电推进技术在通信卫星平台上的应用

李强 吕强 （中国空间技术研究院通信卫星事业部）

电推进技术在通信卫星平台上的应用

李强 吕强 （中国空间技术研究院通信卫星事业部）

2016年6月15日，波音卫星系统公司（BSS）制造的亚洲广播卫星－2A（ABS－2A）和欧洲通信卫星－117西B （Eutelsat－117 West B）2颗全电推进卫星由猎鹰－9（Falcon－9）火箭以“一箭双星”的方式成功发射。电推进技术在商业通信卫星上的应用越来越广泛。

电推进技术依靠电能驱动加速工质产生推力，具有比冲高、推力低等特点。航天器采用电推进技术执行姿态轨道控制任务能够有效降低推进剂消耗，提高干重比。目前，电推进技术已经广泛应用于地球同步轨道（GSO）通信卫星平台姿轨控、深空探测航天器主推进等任务。本文介绍了几例通信卫星平台的电推进应用情况，分析了通信卫星平台几种常用电推力器的构型及其特点，以及通信卫星平台采用电推进执行姿态轨道控制任务的关键技术。

1 引言

电推进技术的基本原理是由电能驱动工质，使其加速喷出以产生反作用力。依据产生推力的方式不同可分为3类：静电式、电磁式和电加热式。其中，静电式电推力器又称为离子发动机，是通过强静电场对离子化的工质直接加速排出，能够达到较大的排气速度，具有最高的比冲，其功耗需求也最高。电磁式电推力器依靠电磁场加速工质产生推力，又分为脉冲等离子体推力器（PPT）和稳态等离子体推力器（SPT），而后者又称为霍尔推力器。电加热式推力器是通过电能加热工质使其膨胀加速喷出获得推力，又分为电阻加热推力器和电弧加热推力器（Arcjet），该类电推力器比冲适中，结构简单。目前在通信卫星平台上应用最多的电推力器有3种：离子电推力器、霍尔推力器和电弧加热推力器。

通信卫星的工作轨道通常为地球同步轨道，目前主流通信卫星平台一般能达到12～15年的寿命。通信卫星从发射到寿命结束，一般要经历轨道转移、入轨、定点位置保持以及离轨等轨道控制过程，此外，采用轮控系统进行姿态控制的卫星还需要推力器执行动量轮卸载任务。巨大的速度增量需求需要通信卫星必须携带足够的推进剂，若完全采用传统的双组元推进系统，推进剂携带量将达到整星质量的50%以上。电推进技术由于其高比冲的优势能够大大降低推进剂消耗，提高卫星干重比，目前已成为主流通信卫星平台的标准配置。电推进系统一般应用于通信卫星位置保持，尤其是南北位置保持，部分通信卫星还应用电推进系统执行动量轮卸载和部分轨道转移任务，取得了良好的效益。截至目前，已经出现取消化学推进系统而全部采用电推进系统执行姿轨控任务的通信卫星平台，即全电推进卫星平台，例如波音卫星系统公司的BSS－702SP平台。

通信卫星采用电推进系统执行姿轨控任务除了能使所需推进剂质量大幅降低，还借助于其低推力特性，提高了轨道控制的精度。此外，电推力器工作期间其小推力对姿态的干扰作用大大降低，有利于提高姿态控制精度和姿态稳定度。电推进系统的劣势在于由于推力小，执行姿轨控任务的时间大大延长了，若采用电推进系统执行地球同步转移轨道（GTO）至地球静止轨道（GEO）的转移任务，总时间约需3～6个月。

2 电推进技术在通信卫星平台上的应用

国外通信卫星平台上最早应用电推进技术的当属HS－601平台，该平台配置了XIPS－13氙离子推进系统执行南北位置保持任务，之后越来越多的通信卫星平台开始配备电推进系统。电推进技术的应用范围也逐渐由单一的南北位置保持任务逐渐扩展到位置保持、动量轮卸载、轨道转移、定点位置转移以及离轨等多任务。

LS－1300卫星平台

LS－1300平台由美国劳拉空间系统公司（SS/L）负责制造，其首颗卫星超鸟－A（Superbird－A）于1989年发射，目前采用LS－1300平台的卫星已达到100颗，是目前发射卫星采用最多的平台之一。LS－1300卫星平台分为基本型、扩展型LS－1300E和超大型LS－1300E（20.20）3种类型。其中LS－1300E扩展型卫星平台发射质量可达7t，能够提供10kW的有效载荷功率。LS－1300平台采用了SPT－100霍尔推力器执行倾角控制、偏心率控制以及动量轮卸载任务，2004年在“移动广播卫星”（MBSat）上完成电推进系统的首秀。SPT－100霍尔推力器由俄罗斯火炬（Fakel）设计局设计，其同系列霍尔推力器在空间推进任务中的应用最早可追溯到20世纪70年代，是目前执行空间推进任务最多的电推力器之一。SPT－100霍尔推力器推力83mN，比冲1600s，功耗1.35kW。

