新型高軌公用衛星平臺發展現狀與趨勢

文/ 姚遠 蔡亞星 郭玲華

自從我國“東方紅一號”通信衛星成功發射以來，半個世紀里世界通信衛星事業不斷實現轉型升級，衛星平臺不斷實現技術創新，產生了許多新的特點。認真分析研究這些特點，特別是分析研究新型高軌公用衛星平臺的創新特點、創新文化，對于改進提升我國新型高軌公用衛星平臺具有重大深遠意義，是建設航天強國的一項實際行動。本文試對國際新型高軌公用衛星平臺當前發展作以概述分析，以期描繪我國通信衛星平臺領域發展方向。

國際新型高軌公用衛星平臺創新潮流

新型高軌通信衛星是國際民用商用衛星市場中份額最高、競爭最為激烈的領域。全球平均每年發射約20顆大型通信衛星，約占商業通信衛星總量的80%。針對各類用戶對高軌公用衛星平臺的綜合性能、效費比、研制周期、可靠性、兼容性提出的技術創新要求，近年來全球各大衛星制造商開始著力研究并開發新型高軌公用衛星平臺。

一是洛克希德馬丁公司及其新型LM2100平臺。

該公司早在20世紀90年代就推出A2100平臺，并提前10年啟動了“全面檢查并升級A2100衛星平臺”的一項內部投資計劃，推出了LM50、LM400、LM1000、LM2100等4個 全新平臺。

以LM2100為最新標志的新平臺采用了集成通用化、先進制造技術、并行制造策略等的設計理念。比之前的A2100有26項性能提升。其中，最重要的創新就是采用柔性太陽翼，開發石墨桅桿和展開系統，提供更多功率、更輕重量以及更小包絡。平臺推進系統提供全電、全化學、混合推進三種方式，對于電推進，使用霍爾電推力器，變軌時間為其他電推進系統的一半。平臺能力可擴展到16千瓦以上載荷功率，星上處理器實現在軌重構。LM2100平臺還具有可擴展制造特性，使用了包括3D打印、基于虛擬現實的數字設計等多項先進制造技術，使短周期低成本產品在衛星研制各階段可精準裝配，等等。基于LM2100的衛星發射重量2300～6500千克，整星功率20千瓦，載荷可擴展到1000千克和12千瓦。平臺狀態為HellasSat-4通信衛星于2019年2月5日首飛成功發射入軌，3星在軌。

概括起來， LM2100平臺的關鍵技術與創新主要體現在四方面：

1.面向需求的設計：擴展有效載荷重量、功率和散熱能力范圍，適應各類任務使命。

2.面向成本的設計：簡化架構并縮減產品的類型和數量，從根本上縮減研制成本和相關部件的研制周期。

3.面向生產的設計：修改了架構和總裝流程，以提升制造和測試流程。

4.面向任務的設計：實現軍事和商業用戶所需的平臺特性與鑒定測試要求，對各類任務使命通用性好。

二是歐空局ARTES計劃下的新型NEOSAT平臺。

該平臺瞄準發射質量3至6噸的主流通信衛星市場，通過創新技術、降低成本、縮短生產周期等手段，使其整體競爭力與歐洲現有平臺相比提升30%，并在2018-2030年期間實現50%的市場占有率，即獲得約150顆衛星的研制合同，預計可為歐洲帶來約250億歐元的衛星制造收入。

NEOSAT項目產品的基本指標：

1.可以滿足中型衛星任務要求。

2.與獵鷹-9火箭發射臺及4米整流罩發射臺全程兼容。

3.充分的模塊化理念和完整的電子化平臺。

4.可選的推進模塊：增加推進的持續時間。

5.熱控：通過液體循環或采用可展開輻射器（DPR）。

幾乎同時，空客防務與航天公司（ADS）開發了Eurostar NEO新型高軌通信衛星平臺，泰雷茲阿萊尼亞航天公司（TAS）開發了SpaceBus NEO新型高軌通信衛星平臺。這兩種平臺都具有全電推配置、全化學推進配置和化推+電推混合配置的類型特點，實現了衛星平臺全面性、體系性、系統性和先進性的創新。目前平臺狀態為10星在研，1星在軌。

