國外全電推進衛星平臺的發展及啟示

胡 照，王 敏，袁俊剛

（中國空間科技研究院 通信衛星事業部，北京100094）

0 引言

全電推進衛星平臺采用高比沖的電推進系統（如離子推力器或霍爾電推力器等）來實現星箭分離后的衛星變軌、入軌后的位置保持、姿態控制及離軌等操作任務[1]。全電推進衛星平臺的最大優點是可大幅減少推進劑攜帶量，在攜帶同等重量有效載荷的情況下可使發射重量減輕約一半[2]，從而可實現一箭雙星發射，有效降低研制和發射成本，顯著提升衛星平臺的市場競爭力。

2012年3月，波音公司推出702SP 電推進平臺，用于軌道轉移變軌操作，并獲得了4 顆通信衛星的發射合同。2015年3月2日，用“獵鷹-9”火箭以一箭雙星的方式將 ABS-3A、Eutelsat- 115WestB 兩顆全電推進衛星發射升空，預計于11月定點投入使用。截至目前，全球共訂購了15 顆全電推進衛星。除此之外，美國軌道科學公司、 勞拉空間系統公司、洛馬公司，歐洲泰雷茲公司，德國OHB 公司，俄羅斯衛星通信公司等都在開展全電推進衛星的研制。

全電推進衛星的發展勢頭強勁，正在改變通信衛星的市場格局。

1 國外全電推進衛星平臺發展歷程

分析GEO 衛星飛行的各個階段任務對速度增量需求，用于軌道轉移的需求量最大，其次是南北位置保持。因此，將高比沖的電推進系統用于軌道轉移，可以大幅降低衛星的推進劑攜帶量，從而降低衛星發射重量，提升衛星平臺有效載荷承載能力。國外電推進系統在衛星上的應用主要經歷了三個發展階段：第一階段，應用于衛星軌道位置保持；第二階段，應用于衛星部分軌道轉移、軌道位置保持和動量輪卸載等[3]；第三階段，應用于衛星全部軌道轉移、軌道位置保持和動量輪卸載等[4]。

1）第一階段

自1995年俄羅斯在MSS-2500-GSO 衛星平臺上配置了霍爾電推力器以來，國際上主流的通信衛星平臺均配置了電推進系統用以實現軌道位置保持，如波音公司的601 衛星平臺和702SP 平臺，洛馬公司的 A2100 平臺，勞拉空間系統公司的LS3000 平臺，Alcatel 公司的Spacebus-4000 平臺，Astrium 公司的EUROSTAR-3000 平臺，ESA 的Artemis 衛星，以及俄羅斯的Express、Seset 通信衛星等[5]。其中，俄羅斯的Express 衛星配置了一套包含8 臺SPT-100 霍爾電推力器的電推進系統用于軌道位置保持，一套由12 臺無水肼單組元推進器組成的推進系統用于姿態調整。

2）第二階段

電推進系統的應用從在軌位置保持進一步擴展到軌道轉移任務，但受限于電推力器推力較小，該應用方案將增加衛星變軌時間，因此只用于完成部分變軌任務[5]。對于發射重量超過5 t的大型GEO衛星，先用化學發動機變軌到中間轉移軌道，再用電推力器完成變軌，這樣可以有效減少推進劑攜帶量，從而提升有效載荷的承載能力[6]。例如，基于A2100M 平臺的AEHF衛星采用了電推進系統進行部分變軌和南北位置保持，變軌時間增加為100天；雖然變軌時間增加了，但帶來的益處是有效載荷承載能力提高到700 kg。

3）第三階段

隨著高效電源技術和大推力長壽命電推進技術的發展，可采用電推進系統執行全過程變軌、軌道位置保持和動量輪卸載、離軌等任務，因而實現全電推進。全電推進平臺可大大提高有效載荷攜帶能力或有效減輕衛星發射重量：對于GEO 通信衛星，可使衛星發射重量減輕約一半，使衛星平臺承載效率從約0.1 提升至約0.25；對于深空探測器，如“黎明號”深空探測器，可使推進劑/衛星干重之比從約2.5 降至近0.47[7]。