LS－1300平台的电推进系统包括4台SPT－100霍尔推力器、2套电源处理单元（PPU）、2个氙气瓶和1套冗余的推进剂调节装置。电推力器构型采用V型构型，即执行位保操作的南、北侧电推力器安装在卫星固连坐标系YOZ平面内，相对XOZ平面对称，且与质心连线呈V型。由于该构型电推力器没有沿轨道切向的推力分量，因此不能进行完整的位置保持控制，推力的法向、径向分量可以用于轨道倾角和偏心率控制，平经度控制则需由双组元推力器来完成。

俄罗斯火炬设计局研制的霍尔推力器（从左到右）：SPT－70、100、200

V型电推力器构型示意图

卫星在轨执行南北位保操作要求每天电推力器点火2次，南、北侧电推力器各1次，且点火时间相隔约12h，点火过程中，推力方向可以通过卫星姿态控制和两自由度的推力器矢量调节机构实时进行精密调整。

SPT－100的应用给LS－1300卫星平台带来了很大的效益，在轨推进剂消耗大大降低，卫星有效载荷容量得到了提升。劳拉空间系统公司希望电推进系统能够在LS－1300平台上发挥更大的作用，正着手研究将电推进系统用于轨道提升，并将采用更大推力、更高功耗的SPT－140电推力器。

BSS－702卫星平台

BSS－702卫星平台是波音卫星系统公司卫星制造的主力军，该系列卫星平台主要有3个型号：BSS－702HP（大型）、702MP（中型）和702SP（小型）。其中，BSS－702HP卫星平台发射质量约6t，能够提供12～18kW的有效载荷功率。BSS－702卫星平台配备了XIPS－25离子推进系统执行位置保持、动量轮卸载以及部分轨道转移任务。波音卫星系统公司具有丰富的离子推力器使用经验，最早在HS－601平台［2000年波音公司（Boeing）收购休斯空间与通信公司（HS）成立波音卫星系统公司］上就采用了XIPS－13离子推进系统，但XIPS－13在轨表现并不理想，其在轨故障一度占据全球通信卫星电推进故障的50%以上。在BSS－702平台上采用了改进的XIPS－25离子推进系统，可靠性显著提高。XIPS－25离子推力器可双模式工作，能够适应轨道转移和位置保持等不同工作需求。高功率模式下推力可达165mN，比冲3500s，功耗4.5kW，在轨道转移任务中采用此模式；低功率模式下推力79mN，比冲3400s，功耗2.2kW，在位置保持任务中采用此模式。除此之外，电推进系统还可以完成定点位置转移以及寿命末期的离轨任务。BSS－702平台对电推进系统的应用最充分，XIPS－25离子推进系统执行或参与执行了全部轨道控制与动量轮卸载任务，BSS－702平台的有效载荷比和卫星干重比等指标在同类产品中处于领先水平。

美国研制的XlPS－25离子推力器

矩形电推力器构型示意图

BSS－702平台的电推进系统包括2套完全冗余的离子推进系统，每个子系统包含独立的电源处理单元、推进剂供给系统和2台25cm氙离子推力器，均可独立完成位置保持和动量轮卸载等任务。电推力器构型采用矩形构型，即4台电推力器在背地板上呈矩形安装，其中对角线上2台电推力器属于同一电推进子系统。该构型可以视为V型构型的扩展，即在V型构型的基础上，使电推力器绕星体Y轴转过一定角度，推力将产生切向分量，能够同时控制倾角、偏心率和平经度，实现完整的位置保持。

BSS－702平台在轨执行位置保持和动量轮卸载任务是同时进行的，电推力器在进行角动量卸载的过程中同时改变了轨道参数，使其能够抵消摄动影响，其基本思路是：4台电推力器按照对角线分成2对，其中一对按照角动量卸载需求确定点火位置及推力方向，同时消除一部分轨道摄动，另一对则保证推力过质心，主要针对轨道摄动进行控制而不参与动量轮卸载。

BSS－702平台还通过电推进系统执行部分轨道转移任务，首先双组元推进系统将卫星由GTO轨道转移到一个轨道周期24h的椭圆轨道并消除倾角，之后由电推进系统进行轨道圆化并完成最后的定点。

