中國新一代大型地球同步軌道衛(wèi)星公用平臺
——東方紅五號衛(wèi)星平臺

李峰 （中國空間技術研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部）

為提升中國在國際通信衛(wèi)星市場的競爭力，滿足對地球同步軌道衛(wèi)星公用平臺的更高需求，中國空間技術研究院開發(fā)了中國新一代大型地球同步軌道衛(wèi)星公用平臺——東方紅五號衛(wèi)星平臺（簡稱東五平臺）。本文介紹了東五平臺的技術特點和能力，簡要概述了平臺技術方案及其特點，并介紹了東五平臺研制進展與試驗驗證情況。東五平臺性能指標先進，可滿足通信和遙感等領域衛(wèi)星需求。

1 引言

進入21 世紀后，各主要衛(wèi)星研制廠商已經(jīng)在政府的主導下建立了較為完善的平臺型譜，發(fā)展超大型平臺成為當前趨勢[1-2]。其中，在歐洲航天局（ESA）和法國空間研究中心（CNES）主導下，由阿斯特留姆公司（Astrium）和泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）聯(lián)合研發(fā)的“阿爾法平臺”（Alphabus）[3-4]載荷承載能力達到了1500kg，載荷功率18kW，服務壽命15年；美國波音公司（Boeing）的BSS-702 平臺，載荷承載能力達到1200kg，載荷功率12 ～18kW，服務壽命15年。國際衛(wèi)星平臺發(fā)展呈現(xiàn)超大型化、整星功率與有效載荷承載能力顯著提高、多載荷適應以及升級與換代同步進行的趨勢。

隨著中國國民經(jīng)濟發(fā)展、國防現(xiàn)代化建設和國際市場競爭需要，對地球同步軌道衛(wèi)星公用平臺提出了更高的要求，為滿足國際競爭和未來市場發(fā)展需求，亟需開發(fā)中國新一代超大型地球同步軌道衛(wèi)星公用平臺—東五平臺，以填補中國12kW 以上衛(wèi)星平臺型譜空缺，實現(xiàn)平臺技術國際一流，系統(tǒng)提升中國衛(wèi)星整體水平。目前，東五平臺已完成開發(fā)。

2 東五平臺技術特點及能力

東五平臺為換代型平臺，充分繼承現(xiàn)有產品、技術成果與經(jīng)驗，滿足典型通信與遙感載荷的應用需求，主要具有以下五大特點：

1）高承載。整星發(fā)射質量8000kg，有效載荷承載質量1500kg，有效載荷功率18kW，有效載荷布局能力達到120 路以上（等效C 頻段透明轉發(fā)器）。

2）大功率。東五平臺采用二維二次展開半剛性太陽翼、鋰離子蓄電池等技術，整星壽命末期功率達到28kW 以上。

3）高散熱。平臺采用主動熱控、被動熱控結合的手段，實現(xiàn)有效載荷散熱能力9kW 以上。

東五平臺能力包絡圖

4）長壽命。平臺具備提供在軌服務16年的能力。

5）可擴展。衛(wèi)星平臺設計預留承載、供配電、姿軌控以及熱控等擴展能力。以典型通信衛(wèi)星為例，擴展后整星發(fā)射質量9000kg，有效載荷質量1800kg，載荷功率22kW，布局轉發(fā)器150 路（等效C 頻段透明轉發(fā)器）以上。

東五平臺設計充分考慮后續(xù)的升級需求和多載荷適應性需求，按照族譜設計，包括基本型、全化學推進型、光學遙感型以及擴展型。通信類衛(wèi)星在軌服務壽命按照16年考慮，遙感類載荷在軌服務壽命按照12年考慮。

3 東五平臺技術方案

平臺總體設計

東五平臺可采用中國新一代大型運載火箭——長征五號運載火箭發(fā)射，并且具備使用國際主流運載火箭發(fā)射的能力。平臺由供配電、測控、綜合電子、姿軌控、化學推進、電推進、結構和熱控八個分系統(tǒng)組成，采用分艙段模塊化設計，包括推進艙、服務艙以及有效載荷艙，其中推進艙與服務艙組成平臺的公用艙段部分，采用桁架式主承力結構，大幅降低公用艙段的高度，并為不同形式載荷艙提供多個硬點連接的統(tǒng)一接口形式，實現(xiàn)公用艙段與有效載荷艙并行研制、快速連接。

東五平臺在配置化學推進分系統(tǒng)的基礎上，采用電推進技術，實現(xiàn)衛(wèi)星在軌全電推進位置保持與角動量卸載，大幅減少衛(wèi)星推進劑攜帶量，提高有效載荷承載效率。同時，基于東五平臺的衛(wèi)星可以采用化學推進分系統(tǒng)的軌控發(fā)動機實現(xiàn)軌道轉移，也可以采用軌控發(fā)動機與電推力器聯(lián)合變軌的入軌策略。

平臺采用智能化、自主化設計，采用高軌自主導航系統(tǒng)實現(xiàn)了衛(wèi)星在軌自主姿態(tài)和軌道控制，并通過在軌自主的星務、能源、熱控管理以及在軌故障診斷、隔離與恢復設計，將大幅提升衛(wèi)星的好用性和易用性，減少地面操作，提高用戶使用體驗。