2 國外全電推進衛星平臺研制進展

2.1 波音公司的702SP 平臺

702SP 平臺尺寸1.8 m×1.9 m×3.5 m；發射重量不超過2 t，其中氙氣400 kg，有效載荷500 kg（51路轉發器），有效載荷功率3～8 kW；衛星設計壽命15年。該平臺采用4 臺XIPS-25 氙離子推力器，單臺推力165 mN，比沖3500 s，功率4.5 kW，變軌時需要2 臺氙離子推力器同時工作。平臺采用全電推進實現變軌和位置保持等任務，取消了雙組元化學推進系統，有效減輕了衛星發射重量。電推進的變軌機動時間很長，衛星從GTO 變軌到GEO 需要4～6 個月時間[8]。

該平臺充分繼承了702HP 平臺成熟技術，如超三結砷化鎵太陽電池陣、鋰離子蓄電池、零動量三軸控制技術，還采用了創新技術，如新一代綜合電子系統，簡化了數據管理并增強了衛星健康管理能力[9]。

702SP 平臺衛星由于質量小，從而可采用一箭雙星發射，節省發射成本?！矮C鷹-9”火箭可發射2顆702SP 平臺衛星；“阿里安娜-5”火箭具有9 t 的發射能力，可同時發射1 顆大型通信衛星和1 顆702SP 平臺衛星。

2.2 OHB 公司的Electra 平臺

2013年10月，ESA 及德國OHB 公司與全球第二大衛星運營商盧森堡SES 公司簽訂協議，聯合開發全電推進衛星平臺——Electra 平臺，首顆SES 公司的衛星計劃在2018年發射。

Electra 平臺基于OHB 公司的SGEO 平臺進行開發，發射重量達3000 kg。初步考慮配置6 臺電推力器，其中2 臺用于變軌，其余4 臺主要用于軌道位置保持等任務。

SGEO 平臺采用了經過在軌飛行驗證的新技術（包括鋰電池、三結砷化鎵太陽電池片）和多頻段（S、C、X 或Ku）測控技術，可根據具體任務需求改變配置規模，攜帶了霍爾電推力器和高效率多模式離子推力器，發射重量為1600～3000 kg，其中有效載荷200～400 kg，有效載荷功率2～4 kW。首發星為2009年簽訂合同的西班牙Hispaat AG1衛星，可采用多種運載火箭發射直接入軌。

2.3 軌道科學公司的STAR-3 平臺

2014年2月，軌道科學公司（衛星和火箭制造商）表示，除了推出Antares 新型火箭之外，還將投資2500 萬美元開發新型商業通信衛星平臺 GEO STAR-3 全電推進平臺。

2.4 歐洲的Eurostar-3000 平臺及其電推進衛星

Eurostar-3000 平臺是歐洲空客公司研制的大型通信衛星平臺，同時又在該平臺基礎上推出了Eurostar-3000EOR 擴展平臺[10]。歐洲的宇航公司正在基于Eurostar-3000 平臺開發新型全電推進衛星。

1）Eutelsat 172B 衛星

歐洲通信衛星公司（SES）提出了首顆全電推進衛星——Eutelsat 172B 的研制計劃，由空客防務與航天公司負責建造，擬在2017年上半年用“阿里安娜-5”火箭發射。

Eutelsat 172B 衛星基于Eurostar E3000 平臺開發，配備了等離子體推力器（由法國飛機引擎公司制造），發射重量3500 kg，有效載荷功率13 kW，設計壽命15年。利用11 個Ku 波段點波束實現 1.8 GByte/s 的大吞吐量容量，用于全球航空寬帶的服務。除大吞吐量點波束外，還配備36 路常規Ku轉發器和14 路C 波段轉發器。Eutelsat 172B 為第一個使用動態分配功率的衛星，在降低發射成本的同時，希望將軌道轉移時間控制在4 個月內。

