國外新一代高軌通信衛星平臺現狀與分析

李正舉 崔穎慧 蔡亞星 呂紅劍 姚遠 李鳳簪 蘇宏博

(中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部,北京 100094)

衛星平臺是指在一定范圍內,能夠根據實際需求進行適應性變化或調整部分配置,從而支持多種有效載荷、滿足多種任務要求的衛星平臺,是衛星總體設計部門的核心產品。通信衛星的發展歷史也是通信衛星平臺的發展史,構建衛星平臺型譜序列,實施平臺發展戰略,是國內外宇航企業提升衛星系統性能、搶占市場的重要措施。

近年來,得益于電推進、供配電、熱控等平臺技術的快速發展,國外高軌通信衛星主要制造商陸續完成新一代高軌全電推衛星平臺的研發定型工作,并快速占領了國際高軌通信衛星市場的大部分份額,這些平臺主要有Spacebus-NEO、Eurostar-NEO、Space Inspire、Onesat和BSS-702X等衛星平臺[1-7],它們的共同特點有全電推進、承載能力高、集成化程度高、展開機構多和成本低,在設計理念、新技術應用、低成本等方面對我國高軌衛星平臺發展有重要的借鑒意義。

2014年2月,在歐洲航天局和法國航天局的支持下,TAS公司(Thales Alenia Space)和ADS公司(Airbus Defence & Space)開始了Neosat平臺C/D階段的研制工作[7];除此之外,美國的洛馬公司(Lockheed Martin)、勞拉公司(Space System Loral)、波音公司(Boeing)等航天企業也先后對其高軌通信衛星平臺進行了升級換代工作。截至2023年7月,隨著歐洲通信衛星-Konnect(Eutelsat-Konnect)、熱鳥-13F(Hotbird-13F)、衛訊-3(Viasat-3)、丘比特-3(Jupiter-3)等衛星成功發射入軌,歐美新一代大型高軌通信衛星平臺的升級換代基本完成。在高軌中型通信衛星平臺領域,TAS公司、ADS公司和波音公司于2019年先后推出了Space Inspire平臺、Onesat平臺和BSS-702X平臺。

本文通過梳理國外新一代高軌通信衛星平臺的發展現狀,分析國外高軌衛星平臺在有效載荷承載力、電推力器、空間展開機構、熱控、太陽翼等方面的發展趨勢,為中國未來高軌衛星平臺的發展提出建議。

1 國外高軌通信衛星平臺發展現狀

在全球高軌通信衛星市場上,洛馬公司、勞拉公司、波音公司、諾格公司、ADS公司、TAS公司等幾家航天企業占據了大部分市場份額,這幾家公司的平臺產品也代表了全球高軌衛星制造業的發展狀況。圖1所示為近五年在國際通信衛星市場上推出的新一代衛星平臺。

圖1 國外主要新一代衛星平臺研發時間線Fig.1 R&D timeline of foreign new generation satellite platform

1.1 國外新一代大型GEO通信衛星平臺現狀

1)Eurostar-NEO和Spacebus-NEO平臺

在歐洲航天局(ESA)的先進衛星通信系統研究(ARTES)項目支持下[1,6-7],ADS公司和TAS公司分別開發了歐洲新一代高軌通信衛星平臺——Eurostar-NEO平臺和Spacebus-NEO平臺,接替原有的Eurostar-3000和Spacebus-4000系列平臺。ESA為NEO平臺提出的目標是相比Eurostar-3000和Spacebus-4000系列平臺能力提升30%,在2018—2030年期間實現50%的市場占有率。圖2和圖3為Eurostar-NEO和Spacebus-NEO衛星示意圖。

圖2 Eurostar-NEO平臺效果圖Fig.2 Satellite drawing of Eurostar-NEO platform

圖3 Spacebus-NEO平臺SES-17衛星效果圖Fig.3 SES-17 satellite drawing of Spacebus-NEO platform

SpaceBus-NEO平臺與EuroStar-NEO平臺總體技術指標基本接近,主要指標如下[6-8]:①發射質量3000～6000kg,可擴展至6500kg;②整星功率28kW;③有效載荷質量2000kg,可擴展至2500kg左右;④有效載荷功率約20kW;⑤推進系統配置4～5臺PPS 5000霍爾推力器;⑥適應運載適應阿里安5號、獵鷹9號等多種運載火箭。