基于東五平臺的典型通信衛(wèi)星整體呈長方體構型，衛(wèi)星南北面為散熱面，東西面和對地面安裝通信天線，南北面安裝太陽翼和熱輻射器。

高承載、多適應桁架式結構

東五平臺典型通信衛(wèi)星構型

為實現(xiàn)多載荷適應性以及高承載能力，東五平臺采用桁架式主承力結構形式，主承力結構由“W”型梁板復合結構以及對接環(huán)組成。針對不同有效載荷形式，載荷艙可采用桁架式、箱板式承力結構形式，具有載荷適應能力強的特點。載荷艙力載荷通過兩艙接口向下傳遞，并通過桁架結構傳遞至星箭對接環(huán)，具有傳力路徑簡單的特點。平臺結構承載能力為8000kg，在衛(wèi)星平臺構型不變的情況下，具備擴展到9000kg 的能力。

體分布、萬瓦級高效熱控系統(tǒng)

熱控分系統(tǒng)充分借鑒東四平臺衛(wèi)星的熱控技術，以主動熱控結合被動熱控技術作為熱控手段，利用衛(wèi)星南北板作為散熱面，設計可展開式熱輻射器作為擴展散熱面。載荷艙采用三維熱管網(wǎng)絡、單相流體回路等技術，實現(xiàn)載荷艙等溫化設計，散熱能力達到9kW。

先進綜合電子系統(tǒng)

東五平臺綜合電子分系統(tǒng)采用以星務管理單元為控制中心，1553B 總線為信息網(wǎng)絡，綜合業(yè)務單元等為下位機的集散型分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)，提供標準的電氣接口和總線網(wǎng)絡通信模式，按照模塊化的設計思路進行功能整合。綜合電子分系統(tǒng)是平臺實現(xiàn)智能化設計的核心系統(tǒng)，通過星務管理單元實現(xiàn)衛(wèi)星星箭分離后的程控、高精度時間管理、整星FDIR、在軌自主星務管理、自主能源管理等功能。

20kW 級超大功率供配電系統(tǒng)

東五平臺供配電分系統(tǒng)基于“太陽電池陣—蓄電池組”設計架構，采用全調節(jié)統(tǒng)一母線，母線電壓100V。平臺采用繃弦式二維二次展開半剛性太陽翼、高光電轉換效率的太陽能電池片、大功率太陽帆板驅動機構、大功率電源控制器、大容量高比能量鋰離子蓄電池組等先進技術，實現(xiàn)整星壽命末期分點28.4kW 大功率供電能力。

高精度姿軌控系統(tǒng)

東五平臺衛(wèi)星在軌三軸穩(wěn)定，姿軌控分系統(tǒng)采用“姿軌控計算機為處理中心、執(zhí)行機構驅動單元和電推進控制單元為驅動控制中心”設計。整星配置星敏感器、太陽敏感器、地球敏感器以及長壽命陀螺等姿態(tài)敏感器，具備多種姿態(tài)確定組合。在正常模式下，衛(wèi)星采用長壽命半球諧振陀螺+星敏感器組合定姿、整星零動量控制等技術，實現(xiàn)三軸0.03°的姿態(tài)控制精度。姿軌控分系統(tǒng)通過高軌自主導航子系統(tǒng)以及光學敏感器實現(xiàn)在軌自主導航，具備長期在軌自主運行能力。

高效并聯(lián)排放化學推進系統(tǒng)

東五平臺采用統(tǒng)一雙組元推進系統(tǒng)，配置4 個并聯(lián)布置的板式全管理貯箱，能夠裝填超過3900kg的化學推進劑，具備將整星從地球同步轉移軌道變軌至地球同步軌道的能力。通過配置高精度壓力傳感器、高精度超聲波流量計等設備，并結合熱容法，實現(xiàn)在軌推進劑剩余量高精度測量、高精度推進劑混合比以及平衡排放主動控制，系統(tǒng)混合比控制誤差優(yōu)于1%。化學推進分系統(tǒng)設備全部布置在推進艙，便于整星模塊化設計與研制流程優(yōu)化。此外，化學推進分系統(tǒng)還采用了推進劑大流量可重復加排技術，大幅減少衛(wèi)星加注時間。

東五平臺姿軌控系統(tǒng)框圖

大推力、多模式電推進系統(tǒng)

電推進分系統(tǒng)采用高比沖、可變推力的新一代電推進系統(tǒng)，配置LIPS-300 多模式離子推力器及矢量調節(jié)機構。在5kW 大功率模式下，具有大推力的特點，推力200mN，比沖3500s，實現(xiàn)衛(wèi)星轉移軌道后期變軌任務；在3kW 小功率模式下，具有高比沖的特點，單臺推力器推力100mN，比沖4000s。實現(xiàn)衛(wèi)星全壽命周期在軌全電推進南北、東西位保以及動量輪角動量管理。