2）SES-12 衛星

SES 公司選擇空客防務和宇航公司研制一顆覆蓋東亞的大型Ku/Ka 頻段寬帶衛星，衛星將使用電推進系統進行位置保持和軌道轉移。

SES-12 衛星是SES 公司在Eurostar-3000 平臺上研制的電推進衛星，計劃于2017年年底發射，使用壽命將達15年以上，發射重量為5.3 t。若采用傳統的化學推進，則發射重量將超過6 t，使發射成本大增。星上攜帶了68 路大功率Ku 頻段轉發器和8 路Ka 頻段轉發器，同時配備8 副反射器天線，有效載荷功率為19 kW。根據運載火箭的不同，SES-12 衛星將花費3～6 個月的時間完成轉移定點，而采用傳統的化學推進方式，則僅需數周的時間。

2.5 NextStar 衛星

衛星服務商阿尼亞拉空間通信公司已同衛星制造商道里亞宇航公司簽訂了2 顆全電推進的Ku波段靜止軌道通信衛星（NextStar-1 和NextStar-2）的研制合同，總造價2.1 億美元，每顆發射重量不到1 t，使用壽命10～15年。其中有效載荷300 kg（12～16 路Ku 波段轉發器），總功率3 kW。

該衛星采用了由Dauria 公司與西班牙Elecnor Deimos 公司以及其他制造商共同研制的平臺，其中電推進系統和多項創新技術經過了飛行驗證，旨在實現衛星的高性能、低成本和長壽命。衛星計劃在2017年年底用GSLV 火箭（最新型號）以一箭雙星方式進行發射[11]。

2.6 Express-AM5 衛星

RSCC 公司研制的Express-AM5 衛星采用了Express-2000 平臺（是Express 系列中承載能力最強、功率最大的平臺），使用霍爾電推力器實現軌道提升。衛星有2 種全電推進的配置類型，它們的指標為：第一種，發射重量3400 kg，其中有效載荷1100 kg，功率13 kW，設計壽命15年；第二種，發射重量4500 kg，其中有效載荷1500 kg，功率16kW，設計壽命15年。

衛星于2013年12月由“質子號”運載火箭發射升空，2014年3月到達工作位置，并且驗證了電推進系統的軌道提升機動。

3 全電推進衛星平臺的應用優勢

3.1 減輕衛星發射重量，提高承載效率

以某中等容量GEO 通信衛星為例，假設有效載荷重量為500 kg，功率8 kW，設計壽命15年，分別對比全化學推進、混合推進和全電推進3 種方案的衛星發射重量和承載效率（有效載荷重量和發射重量之比），如圖1所示。在有效載荷重量和在軌壽命相同的情況下，電推進系統應用的程度越高，發射重量越輕，而承載效率越高[12]。

圖1 不同推進方案對衛星發射重量和承載效率的影響 Fig.1 Effect of different propulsion modes on the launch weight and carrying efficiency

3.2 降低衛星綜合成本，提高市場競爭力

由于全電推進平臺的承載效率提高，從而可減少衛星的研制費用。另一方面，全電推進平臺衛星由于重量輕，所以可以采用中小型火箭或一箭雙星發射，降低運載火箭費用。

以基于702SP 平臺研制的ABS-3A 衛星為例，采用“獵鷹-9”火箭一箭雙星發射，發射費用6500 萬 美元低于“阿里安娜-5”火箭（約1 億美元）和“質子號”火箭（約8000 萬美元）的。ABS-3A 衛星裝載了51 個C 頻段和Ku 頻段的轉發器，單星造價約1 億美元，每顆衛星的火箭費用3250 萬美元，分攤至每路轉發器僅為300 萬美元（考慮研制成本和發射成本等折合后的價格），遠低于目前國際市場上每路轉發器500 萬美元的平均價格，競爭優勢非常顯著。