BSS－702平台一个重要型号BSS－702SP平台采用全电推进，取消了双组元推进系统，卫星发射质量仅2t，能够提供3～8kW有效载荷功率，可承载500kg有效载荷，卫星干重比提高到85%左右。目前，同等容量的通信卫星发射质量约4t，也就是说，采用全电推技术，在保证承载能力不变的前提下，将整星质量降低约50%，极大降低了发射成本，为国际通信卫星市场注入了新鲜的血液。BSS－702SP全电推进卫星平台于2012年一经推出，就获得了亚洲广播卫星公司（ABS）和墨西哥卫星公司（SATMEX）共4颗卫星订单，单价约1亿美元。2015年3月，采用BSS－702平台制造的首批2颗卫星亚洲广播卫星－3A和欧洲通信卫星－115西B由猎鹰－9火箭“一箭双星”发射。

基于美国BSS－702SP平台的亚洲广播卫星－3A

“小型地球静止轨道”卫星平台

“小型地球静止轨道”（SGEO）卫星平台由德国OHB系统公司为欧洲航天局（ESA）设计制造，是欧洲新一代小型静止轨道通信卫星公用平台。平台采用GTO变轨方式发射质量约3t，采用直接入轨方式时发射质量约1.6t，能提供400kg的有效载荷承载能力，提供载荷功率4kW。SGEO卫星平台配置SPT－100霍尔推力器，其电推进系统执行除轨道转移之外的所有轨道控制和动量轮卸载任务。

SGEO卫星平台电推进系统包括2套完全冗余的子系统，每个子系统由1个电源处理单元PPU、1个外部电推力器选择单元和4台SPT－100霍尔推力器组成。霍尔推力器直接安装于星体，没有矢量调节机构，推力方向不可调节。其电推力器构型采用三维对称构型，与俄罗斯“快讯”（Express）、“亚马尔”（Yamal）等卫星类似。在这种构型下，每台电推力器工作都能同时产生法向和切向速度，不产生径向速度。整个寿命周期内星体质心变化不超出推力方向构成的平面所包围的区域，始终能保证电推力器点火时能产生卸载力矩。三维对称构型与矩形构型相比，所用的电推力器数量多了1倍，但不需要矢量调节机构，降低了复杂度，推力只在切向和法向存在分量，位置保持控制中的耦合影响减弱，姿态轨道控制耦合作用较小；同时由于该构型下电推力器推力方向不通过质心，点火过程中的干扰力矩较大。

ESA在SGEO卫星平台的基础上，正在着手开发全电推进卫星平台“伊莱克特拉”（Electra）。该平台预计发射质量2～3t，可承载700kg有效载荷，提供8kW的载荷功率，与目前5吨级的欧洲中型卫星平台能力相当。其实早在2006年SGEO项目启动之初，德国OHB公司就提出在SGEO平台上使用电推进完成GTO到GEO的轨道转移，但因为用户无法接受6～7个月的入轨时间而搁置。2011年，欧洲第二大通信卫星运营商欧洲卫星公司（SES）在一次会议上做了有关优化卫星成本和在轨寿命的报告，在报告中提出，通过采用小型化的运载工具和较低的射入轨道，依靠星上电推进系统代替化学推进将卫星送入GEO轨道。作为主要通信卫星运营商，SES公司提出这样的结论对推动全电推平台的发展作用是十分巨大的。ESA也适时提出了Electra计划，项目首发星预计2018－2019年发射。

三维对称电推力器构型示意图

测试中的欧洲SGEO卫星平台

A2100卫星平台

A2100卫星平台由美国洛马公司（LM）研制，基于该平台发射了很多军用卫星，例如美国空军的“天基红外预警系统卫星”（SBIRS）。A2100卫星平台包括A2100A、A2100AX、A2100AXS等多种型号。其中A2100AX发射质量最高达4.7t，能够提供6～12kW载荷功率。A2100卫星平台可配置电弧推力器或霍尔推力器用于位置保持和轨道转移等任务。

2010年8月，基于A2100平台的美国空军首颗先进极高频－1（AEHF－1）卫星发射后双组元推进系统失效。该卫星配备了霍尔推力器用于部分轨道转移和位置保持，先进极高频－1卫星原定由双组元推进系统和霍尔电推进系统共同执行轨道转移任务：首先由双组元推进系统将卫星由GTO轨道转移到一条中间过渡轨道，之后由霍尔电推进系统工作约90天时间，将卫星送入目标轨道。双组元推进系统的提前失效使得先进极高频－1卫星不得不调整变轨策略，依靠星上单组元推力器和霍尔推力器历时14个月、共450多次轨道机动，成功进入工作轨道，所剩推进剂还可维持14年在轨正常服务。先进极高频－1卫星应用霍尔推力器成功挽救卫星的经验充分证明了电推进系统执行任务的灵活性和优异性能。

