電推進技術在通信衛星平臺上的應用

李強 呂強 （中國空間技術研究院通信衛星事業部）

電推進技術在通信衛星平臺上的應用

李強 呂強 （中國空間技術研究院通信衛星事業部）

2016年6月15日，波音衛星系統公司（BSS）制造的亞洲廣播衛星－2A（ABS－2A）和歐洲通信衛星－117西B （Eutelsat－117 West B）2顆全電推進衛星由獵鷹－9（Falcon－9）火箭以“一箭雙星”的方式成功發射。電推進技術在商業通信衛星上的應用越來越廣泛。

電推進技術依靠電能驅動加速工質產生推力，具有比沖高、推力低等特點。航天器采用電推進技術執行姿態軌道控制任務能夠有效降低推進劑消耗，提高干重比。目前，電推進技術已經廣泛應用于地球同步軌道（GSO）通信衛星平臺姿軌控、深空探測航天器主推進等任務。本文介紹了幾例通信衛星平臺的電推進應用情況，分析了通信衛星平臺幾種常用電推力器的構型及其特點，以及通信衛星平臺采用電推進執行姿態軌道控制任務的關鍵技術。

1 引言

電推進技術的基本原理是由電能驅動工質，使其加速噴出以產生反作用力。依據產生推力的方式不同可分為3類：靜電式、電磁式和電加熱式。其中，靜電式電推力器又稱為離子發動機，是通過強靜電場對離子化的工質直接加速排出，能夠達到較大的排氣速度，具有最高的比沖，其功耗需求也最高。電磁式電推力器依靠電磁場加速工質產生推力，又分為脈沖等離子體推力器（PPT）和穩態等離子體推力器（SPT），而后者又稱為霍爾推力器。電加熱式推力器是通過電能加熱工質使其膨脹加速噴出獲得推力，又分為電阻加熱推力器和電弧加熱推力器（Arcjet），該類電推力器比沖適中，結構簡單。目前在通信衛星平臺上應用最多的電推力器有3種：離子電推力器、霍爾推力器和電弧加熱推力器。

通信衛星的工作軌道通常為地球同步軌道，目前主流通信衛星平臺一般能達到12～15年的壽命。通信衛星從發射到壽命結束，一般要經歷軌道轉移、入軌、定點位置保持以及離軌等軌道控制過程，此外，采用輪控系統進行姿態控制的衛星還需要推力器執行動量輪卸載任務。巨大的速度增量需求需要通信衛星必須攜帶足夠的推進劑，若完全采用傳統的雙組元推進系統，推進劑攜帶量將達到整星質量的50%以上。電推進技術由于其高比沖的優勢能夠大大降低推進劑消耗，提高衛星干重比，目前已成為主流通信衛星平臺的標準配置。電推進系統一般應用于通信衛星位置保持，尤其是南北位置保持，部分通信衛星還應用電推進系統執行動量輪卸載和部分軌道轉移任務，取得了良好的效益。截至目前，已經出現取消化學推進系統而全部采用電推進系統執行姿軌控任務的通信衛星平臺，即全電推進衛星平臺，例如波音衛星系統公司的BSS－702SP平臺。

通信衛星采用電推進系統執行姿軌控任務除了能使所需推進劑質量大幅降低，還借助于其低推力特性，提高了軌道控制的精度。此外，電推力器工作期間其小推力對姿態的干擾作用大大降低，有利于提高姿態控制精度和姿態穩定度。電推進系統的劣勢在于由于推力小，執行姿軌控任務的時間大大延長了，若采用電推進系統執行地球同步轉移軌道（GTO）至地球靜止軌道（GEO）的轉移任務，總時間約需3～6個月。

2 電推進技術在通信衛星平臺上的應用

國外通信衛星平臺上最早應用電推進技術的當屬HS－601平臺，該平臺配置了XIPS－13氙離子推進系統執行南北位置保持任務，之后越來越多的通信衛星平臺開始配備電推進系統。電推進技術的應用范圍也逐漸由單一的南北位置保持任務逐漸擴展到位置保持、動量輪卸載、軌道轉移、定點位置轉移以及離軌等多任務。