3.3 突破化學推進比沖限制，增加衛星在軌服務 壽命

以平臺干重為1300 kg 的衛星為例，采用電推進進行軌道位置保持和姿態控制，平均每年氙氣的消耗量約為7 kg；而化學推進每年推進劑的消耗量約為55kg。另外，衛星壽命末期利用電推進實施離軌所需的推進劑消耗量較少。

根據上述消耗，若攜帶與化學推進相同的推進劑量，則顯然可增加衛星在軌服務壽命[13]，甚至使衛星壽命突破20年。壽命的延長，可使得衛星的產出/投入之比大幅增加。

3.4 實施小推力推進，有助于有效載荷的精確控制

衛星的軌道傾角和偏心率快要超出控制范圍時，需要執行軌道位置保持操作。對于化學推進，通常每周或每2 周點火1 次；對于電推進，可以每天自主進行傾角和軌道偏心率控制，每次的控制幅度很小，有助于保持很高的軌道控制精度，這對于高精度軌道控制任務尤其是多星共軌任務是非常有利的。

在進行衛星軌道位置保持或動量輪卸載時，由于化學推進的推力較大，有時會引發衛星的姿態擾動，不能滿足部分高精度有效載荷的控制需要。而電推進的推力較小，一般為幾十mN 的量級，產生的姿態干擾非常小，甚至可以忽略不計，這對于帶有大型撓性天線的通信衛星或者對于姿態穩定度有特殊要求的激光通信衛星是非常有利的。

4 全電推進衛星平臺的市場機遇

2013年6月，美國商業航天運輸管理協會和商業航天運輸咨詢委員會聯合發布了《2013年商業航天運輸預測報告》，對國際通信衛星市場發射情況進行了統計，對未來發射數量作出了預測（見圖2）。據統計，2015年—2022年，國際市場質量4200 kg 以下的中小型通信衛星市場需求將占到41%?？梢姡统杀局行屯ㄐ判l星將在國際市場上占據重要地位。

圖2 未來商業衛星發射需求 Fig.2 Market demand of telecommunication satellites in the future

據統計，2026年前預計將有310 顆衛星退役，年均退役數量為21 顆（如圖3所示）。同樣，我國2000年年初發射的多顆中等容量通信衛星，也將陸續達到服務壽命。

圖3 全球在軌GEO 民商用通信衛星未來每年退役 數量統計 Fig.3 The number of civil and commercial telecommunication satellites to be retired in orbit per year

從未來通信衛星市場的發展來看，中小型衛星越來越有取代大型通信衛星的趨勢。2011年，全球四大通信衛星運營商完成了大型、超大型通信衛星的更新換代；之后，全球大型、超大型通信衛星的需求趨于平穩，并有逐年遞減的趨勢[14]。與此同時，中、小型通信衛星以其較低的成本、較短的研制周期和較高的靈活性更加受到青睞。全電推進衛星平臺十分契合未來市場需求，既可以用于新興市場的開拓，也可以用于退役衛星的補充發射市場。

空客公司衛星部總裁Beranger 在2014年9月3日的《Space News》上指出：在過去一年中，將 近1/4 的運營商發出了全電推進衛星的招標需求。法國航天局（CNES）在2015年3月9日的《Space News》上宣稱：到2020年50%的商業通信衛星都將是全電推進衛星。