概括起來， 新型NEOSAT平臺的關鍵技術與創新主要體現在四方面。

1.面向市場化需求：整體競爭力比歐洲現有平臺提升30%，爭得全球市場競爭優勢。

2.面向寬適應要求：發射重量3000～6000千克，支持多種運載發射。

3.面向集成化特點：縮減單機種類，采用3D打印技術。

4.面向模塊化設計：推進艙、載荷艙、東西板、太陽翼，并行總裝、整體對接，縮減研制周期至18～36個月。

三是德國OHB系統公司及其新型Small GEO平臺。

Small GEO平臺是ARTES計劃下，由OHB系統公司研制的小型公用靜止軌道衛星平臺項目， 采用模塊化、批量化、多運載兼容、創新技術應用等的設計理念。技術創新和管理上的特點是：高度模塊化的航天器設計，促使供應商在系統設計早期參與合作；平臺設備的批量化生產強化了設計以降低成本和優化集成過程；從部件到系統開展火箭兼容性設計，可兼容多種運載火箭。Small GEO平臺提升了衛星的好用性和易用性。平臺也有全化學推進、混合推進和全電推進三種配置，其中全電推進配置能夠提供最大的有效載荷承載能力。平臺狀態是2017年首飛，目前2星在軌，7星在研。

▲ Eurostar NEO平臺的三種推進分系統配置示意圖

▲ 歐洲高軌公用衛星平臺型譜規劃

概括起來，Small GEO平臺的關鍵技術與創新主要體現在四方面：

1.面向需求的靈活和可伸縮性設計，適應較大有效載荷重量、功率和散熱能力的范圍，兼容各種運載火箭。

2.面向成本的設計，從根本上縮減了研制成本和相關部件的研制周期。

3.繼承典型GEO衛星的AIT流程，并行開展平臺、推進和載荷的集成和測試。

4.利用GNSS導航和電推進技術實現GEO軌道自主位置保持，降低運行維護成本。

中國高軌通信衛星平臺型譜及東方紅五號平臺的成功實踐

中國在傳統高軌通信衛星平臺型譜基礎上，持續提升平臺能力，成功新研東方紅三號電推型、東方紅四號增強型、東方紅五號，并拓展了低軌使用的東方紅四號L型等衛星平臺。展現的創新特點集中在兩個方面：

一方面，新型高軌東方紅五號衛星平臺是我國自主開發的跨代發展平臺。東方紅五號平臺創新設計理念，實現了智能化自主運行管理，有效提升衛星的好用、易用性；通過分艙模塊化設計和數字化研制模式，大幅縮短研制周期，有效提高了設計生產效率。平臺的桁架結構技術比傳統的承力筒式結構承載能力更大、適應性更強。東方紅五號平臺采用更為高效的化學推進技術，有效提升推進劑利用效率。同時，平臺采用了大推力、多模式的LIPS-300電推進系統，在衛星發射重量不變情況下提升承載能力，大幅提高使用效益。平臺采用二維二次展開半剛性太陽翼、20千瓦大功率電源控制器、高比能量的鋰離子蓄電池等關鍵技術，大幅提高衛星電源效率。東方紅五號平臺萬瓦級高效散熱技術依托可展開熱輻射器和新型流體回路，有效提升了載荷艙容納比和散熱能力。