Spacebus-NEO平臺典型全電推衛星為2021年10月24日發射的SES-17衛星,其發射質量為6411kg,整星功率28kW,是截至目前TAS公司制造的規模最大的一顆衛星[9-10]。Eurostar-NEO平臺首發全電推衛星為2022年10月15日發射的Hotbird-13F衛星,其發射質量為4500kg,整星功率22kW,有效載荷質量超過2000kg[11]。

2)A2100/LM 2100平臺

2016年以后,美國洛馬公司將A2100系列平臺升級為新一代LM2100平臺[12-13],全新的LM2100平臺相比以前的A2100系列平臺有26項性能提升,其中最重要的創新就是采用柔性太陽翼、開發石墨桅桿展開系統和高效霍爾電推進系統,整星功率更大,質量更輕,包絡空間更小。LM2100平臺推進系統提供全電、全化學、混合推進3種方式,平臺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,使衛星研制各階段裝配更加精準、周期更短、成本更低等。

基于LM2100平臺的衛星發射質量2300～6500kg,整星功率20kW,載荷質量和功率為1000kg和12kW,配置4個XR-5(BPT-4000)霍爾推力器。LM2100平臺首飛衛星為赫拉衛星-4(Hellassat-4)通信衛星,于2019年2月5日成功發射入軌,發射質量6495kg。A2100M/LM2100M是專用于軍用衛星的平臺,其增加了強抗干擾能力、高自主能力等,美軍的先進極高頻衛星(AEHF)、移動用戶目標系統(MUOS)、天基紅外系統(SBIRS)、GPS系統III(GPS 3)和下一代過頂紅外預警系統(NG-OPIR-GEO)均采用A2100M/LM2100M平臺研制。

3)其他大型高軌衛星平臺

除了LM 2100平臺、Eurostar-NEO和Spacebus-NEO平臺以外,美國勞拉公司的SSL-1300和波音公司的BSS-702HP也進行了技術更新,承載能力得到大幅度提升。

2023年4月30日,Viasat-3衛星由重型獵鷹火箭發射成功,進入近地點高度34568km,遠地點高度34642km的準GEO軌道。這顆衛星是BSS-702MP+平臺首發星,發射質量6418kg,采用全電推進方式,衛星配置4臺XIPS 25離子推力器。衛星每側太陽翼配置8塊電池板,整星功率達30kW,有效載荷功率20kW[14]。它是目前為止人類設計的通信容量規模最大的Ka頻段高通量衛星,通信容量高達1Tbit/s,但其大天線在軌未能正常展開,主要性能未得到在軌驗證[14-15]。

2023年7月29日,Jupiter-3(EchoStar 24)衛星由重型獵鷹火箭發射成功,進入近地點高度8001km,遠地點高度35504km的GTO軌道。這顆衛星基于SSL-1300平臺研制,衛星配置了4臺SPT-100霍爾推力器。Jupiter-3衛星發射質量9200kg,干重5817kg,通信容量為500Gbit/s,是目前為止發射質量最大的一顆商業通信衛星[16]。

1.2 國外新一代中型高軌通信衛星平臺現狀

2019年以來,國外主要的通信衛星制造商相繼推出了高度集成的中型在軌可重構通信衛星平臺:TAS公司的Space Inspire平臺、ADS公司的Onesat平臺和波音公司的BSS-702X平臺。這類平臺衛星均為全電推進,收納比高,可適應一箭三星發射,其有效載荷在軌可重構,可根據需要實時調整其覆蓋范圍、功率和帶寬。在歐洲航天局ARTES項目支持下,OHB公司開發了SmallGEO平臺,這是一款多用途GEO中型衛星平臺,能廣泛適應對地觀測,常規通信和激光通信等各類用戶需求[6]。這些中型通信衛星平臺在全球范圍內形成了航天器研制技術的新趨勢。