5 啟示與建議

全電推進衛星已成為通信衛星領域發展的熱點方向之一。為適應快速發展的通信衛星市場，我國應積極研發全電推進衛星。具體建議如下：

1）充分論證全電推進衛星市場需求，并進行合理的全電推進衛星能力定位和總體技術指標分析，做好相應的型譜設計與發展規劃。全電推進衛星平臺要以替代現有衛星平臺產品為目的，突出自身優勢，豐富和增加我國現有衛星平臺型譜及配置靈活性，增強在通信衛星市場的競爭力，為用戶提供多種方案選擇空間。2）全電推進衛星以高承載能力和高性價比占優，在進行方案設計時要充分考慮經濟性指標，控制衛星發射重量，保證其在市場上的競爭力。同時，要充分利用國內低成本運載工具，采用一箭雙星或與其他衛星搭載發射，盡量降低運載成本。3）對于全電推進衛星而言，運營商將會顧慮由于采用電推進變軌而導致衛星延遲在軌交付用戶的問題。解決方案之一是優化平臺研制流程，壓縮衛星研制周期；之二是充分利用多余運載能力和電推進高比沖特點，增加衛星設計壽命。4）須具備較強的載荷適應能力。比如，對于Ka 頻段有效載荷，其特點為重量輕，但功率需求大，要求全電推進衛星平臺能夠有較高的載荷功率；而對于具有星上處理能力的載荷，要求全電推進衛星平臺有較大的載荷承載能力和設備布局空間。5）對于我國全電推進衛星平臺發展路線，建議先著眼于中小型通信衛星市場，發展2.5 t 級發射重量的基本型，突破電推進、電源、結構、軌道轉移與位置保持等關鍵技術，支持“長征三號乙”火箭的一箭雙星發射，提升我國衛星平臺市場競爭力，形成基本能力后再著眼發展后續增強型譜和擴展型譜。

（References）

[1] 周志成,高軍.全電推進GEO 衛星平臺發展研究[J].航天器工程,2015,24(2): 1-6 Zhou Zhicheng,Gao Jun.Development approach to all-electric propulsion GEO satellite platform[J].Spacecraft Engineering,2015,24(2): 1-6

[2] Konstantinov M.The analysis of influence of electrical propulsion characteristics on efficiency of transport maneuvers[C]//Proceedings of the 30thInternational Electric Propulsion Conference,IEPC-2007-212.Florence,Italy,2007: 1-18

[3] 溫正,王敏,仲小清.多任務模式電推進技術研究[J].航天器工程,2014,23(1): 118-123 Wen Zheng,Wang Min,Zhong Xiaoqing.Multi-task mode electric propulsion technologies[J].Spacecraft Engineering,2014,23(1): 118-123

[4] 邊炳秀,魏延明.電推進系統在靜止軌道衛星平臺上應用的關鍵技術[J].空間控制技術與應用,2008,34(1): 20-24 Bian Bingxiu,Wei Yanming.Key techniques for the application of electric propulsion system in the geostationary satellite platform[J].Aerospace Control and Application,2008,34(1): 20-24

[5] Tarantonio A.Final stage of ARTEMIS orbit raising[C]// 2ndAIAA “Unmanned Unlimited” Systems,Technologies,and Operations.San Diego,California,2003

[6] 劉悅.全電推進衛星平臺未來發展前景分析[J].國際太空,2014(7): 11-15

[7] 段傳輝,陳荔瑩.GEO衛星全電推進技術研究及啟示[J].航天器工程,2013,23(6): 99-104 Duan Chuanhui,Chen Liying.Research and inspiration of all-electric propulsion technology for GEO satellite[J].Spacecraft Engineering,2013,23(6): 99-104

[8] Feuerborn1 S A,Neary D A,Perkins J M.Finding a way: Boeing’s all electric propulsion satellite[C]//Proceedings of the 49thAIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference.Washington DC,2013: 1-5

[9] Ocampo C.Geostationary orbit transfer using electric propulsion for the Hughes HS-702 Satellite[C]//49thInternational Astronautical Congress.Melbourne,Australia ,1998-09-28

[10] 周志成,王敏,李烽,等.我國通信衛星電推進技術的工程應用[J].國際太空,2013(6): 40-45

[11] Dutta A,Libraro P,Kasdin N J.Design of next- generation all-electric telecommunication satellites[C]// 31stAIAA International Communication Satellite System Conference.Florence,Italy,2013-10-14

[12] Rathsman P.ELECTRA: The implementation of all- electric propulsion on a geostationary satellite[C]//64thInternational Astronautical Congress.Beijing,2013-09

[13] Monika A K.Optimization of electric thrusters for primary propulsion,AIAA-2001-3347[R]

[14] Henri Y.Brief overview of space marketG].ITU Radiocommunication Bureau,2010-02-03