LS－1300衛星平臺

LS－1300平臺由美國勞拉空間系統公司（SS/L）負責制造，其首顆衛星超鳥－A（Superbird－A）于1989年發射，目前采用LS－1300平臺的衛星已達到100顆，是目前發射衛星采用最多的平臺之一。LS－1300衛星平臺分為基本型、擴展型LS－1300E和超大型LS－1300E（20.20）3種類型。其中LS－1300E擴展型衛星平臺發射質量可達7t，能夠提供10kW的有效載荷功率。LS－1300平臺采用了SPT－100霍爾推力器執行傾角控制、偏心率控制以及動量輪卸載任務，2004年在“移動廣播衛星”（MBSat）上完成電推進系統的首秀。SPT－100霍爾推力器由俄羅斯火炬（Fakel）設計局設計，其同系列霍爾推力器在空間推進任務中的應用最早可追溯到20世紀70年代，是目前執行空間推進任務最多的電推力器之一。SPT－100霍爾推力器推力83mN，比沖1600s，功耗1.35kW。

LS－1300平臺的電推進系統包括4臺SPT－100霍爾推力器、2套電源處理單元（PPU）、2個氙氣瓶和1套冗余的推進劑調節裝置。電推力器構型采用V型構型，即執行位保操作的南、北側電推力器安裝在衛星固連坐標系YOZ平面內，相對XOZ平面對稱，且與質心連線呈V型。由于該構型電推力器沒有沿軌道切向的推力分量，因此不能進行完整的位置保持控制，推力的法向、徑向分量可以用于軌道傾角和偏心率控制，平經度控制則需由雙組元推力器來完成。

俄羅斯火炬設計局研制的霍爾推力器（從左到右）：SPT－70、100、200

V型電推力器構型示意圖

衛星在軌執行南北位保操作要求每天電推力器點火2次，南、北側電推力器各1次，且點火時間相隔約12h，點火過程中，推力方向可以通過衛星姿態控制和兩自由度的推力器矢量調節機構實時進行精密調整。

SPT－100的應用給LS－1300衛星平臺帶來了很大的效益，在軌推進劑消耗大大降低，衛星有效載荷容量得到了提升。勞拉空間系統公司希望電推進系統能夠在LS－1300平臺上發揮更大的作用，正著手研究將電推進系統用于軌道提升，并將采用更大推力、更高功耗的SPT－140電推力器。

BSS－702衛星平臺

BSS－702衛星平臺是波音衛星系統公司衛星制造的主力軍，該系列衛星平臺主要有3個型號：BSS－702HP（大型）、702MP（中型）和702SP（小型）。其中，BSS－702HP衛星平臺發射質量約6t，能夠提供12～18kW的有效載荷功率。BSS－702衛星平臺配備了XIPS－25離子推進系統執行位置保持、動量輪卸載以及部分軌道轉移任務。波音衛星系統公司具有豐富的離子推力器使用經驗，最早在HS－601平臺［2000年波音公司（Boeing）收購休斯空間與通信公司（HS）成立波音衛星系統公司］上就采用了XIPS－13離子推進系統，但XIPS－13在軌表現并不理想，其在軌故障一度占據全球通信衛星電推進故障的50%以上。在BSS－702平臺上采用了改進的XIPS－25離子推進系統，可靠性顯著提高。XIPS－25離子推力器可雙模式工作，能夠適應軌道轉移和位置保持等不同工作需求。高功率模式下推力可達165mN，比沖3500s，功耗4.5kW，在軌道轉移任務中采用此模式；低功率模式下推力79mN，比沖3400s，功耗2.2kW，在位置保持任務中采用此模式。除此之外，電推進系統還可以完成定點位置轉移以及壽命末期的離軌任務。BSS－702平臺對電推進系統的應用最充分，XIPS－25離子推進系統執行或參與執行了全部軌道控制與動量輪卸載任務，BSS－702平臺的有效載荷比和衛星干重比等指標在同類產品中處于領先水平。