1)Space Inspire平臺

TAS公司于2019年9月推出Space Inspire平臺,首飛衛星預計2025年發射[4,17]。Inspire平臺為全電推衛星平臺,采用離子推力器開展升軌和位保任務。衛星平臺采用卷軸式柔性太陽翼、泵驅流體回路、展開式熱輻射器和高性能中心化信息系統等多項先進技術,配置3臺T6離子推力器,衛星結構緊湊,可采用一箭三星方式發射,Space Inspire平臺一箭三星發射狀態如圖4所示。Inspire平臺衛星典型技術指標為:發射質量約3800kg,有效載荷約850kg,有效載荷功率最大15kW。

圖4 Space Inspire平臺一箭三星發射收攏圖Fig.4 Launch state of three Space Inspire satellites together

2)Onesat平臺

ADS公司于2019年推出Onesat平臺,Onesat平臺采用了全新的設計概念,該平臺基于一種標準化、模塊化的設計方法,研制成本和研制周期均可節省50%[5,18]。Onesat平臺為全電推衛星平臺,配置4臺RIT 2X離子推力器,大量采用可展開結構,太陽翼為桅桿展開式柔性太陽翼,可采用一箭三星方式發射。衛星展開狀態如圖5所示。Onesat平臺衛星典型技術指標為:發射質量約3830kg,有效載荷約900kg,有效載荷功率最大15kW。

圖5 Onesat平臺衛星展開圖Fig.5 Unfold state of Onesat satellite

3)BSS-702X平臺

波音公司于2019年9月推出BSS-702X平臺,該平臺基于O3b mPower衛星(O3b mPower衛星是波音公司為SES生產的MEO星座高通量衛星)研制[3,19]。BSS-702X平臺衛星展開狀態如圖6所示。該平臺采用了一系列創新技術,比如綜合數字處理、先進熱控管理、先進制造技術以及優化的地面資源管理工具。衛星有效載荷采用了波音公司目前最先進的柔性在軌可重構的數字處理器。

圖6 BSS-702X平臺衛星展開圖Fig.6 Unfold state of BSS-702X satellite

BSS-702X平臺衛星典型技術指標為:發射質量約2300kg(干重約1900kg),有效載荷約900kg,有效載荷功率最大15kW,衛星配置4臺XIPS 25離子推力器。3顆BSS 702X平臺衛星可堆疊在一起以一箭三星方式發射。

4)SmallGEO平臺

OHB系統公司的SmallGEO平臺定位為3t級中型衛星,適用于商業項目、科學研究和政府需求,可應用P,S,C,X,Ku和Ka頻段的有效載荷,包括移動和固定通信業務、軍事通信業務以及高通量通信業務[6,20]。SmallGEO平臺衛星如圖7所示。

圖7 基于SmallGEO平臺研制的衛星Fig.7 Satellites of SmallGEO platform

SmallGEO平臺包含化學推進、化電混合推進、全電推進3種子型,采用星敏感器為主要敏感器,并配置了GNSS系統。SmallGEO平臺發射質量約3500kg,可擴展至3800kg。當發射質量3200kg時,化電混合推進和全電推進兩種子型對應的有效載荷質量分別為450kg和800kg,有效載荷功率分別為4kW和10kW[20]。SmallGEO平臺配置8臺SPT-100霍爾推力器或會切場推力器(HEMPT)。

1.3 國外小型高軌通信衛星平臺發展現狀

2015年以來,國外涌現了多款小型高軌通信衛星平臺,比較成功的平臺為美國的Astranis平臺。2018年3月,美國初創公司Astranis公司宣布推出小型低成本高軌通信衛星,采用數字化有效載荷,提供寬帶互聯網接入服務。2023年5月1日,首顆Astranis衛星搭載重型獵鷹運載火箭進入低于GEO軌道1000km的準GEO軌道,Astranis衛星發射質量約400kg,整星功率2kW,通信容量超過7.5Gbit/s,服務壽命8年[21]。Astrains衛星展開狀態如圖8所示。

圖8 Astrains衛星展開圖Fig.8 Unfold state of Astrains satellite

2 國外通信衛星平臺發展特點分析

2.1 全電推衛星平臺成為市場主力

2018年至2022年,國際通信衛星市場共有69個有效訂單,其中全電推進衛星占比58.0%,混推衛星占比30.4%,全化推及其他衛星占比約11.6%,如表1所示[22]。可以看出,全電推衛星訂單占比接近六成,已經成為國際通信衛星市場主力,而全化推通信衛星訂單約占一成。