4 東五平臺研制進展及試驗驗證

試驗驗證概況

中國空間技術研究院在東五平臺工程研制的同時，結合新技術試驗衛(wèi)星—實踐二十號衛(wèi)星的研制，對東五平臺功能、性能進行了全面的驗證工作，其中，實踐二十號衛(wèi)星采用東五平臺基本配置，重點對東五平臺各分系統(tǒng)功能、性能以及關鍵技術進行驗證。

整星結構驗證

為驗證東五平臺全新的結構設計，研制了推進服務艙結構與典型通信載荷艙結構，分別進行了結構靜力試驗，并順利通過所有工況驗收級和鑒定級試驗。驗證了結構設計的合理性，確認了結構部裝的工藝性與可行性，平臺結構滿足運載火箭發(fā)射載荷下的強度要求，結構承載能力具有擴展到9000kg 的潛力。通過東五平臺結構星整星滿箱、空箱情況下的鑒定級力學環(huán)境試驗，驗證了結構設計的合理性，星上大部件（重疊壓緊天線、可展開式熱輻射器、太陽翼）接口設計的正確性。

推進系統(tǒng)驗證

（1）化學推進系統(tǒng)驗證

東五平臺主要試驗驗證項目情況

按照化學推進分系統(tǒng)在軌工作模式和工況，完成了東五平臺化學推進分系統(tǒng)整星級地面點火試車試驗。點火試驗過程中，化學推進分系統(tǒng)的系統(tǒng)匹配性良好。通過試驗，全面獲取了東五平臺化學推進分系統(tǒng)真實推進劑下的系統(tǒng)性能參數(shù)，驗證了化學推進分系統(tǒng)的系統(tǒng)匹配性、穩(wěn)定性等功能和性能，全面驗證了東五平臺化學推進分系統(tǒng)地面加注流程，驗證了平衡排放控制方案以及混合比主動控制策略的有效性。

（2）電推進系統(tǒng)驗證

按照電推進分系統(tǒng)在軌工作模式和工況，完成了東五平臺電推進分系統(tǒng)系統(tǒng)級地面點火試車試驗。試驗過程中，電推進分系統(tǒng)的匹配性良好。在東五平臺試驗衛(wèi)星實踐二十號衛(wèi)星正樣研制過程中，完成了東五電推進分系統(tǒng)的集成與測試，并通過了整星鑒定級力學試驗、熱試驗等，并在真空罐中完成了電推進分系統(tǒng)真空點火試驗驗證，試驗結果正常。

熱設計驗證

在完成實踐二十號衛(wèi)星整星總裝、集成、電性能測試、力學試驗后，進行了整星熱平衡試驗驗證。試驗中熱控產品（熱管、加熱器、多層隔熱組件、流體回路）工作性能良好，驗證了東五平臺熱控設計的合理性，星上設備溫度余量滿足要求，載荷艙散熱能力滿足9kW 的要求。

電性能驗證

實踐二十號衛(wèi)星開展了電性能綜合測試，整星電測加電時間共計1500 余小時，各階段的測試過程中，對整星設備間的遙測遙控接口、數(shù)據(jù)信息進行了全面的測試。測試過程衛(wèi)星功能性能良好。

運輸匹配性驗證

整星采用空運的運輸方式，并在實踐二十號衛(wèi)星整星運輸過程中進行了全面的驗證。到達發(fā)射場后，衛(wèi)星狀態(tài)正常，衛(wèi)星檢漏結果正常。表明該衛(wèi)星與整星包裝箱兼容性良好，整星包裝箱與運輸飛機、運輸車兼容性良好。

大系統(tǒng)匹配性驗證

通過實踐二十號衛(wèi)星研制過程，驗證了東五平臺衛(wèi)星在發(fā)射場的技術流程、計劃流程的合理性；驗證了東五平臺對海南發(fā)射場環(huán)境、地面工裝設備的適應性；驗證了東五平臺衛(wèi)星與長征五號運載火箭接口設計、與測控系統(tǒng)接口設計的正確性。大系統(tǒng)匹配性驗證為后續(xù)東五平臺衛(wèi)星的研制提供了基礎。

鑒定件研制

東五平臺各新研單機陸續(xù)開展了鑒定件研制工作，已完成包括鋰離子蓄電池、二維二次展開半剛性太陽翼、大功率太陽帆板驅動機構、板式全管理貯箱、氦氣瓶、氙氣瓶等在內的所有鑒定件的研制與鑒定試驗，確定了平臺產品技術狀態(tài)基線。

5 應用前景

東五平臺作為中國換代發(fā)展的地球同步軌道衛(wèi)星平臺，在充分繼承成熟技術的基礎上，采用了大量新技術，牽引了衛(wèi)星平臺共性技術的發(fā)展，能滿足中國2030年前地球同步軌道通信和遙感領域衛(wèi)星需求，平臺性能指標達到國際一流水平。目前，東五平臺已完成所有關鍵技術攻關、分系統(tǒng)級和整星級的試驗驗證，基于該平臺研制的實踐二十號衛(wèi)星已于2019年12年27日成功發(fā)射，衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)良好。東五平臺即將全面推入衛(wèi)星市場，將為中國航天事業(yè)作出貢獻！