2013年9月，洛马公司也表示正在着手进行A2100平台的全电推进改造，继续挖掘电推进技术在该平台上的应用潜力。

欧洲星－3000卫星平台

欧洲星－3000（Eurostar－3000）卫星平台由空客防务与航天公司（ADS）研制。2004年，该平台配备等离子体电推进系统的首颗卫星—国际通信卫星－10－02（Intelsat－10－02）成功发射。该平台电推进系统配置4台SPT－100电推力器用于倾角控制和偏心率控制，以V型构型通过两套推力矢量调节机构安装于卫星南、北板。Eurostar－3000卫星平台的电推进系统应用经验表明，采用电推进系统不仅能大大缩减推进剂消耗量，对姿态控制的干扰力矩也很低，姿态控制十分平稳。

基于“欧洲星”卫星平台的SES－14通信卫星

其他通信卫星平台

泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）研制的空间客车－4000（Spacebus－4000）卫星平台配备了电推进系统执行南北位保任务。空客防务与航天公司和泰雷兹-阿莱尼亚航天公司合作研制的“阿尔法平台”（Alphabus）大型通信卫星平台采用霍尔电推进系统完成南北位保任务。

主要通信卫星平台电推进应用情况

基于欧洲“阿尔法平台”的卫星在轨示意图

3 电推进姿轨控关键技术

电推进技术与传统化学推进相比，其比冲高，推力小、功耗高，在姿轨控方面，具备推进剂消耗低、控制精度高和姿态干扰小等优势，但同时也存在一些问题，例如控制过程长，难以实现快速机动。若采用电推进完成GTO轨道到GEO轨道的转移，所用时间将由化学推进的数天延长至数月。为充分利用电推进技术特点，发挥其最大应用能力，卫星电推进姿轨控上还需要解决如下一些技术难点和关键问题。

（1）有限推力轨道转移优化技术

若将电推进技术作为主推进，首先要解决的问题是有限推力下的最优转移轨道设计。电推进轨道转移时间长，点火次数频繁，影响因素多，约束条件复杂，优化目标多样，最优转移轨迹难以确定，需要通过设置合理的策略，得到近似最优的可行的轨道转移方案。

（2）姿轨耦合控制技术

传统化学推进卫星姿态控制与轨道控制分别单独进行的，之间不存在耦合，或可进行解耦控制。电推进系统由于其布局限制，姿态和轨道控制之间存在较强的耦合作用。首先电推力器指向控制误差和卫星质心的变化使得在轨道机动过程中必然产生干扰力矩，影响卫星姿态控制；其次电推力器执行角动量卸载过程中，必然会引起轨道参数的变化。尤其是在电推进轨道转移过程中，姿轨耦合问题更加严重，电推力器同时作为姿态控制和轨道控制的执行机构，必须考虑姿态轨道控制的耦合作用，研究姿轨耦合控制技术。

（3）星上自主姿轨控技术

电推进技术由于推力小，相比化学推进，执行相同的控制任务需要的时间更长，需要更频繁地安排不同电推力器点火。例如电推进系统执行位置保持任务，基本每天都会有多台电推力器依次点火。频繁、长时间的电推力器开关机的管理操作若全依赖地面参与将极大增加卫星在轨操作的复杂性，如何保证电推进系统可靠自主地运行，降低地面干预程度是电推进技术应用的一大关键问题。目前电推进系统的工作已经实现了部分自主，即地面定期更新电推进系统工作计划，将未来某一段时间内电推力器的全部运行参数一次性上传，期间由星上自主控制。要提高星上电推进系统自主姿轨控的能力，首先需要卫星姿轨控系统配置自主测量元件，能够提供一定精度的测姿测轨信息；其次星上姿轨控算法必须具备自主运行与处理能力，还需要对电推进系统的运行情况进行监测；此外，还需要制定完整的电推进系统故障模式下的姿轨控策略。

4 结论

目前，国际主流通信卫星平台均已配备了电推力器执行在轨位置保持等任务，且电推进技术的潜力正在得到进一步的挖掘，电推进技术已成为衡量通信卫星平台先进性的一个重要指标。若将化学推进系统取消，仅靠电推进系统实现卫星寿命期内全部的姿轨控任务，即为全电推进卫星。全电推进卫星承载效率高，发射成本低，是通信卫星平台发展的重要趋势。

电推进技术的新特点给卫星姿轨控带来一系列变革，一方面具有推进剂消耗低、控制精度高等优势，另一方面也产生了姿轨耦合、点火频繁等问题。要充分挖掘电推进技术应用潜力，进一步提高电推进卫星的综合性能，必须研究解决以有限推力轨道转移优化技术、姿轨耦合控制技术和星上自主姿轨控技术等为代表的关键技术问题。

Application of Electric Propulsion on Communications Satellite Platform