表1 近五年國際通信衛星市場有效訂單占比表Table 1 Proportion of orders in international telecommunication satellite market in past five years

2018年至2022年,全電推衛星訂單共40個,大型全電推衛星、中型全電推衛星、小型全電推衛星分別占全電推衛星的37.5%、55.0%和7.5%,如表2所示[22]。可以看出,中型全電推衛星占比超過一半。

表2 不同質量全電推進衛星占比表Table 2 Proportion of all electric propulsion satellites with different weights

圖9為近五年國際通信衛星訂單中各宇航公司市場占有率圖。可以看出,得益于NEO平臺、Space Inspire平臺和Onesat平臺等新一代平臺的成功開發,歐洲兩大通信衛星制造商ADS和TAS公司市場占有率達接近50%。

圖9 各宇航公司市場占有率(2018—2023)Fig.9 Market share of aerospace companies (2018—2023)

2.2 平臺承載能力大幅提升

歐洲上一代主力高軌通信衛星平臺Eurostar-3000和Spacebus-4000,其載重比通常為18%～20%,載干比約為36%。基于Eurostar-NEO研制的Hotbird-13F衛星,發射質量4500kg,有效載荷質量大于2000kg,有效載荷功率約16kW,載重比為44.4%,載干比為56%;基于Spacebus-NEO研制的SES-17衛星,其發射質量為6411kg,整星功率28kW,預計其有效載荷約為2500～2800kg,載重比約為39%～43.6%,載干比約為50%～55%。可以看出,新一代大型衛星平臺的有效載荷質量、有效載荷功率和載干比等指標均有大幅提升[7-11]。

2.3 廣泛采用多模式電推力器

由2.1節可以看出,2018年至2022年之間的國際通信衛星訂單中全電和混推衛星共61顆,占比約88.4%,這說明電推力器在GEO通信衛星領域得到了廣泛應用。表3列出了目前主要GEO衛星平臺使用的電推力器,表4為主要電推力器的重要性能指標,數據源自文獻[23-27]。由表3和表4可以看出,發射質量超過4000kg的衛星一般采用多模式霍爾推力器,變軌任務選用大功率大推力模式,在軌位置保持任務選用小功率小推力模式。

表3 用于GEO衛星平臺的主要電推力器Table 3 Electric propulsion thrusters for GEO satellite platforms

表4 各電推力器的主要性能指標Table 4 Main specifications of some electric thrusters

2.4 廣泛采用高收納比空間展開機構

歐洲和美國衛星在電推力器、天線等方面廣泛采用多自由度機械臂,實現衛星收攏狀態的高收納比,并提升電推和天線的在軌性能指標。空客公司針對天線和電推力器研制了多種空間展開機構[28],電推力器矢量調節機構最長達3.2m,可大幅提升衛星電推位保的幾何效率,天線多自由度展開臂展開長度可達3.5m,可緩解天線在星體上布局的限制,并滿足天線大范圍指向調整的要求。Eurostar-NEO平臺電推力器矢量調節機構如圖10所示,Onesat平臺天線展開機構如圖11所示。Space Inspire平臺電推矢量調節機構(TDTM)可兼容不同的離子推進器,臂長1.5m,小于25kg[29]。

圖10 Eurostar-NEO 電推力器矢量調節機構Fig.10 Vector adjustment mechanism of Eurostar-NEO electric thruster

2.5 廣泛應用高效熱控系統

隨著通信衛星規模和復雜性的不斷增長以及有效載荷功率的不斷提升,傳統的熱控技術已經不能完全滿足熱控需求。泵驅流體回路(單相、兩相)和展開式熱輻射器等新型高效熱控技術不僅可以提升散熱系統的功率密度和散熱能力,還可提升衛星溫度穩定性,進一步保證衛星各類單機在軌性能穩定。Spacebus-NEO、Eurostar-NEO平臺、Space Inspire平臺和Onesat平臺均采用泵驅流體回路,并配置擴熱板/展開式熱輻射器,熱控能力大幅增強[4-5,8,30-32]。Spacebus-NEO平臺每副展開式熱輻射器可以提供2kW的散熱能力,該平臺熱控分系統散熱能力可達7～20kW[30]。圖12和圖13分別為Spacebus-Neo平臺的泵驅兩相流體回路原理圖[31]和歐洲ARTES大平臺項目展開式熱輻射器組成圖[32]。洛馬公司研發了可展開式東西板熱輻射器,既方便衛星總裝和測試又提升了平臺散熱能力[33]。