美國研制的XlPS－25離子推力器

矩形電推力器構型示意圖

BSS－702平臺的電推進系統包括2套完全冗余的離子推進系統，每個子系統包含獨立的電源處理單元、推進劑供給系統和2臺25cm氙離子推力器，均可獨立完成位置保持和動量輪卸載等任務。電推力器構型采用矩形構型，即4臺電推力器在背地板上呈矩形安裝，其中對角線上2臺電推力器屬于同一電推進子系統。該構型可以視為V型構型的擴展，即在V型構型的基礎上，使電推力器繞星體Y軸轉過一定角度，推力將產生切向分量，能夠同時控制傾角、偏心率和平經度，實現完整的位置保持。

BSS－702平臺在軌執行位置保持和動量輪卸載任務是同時進行的，電推力器在進行角動量卸載的過程中同時改變了軌道參數，使其能夠抵消攝動影響，其基本思路是：4臺電推力器按照對角線分成2對，其中一對按照角動量卸載需求確定點火位置及推力方向，同時消除一部分軌道攝動，另一對則保證推力過質心，主要針對軌道攝動進行控制而不參與動量輪卸載。

BSS－702平臺還通過電推進系統執行部分軌道轉移任務，首先雙組元推進系統將衛星由GTO軌道轉移到一個軌道周期24h的橢圓軌道并消除傾角，之后由電推進系統進行軌道圓化并完成最后的定點。

BSS－702平臺一個重要型號BSS－702SP平臺采用全電推進，取消了雙組元推進系統，衛星發射質量僅2t，能夠提供3～8kW有效載荷功率，可承載500kg有效載荷，衛星干重比提高到85%左右。目前，同等容量的通信衛星發射質量約4t，也就是說，采用全電推技術，在保證承載能力不變的前提下，將整星質量降低約50%，極大降低了發射成本，為國際通信衛星市場注入了新鮮的血液。BSS－702SP全電推進衛星平臺于2012年一經推出，就獲得了亞洲廣播衛星公司（ABS）和墨西哥衛星公司（SATMEX）共4顆衛星訂單，單價約1億美元。2015年3月，采用BSS－702平臺制造的首批2顆衛星亞洲廣播衛星－3A和歐洲通信衛星－115西B由獵鷹－9火箭“一箭雙星”發射。

基于美國BSS－702SP平臺的亞洲廣播衛星－3A

“小型地球靜止軌道”衛星平臺

“小型地球靜止軌道”（SGEO）衛星平臺由德國OHB系統公司為歐洲航天局（ESA）設計制造，是歐洲新一代小型靜止軌道通信衛星公用平臺。平臺采用GTO變軌方式發射質量約3t，采用直接入軌方式時發射質量約1.6t，能提供400kg的有效載荷承載能力，提供載荷功率4kW。SGEO衛星平臺配置SPT－100霍爾推力器，其電推進系統執行除軌道轉移之外的所有軌道控制和動量輪卸載任務。

SGEO衛星平臺電推進系統包括2套完全冗余的子系統，每個子系統由1個電源處理單元PPU、1個外部電推力器選擇單元和4臺SPT－100霍爾推力器組成。霍爾推力器直接安裝于星體，沒有矢量調節機構，推力方向不可調節。其電推力器構型采用三維對稱構型，與俄羅斯“快訊”（Express）、“亞馬爾”（Yamal）等衛星類似。在這種構型下，每臺電推力器工作都能同時產生法向和切向速度，不產生徑向速度。整個壽命周期內星體質心變化不超出推力方向構成的平面所包圍的區域，始終能保證電推力器點火時能產生卸載力矩。三維對稱構型與矩形構型相比，所用的電推力器數量多了1倍，但不需要矢量調節機構，降低了復雜度，推力只在切向和法向存在分量，位置保持控制中的耦合影響減弱，姿態軌道控制耦合作用較小；同時由于該構型下電推力器推力方向不通過質心，點火過程中的干擾力矩較大。