另一方面，東方紅五號平臺具有“高承載、大功率、高散熱、長壽命、可擴展”等特點。基于東方紅五號平臺，我國研制的發射重量最重、技術含量最高的高軌衛星，衛星起飛重量可達8000～9000千克，載荷承載能力可達1500～1800千克；整星功率28千瓦以上，提供載荷功率達18千瓦；載荷艙的散熱能力達9千瓦；設計壽命長達16年。其成功案列是：2019年12月27日，實踐二十號衛星成功發射，衛星經歷7次軌道機動后，在36000公里高度的地球同步軌道成功定點，標志著東方紅五號衛星公用平臺首飛成功，達到國際相同領域最高水平。

國際新型高軌公用衛星平臺發展趨勢

國際民用商用衛星市場競爭激烈。美國在國際市場上由2000年近70%的份額跌至2010年50%，相同時期，歐洲則在30%的份額中徘徊，包括俄羅斯與亞洲“新來者”同期奮起直追，由不到10%的份額提升了將近一倍，達到20%。發展新型高軌公用衛星平臺成為爭奪國際民商衛星市場的重要途徑與手段。初步分析，國際新型高軌公用衛星平臺發展趨勢為：

一是衛星平臺產品注重集成化、通用化設計。如LM2100縮減了56%部件種類，縮短了28%的交貨周期，開發了280多個通用化部件，可用于不同規模衛星。

二是衛星平臺注重面向AIT優化設計。如SpaceBus NEO平臺針對并行測試，將通信艙分艙設計，分開總裝和測試，實現縮短測試時間的目標。

▲ 中國高軌通信衛星平臺型譜

三是衛星平臺注重可擴展設計。如NEO平臺發射重量可在3～6噸重量范圍內擴展，LM2100平臺發射重量可在2～7噸重量范圍內擴展，適應多類運載，提升了平臺對不同應用需求的適應能力。

四是衛星平臺設計廣泛采用高效電推進技術。如LM2100、NEOSAT、Small GEO等多類新型高軌通用平臺都有全化、全電、混合推進三種配置，提升平臺的承載能力。

五是衛星平臺以高效低成本短周期為目標。先進的國際新型高軌公用衛星平臺均采用基于全電推和模塊化的平臺產品，并配置基于全數字化的載荷產品，使得提供通用化高軌衛星產品變為可能的同時，成本降低30%，研制周期縮短。

▲ 基于SmallGEO平臺的衛星展開示意圖

國際新型高軌公用衛星平臺發展的啟示

未來10～20年，通信、遙感、空間科學探測、科學試驗、在軌服務等多領域民用商用市場競爭日益激烈，這對高軌公用衛星平臺提出了更高的新要求。適應這一要求，新時代的航天通信人和各級管理者，必須堅持創新文化，在以下幾個方面尋求新的突破：

一是在對標超越國際先進平臺上尋求突破。航天是一項競爭的事業，通信衛星平臺必須不斷實現超越。我們應該樹立國際視野、拓展世界眼光、強化戰略思維，時刻把衛星平臺建設的目光瞄向同行業發展的最前沿。

二是在核心關鍵技術上尋求突破。新型高軌公用衛星平臺需盡可能采用自主化、通用化、集成化、數字化、智能化新技術，全面提升表征平臺先進性的技術指標，如載干比（載荷/干重）、熱控干重比（熱控、干重）、能源干重比（供配電/干重）、結構效率（結構/發射重量）、能力指數（單位發射重量實現的載荷綜合能力）等。

三是在平臺產品綜合質量上尋求突破。我國東方紅五號平臺能力指數已進入國際第一梯隊，但在高軌公用衛星平臺產品層面仍顯不足，如結構效率較低、熱控和能源系統重量較重、單機集成度有提升空間、整星可靠性有待提高等。

四是在平臺系統管理能力上尋求突破。面對市場競爭，在總體設計層面還需再度縮短研制周期、降低研制成本，優化研制模式，提高衛星產品靈活可重構、用戶需求可定制的能力。

五是在系統整合節約拓展平臺型譜種類上尋求突破。我國還需集約平臺型譜種類，開發適應2～6噸衛星發射重量的新型高軌公用衛星平臺，不斷優化提升我國衛星平臺先進能力。