圖12 Spacebus-Neo平臺的泵驅兩相流體回路Fig.12 2 MPL drawing of Spacebus-Neo

圖13 ARTES大平臺展開式熱輻射器Fig.13 Deployable panel radiator of ARTES large platform

2.6 廣泛采用輕質柔性高收比太陽翼

Eurostar-NEO平臺采用二維二次展開的剛性+半剛性混合太陽電池陣技術,與傳統剛性太陽翼相比,這種混合太陽翼功率質量比提升44%,功率體積比提升72%,可為衛星提供最大30kW的功率需求[34]。Space Inspire平臺采用了勞拉公司的衛星采用了卷繞式柔性太陽翼(ROSA),ROSA的質量和體積與傳統剛性太陽翼相比有較大幅度降低,對于15kW太陽翼來說,ROSA質量降低30%,體積縮減75%[35]。

2.7 衛星研制成本大幅降低

中型通信衛星平臺Space Inspire、Onesat和BSS-702X平臺的結構形式均采用了扁平式,結構緊湊,充分利用火箭運載能力和整流罩空間,適應一箭多星發射,可有效降低單星發射成本,大幅提升市場競爭力[3-5]。另外,與原有同等能力的衛星平臺相比,Onesat平臺的研制周期和研制成本縮減50%[5]。

TAS公司在低軌星座第二代銥星(Iridium Next)研制中積累了大量的商用現貨(COTS)成功應用經驗,其在研制高軌衛星平臺Space Inspire平臺時,在蓄電池和綜合電子多個單機上使用了經過鑒定的COTS器件,并在星載計算機中應用了COTS芯片,以較小的成本獲得了20～40倍的性能提升[36]。

3 我國高軌通信衛星平臺發展建議

我國航天采用型譜化理念發展了東方紅系列高軌通信衛星平臺。目前我國主力高軌通信衛星平臺主要有DFH-3E平臺、DFH-4E系列平臺和DFH-5平臺[37]。結合國外高軌通信衛星平臺的發展趨勢,根據我國高軌衛星未來發展需求,對我國高軌通信衛星平臺的發展建議如下。

(1)在現有平臺成功研制的基礎上,開發中大型全電推衛星平臺,進一步提升我國高軌通信衛星平臺承載能力。

(2)加強輕質高收納比大功率太陽翼技術、高效熱控技術和大推力霍爾電推力器技術的研究和驗證工作,推動我國高軌通信衛星平臺技術的升級換代。

(3)深入開展高軌通信衛星平臺技術經濟一體化研究工作,優化系統性能與平臺成本,進一步提升我國高軌通信衛星的市場競爭力。

4 結束語

國外通信衛星平臺呈現全電推進、高承載比、大量應用展開機構和高效費比等發展趨勢,近年來新一代全電推大型和中型衛星平臺陸續首飛成功,并搶占了大量的市場份額,以Eurostar-NEO和Spacebus-NEO為典型代表的歐洲通信衛星平臺,通過創新技術、流程優化、貨架模式,以降低成本、縮短生產周期,使其整體競爭力與歐洲原有平臺相比提升30%;以SSL-1300(全電)和BSS-702MP+(全電)為典型代表的美國通信衛星平臺,通過平臺和有效載荷技術能力升級,平臺承載能力和衛星通信能力大幅提升。

結合國外高軌衛星平臺的發展趨勢,根據當前中國高軌通信衛星發展現狀和未來需求,建議我國盡快開發中大型全電推衛星平臺,加強輕質高收納比大功率太陽翼技術、高效熱控技術和大推力霍爾電推力器技術的研究和在軌驗證工作,提升我國高軌通信衛星承載能力,持續實現我國通信衛星高質量發展。