ESA在SGEO衛星平臺的基礎上，正在著手開發全電推進衛星平臺“伊萊克特拉”（Electra）。該平臺預計發射質量2～3t，可承載700kg有效載荷，提供8kW的載荷功率，與目前5噸級的歐洲中型衛星平臺能力相當。其實早在2006年SGEO項目啟動之初，德國OHB公司就提出在SGEO平臺上使用電推進完成GTO到GEO的軌道轉移，但因為用戶無法接受6～7個月的入軌時間而擱置。2011年，歐洲第二大通信衛星運營商歐洲衛星公司（SES）在一次會議上做了有關優化衛星成本和在軌壽命的報告，在報告中提出，通過采用小型化的運載工具和較低的射入軌道，依靠星上電推進系統代替化學推進將衛星送入GEO軌道。作為主要通信衛星運營商，SES公司提出這樣的結論對推動全電推平臺的發展作用是十分巨大的。ESA也適時提出了Electra計劃，項目首發星預計2018－2019年發射。

三維對稱電推力器構型示意圖

測試中的歐洲SGEO衛星平臺

A2100衛星平臺

A2100衛星平臺由美國洛馬公司（LM）研制，基于該平臺發射了很多軍用衛星，例如美國空軍的“天基紅外預警系統衛星”（SBIRS）。A2100衛星平臺包括A2100A、A2100AX、A2100AXS等多種型號。其中A2100AX發射質量最高達4.7t，能夠提供6～12kW載荷功率。A2100衛星平臺可配置電弧推力器或霍爾推力器用于位置保持和軌道轉移等任務。

2010年8月，基于A2100平臺的美國空軍首顆先進極高頻－1（AEHF－1）衛星發射后雙組元推進系統失效。該衛星配備了霍爾推力器用于部分軌道轉移和位置保持，先進極高頻－1衛星原定由雙組元推進系統和霍爾電推進系統共同執行軌道轉移任務：首先由雙組元推進系統將衛星由GTO軌道轉移到一條中間過渡軌道，之后由霍爾電推進系統工作約90天時間，將衛星送入目標軌道。雙組元推進系統的提前失效使得先進極高頻－1衛星不得不調整變軌策略，依靠星上單組元推力器和霍爾推力器歷時14個月、共450多次軌道機動，成功進入工作軌道，所剩推進劑還可維持14年在軌正常服務。先進極高頻－1衛星應用霍爾推力器成功挽救衛星的經驗充分證明了電推進系統執行任務的靈活性和優異性能。

2013年9月，洛馬公司也表示正在著手進行A2100平臺的全電推進改造，繼續挖掘電推進技術在該平臺上的應用潛力。

歐洲星－3000衛星平臺

歐洲星－3000（Eurostar－3000）衛星平臺由空客防務與航天公司（ADS）研制。2004年，該平臺配備等離子體電推進系統的首顆衛星—國際通信衛星－10－02（Intelsat－10－02）成功發射。該平臺電推進系統配置4臺SPT－100電推力器用于傾角控制和偏心率控制，以V型構型通過兩套推力矢量調節機構安裝于衛星南、北板。Eurostar－3000衛星平臺的電推進系統應用經驗表明，采用電推進系統不僅能大大縮減推進劑消耗量，對姿態控制的干擾力矩也很低，姿態控制十分平穩。

基于“歐洲星”衛星平臺的SES－14通信衛星

其他通信衛星平臺

泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）研制的空間客車－4000（Spacebus－4000）衛星平臺配備了電推進系統執行南北位保任務。空客防務與航天公司和泰雷茲-阿萊尼亞航天公司合作研制的“阿爾法平臺”（Alphabus）大型通信衛星平臺采用霍爾電推進系統完成南北位保任務。

