月，這段時間無法盈利，相當于增加了運營商的投入成本。對于提供在軌交付的制造商來說，這幾個月也會算作衛星交付周期之內，增加了市場競爭的不利因素。因此，衛星到底多長時間能夠進入最后軌道，成為跟運營商和制造商經濟收入密切相關的重要因素。

看點3：全電推進衛星軌道轉移過程中地面控制如何進行？

比起化學推進衛星，電推進衛星由于推力較小，推力器的點火次數顯著增加，點火時間大幅延長，這期間需要很多技術人員全程參與。在全電推進衛星的變軌過程中，要不斷修正變軌策略，星地間數據交換頻繁，有可能帶來人工運行管理風險。有消息稱，波音公司的BSS－702SP平臺衛星加強了自主運行管理設計，開發了高自動化的點火規劃運行系統，使得全電推進衛星的地面運行管理的工作量達到之前化學推進衛星xiang相接近。但該系統應用的效果如何，是否會導致衛星出現在軌故障，值得重點分析。

看點4：全電推進衛星的電源系統設計如何？

傳統衛星的電源系統一般由有效載荷決定。然而，全電推進衛星在軌道轉移過程中，不再使用傳統的推進系統，而主要用電推進完成軌道提升，需要更多功率，會耗費更多電力，甚至于與有效載荷整個周期內消耗的最多功率相當，因而同有效載荷系統一樣，電推進系統也成為電源設計的重要考慮因素。此外，還需要考慮推力器連續點火導致的儲能電池工作壽命和太陽電池翼尺寸問題，須預備額外2kW的功率余量。歐洲全電推進衛星方案顯示，在衛星進行軌道提升時，計劃兩個電推力器同時開機，電推進系統的功率高達9.6kW；在衛星進行位置保持時，1個電推力器開機工作，分配給電推進子系統的功率僅需3.2kW。因此，此次波音公司全電推進衛星的電源系統的設計和性能如何，值得我們關注。

看點5：全電推進衛星“一箭雙星”的發射過程如何？

整裝測試中的ABS-3A衛星

全電推進衛星在現階段的核心優勢，在于衛星質量大幅降低，利用同樣的運載火箭可以采用“一箭雙星”發射方式，發射費用的大幅下降。據國外媒體計算顯示，亞洲廣播衛星－3A全電推進衛星的建造、發射和保險費用合計1.75億～1.8億美元，對比混合推進衛星的2.5億～2.75億美元少了接近1億美元。因此，波音公司為這種兩顆衛星堆疊發射技術申請了專利。相比起之前阿里安－5火箭和俄羅斯質子號火箭進行的“一箭雙星”發射，最大的不同在于波音能夠支持兩顆完全相同的全電推進高功率衛星的發射，而通常上述歐俄兩家火箭只能發射一大一小兩顆衛星，并且不包括全電推進或是混合推進的衛星。波音公司的“一箭雙星”發射是一種創新。

看點6：國外運營商對此次全電推進衛星發射做何評價？

對于衛星運營商來說，特別是用戶基礎較為薄弱的中小型衛星運營商，能夠以近一半的價格采購同等能力的衛星，具有極大的吸引力。然而，只有尋找到與該運營商匹配的衛星才能享受到全電推進和“一箭雙星”帶來的商業價值，因此，衛星的匹配問題成了制約全電推進衛星訂單的“瓶頸”，例如，2014年印尼衛星運營商PSN欲采購一顆全電推進衛星，整整花費了1年的時間都未能找到匹配的衛星，最終放棄。該公司稱，雖然意識到全電推進帶來的巨大優勢，但還處于觀望狀態，等待多顆全電推進衛星成功發射。這也反映了國外運營商對于全電推進的普遍態度。