主要通信衛星平臺電推進應用情況

基于歐洲“阿爾法平臺”的衛星在軌示意圖

3 電推進姿軌控關鍵技術

電推進技術與傳統化學推進相比，其比沖高，推力小、功耗高，在姿軌控方面，具備推進劑消耗低、控制精度高和姿態干擾小等優勢，但同時也存在一些問題，例如控制過程長，難以實現快速機動。若采用電推進完成GTO軌道到GEO軌道的轉移，所用時間將由化學推進的數天延長至數月。為充分利用電推進技術特點，發揮其最大應用能力，衛星電推進姿軌控上還需要解決如下一些技術難點和關鍵問題。

（1）有限推力軌道轉移優化技術

若將電推進技術作為主推進，首先要解決的問題是有限推力下的最優轉移軌道設計。電推進軌道轉移時間長，點火次數頻繁，影響因素多，約束條件復雜，優化目標多樣，最優轉移軌跡難以確定，需要通過設置合理的策略，得到近似最優的可行的軌道轉移方案。

（2）姿軌耦合控制技術

傳統化學推進衛星姿態控制與軌道控制分別單獨進行的，之間不存在耦合，或可進行解耦控制。電推進系統由于其布局限制，姿態和軌道控制之間存在較強的耦合作用。首先電推力器指向控制誤差和衛星質心的變化使得在軌道機動過程中必然產生干擾力矩，影響衛星姿態控制；其次電推力器執行角動量卸載過程中，必然會引起軌道參數的變化。尤其是在電推進軌道轉移過程中，姿軌耦合問題更加嚴重，電推力器同時作為姿態控制和軌道控制的執行機構，必須考慮姿態軌道控制的耦合作用，研究姿軌耦合控制技術。

（3）星上自主姿軌控技術

電推進技術由于推力小，相比化學推進，執行相同的控制任務需要的時間更長，需要更頻繁地安排不同電推力器點火。例如電推進系統執行位置保持任務，基本每天都會有多臺電推力器依次點火。頻繁、長時間的電推力器開關機的管理操作若全依賴地面參與將極大增加衛星在軌操作的復雜性，如何保證電推進系統可靠自主地運行，降低地面干預程度是電推進技術應用的一大關鍵問題。目前電推進系統的工作已經實現了部分自主，即地面定期更新電推進系統工作計劃，將未來某一段時間內電推力器的全部運行參數一次性上傳，期間由星上自主控制。要提高星上電推進系統自主姿軌控的能力，首先需要衛星姿軌控系統配置自主測量元件，能夠提供一定精度的測姿測軌信息；其次星上姿軌控算法必須具備自主運行與處理能力，還需要對電推進系統的運行情況進行監測；此外，還需要制定完整的電推進系統故障模式下的姿軌控策略。

4 結論

目前，國際主流通信衛星平臺均已配備了電推力器執行在軌位置保持等任務，且電推進技術的潛力正在得到進一步的挖掘，電推進技術已成為衡量通信衛星平臺先進性的一個重要指標。若將化學推進系統取消，僅靠電推進系統實現衛星壽命期內全部的姿軌控任務，即為全電推進衛星。全電推進衛星承載效率高，發射成本低，是通信衛星平臺發展的重要趨勢。

電推進技術的新特點給衛星姿軌控帶來一系列變革，一方面具有推進劑消耗低、控制精度高等優勢，另一方面也產生了姿軌耦合、點火頻繁等問題。要充分挖掘電推進技術應用潛力，進一步提高電推進衛星的綜合性能，必須研究解決以有限推力軌道轉移優化技術、姿軌耦合控制技術和星上自主姿軌控技術等為代表的關鍵技術問題。

Application of Electric Propulsion on Communications Satellite Platform