新型高轨公用卫星平台发展现状与趋势

文/ 姚远 蔡亚星 郭玲华

自从我国“东方红一号”通信卫星成功发射以来，半个世纪里世界通信卫星事业不断实现转型升级，卫星平台不断实现技术创新，产生了许多新的特点。认真分析研究这些特点，特别是分析研究新型高轨公用卫星平台的创新特点、创新文化，对于改进提升我国新型高轨公用卫星平台具有重大深远意义，是建设航天强国的一项实际行动。本文试对国际新型高轨公用卫星平台当前发展作以概述分析，以期描绘我国通信卫星平台领域发展方向。

国际新型高轨公用卫星平台创新潮流

新型高轨通信卫星是国际民用商用卫星市场中份额最高、竞争最为激烈的领域。全球平均每年发射约20颗大型通信卫星，约占商业通信卫星总量的80%。针对各类用户对高轨公用卫星平台的综合性能、效费比、研制周期、可靠性、兼容性提出的技术创新要求，近年来全球各大卫星制造商开始着力研究并开发新型高轨公用卫星平台。

一是洛克希德马丁公司及其新型LM2100平台。

该公司早在20世纪90年代就推出A2100平台，并提前10年启动了“全面检查并升级A2100卫星平台”的一项内部投资计划，推出了LM50、LM400、LM1000、LM2100等4个 全新平台。

以LM2100为最新标志的新平台采用了集成通用化、先进制造技术、并行制造策略等的设计理念。比之前的A2100有26项性能提升。其中，最重要的创新就是采用柔性太阳翼，开发石墨桅杆和展开系统，提供更多功率、更轻重量以及更小包络。平台推进系统提供全电、全化学、混合推进三种方式，对于电推进，使用霍尔电推力器，变轨时间为其他电推进系统的一半。平台能力可扩展到16千瓦以上载荷功率，星上处理器实现在轨重构。LM2100平台还具有可扩展制造特性，使用了包括3D打印、基于虚拟现实的数字设计等多项先进制造技术，使短周期低成本产品在卫星研制各阶段可精准装配，等等。基于LM2100的卫星发射重量2300～6500千克，整星功率20千瓦，载荷可扩展到1000千克和12千瓦。平台状态为HellasSat-4通信卫星于2019年2月5日首飞成功发射入轨，3星在轨。

概括起来， LM2100平台的关键技术与创新主要体现在四方面：

1.面向需求的设计：扩展有效载荷重量、功率和散热能力范围，适应各类任务使命。

2.面向成本的设计：简化架构并缩减产品的类型和数量，从根本上缩减研制成本和相关部件的研制周期。

3.面向生产的设计：修改了架构和总装流程，以提升制造和测试流程。

4.面向任务的设计：实现军事和商业用户所需的平台特性与鉴定测试要求，对各类任务使命通用性好。

二是欧空局ARTES计划下的新型NEOSAT平台。

该平台瞄准发射质量3至6吨的主流通信卫星市场，通过创新技术、降低成本、缩短生产周期等手段，使其整体竞争力与欧洲现有平台相比提升30%，并在2018-2030年期间实现50%的市场占有率，即获得约150颗卫星的研制合同，预计可为欧洲带来约250亿欧元的卫星制造收入。

NEOSAT项目产品的基本指标：

1.可以满足中型卫星任务要求。

2.与猎鹰-9火箭发射台及4米整流罩发射台全程兼容。

3.充分的模块化理念和完整的电子化平台。

4.可选的推进模块：增加推进的持续时间。

5.热控：通过液体循环或采用可展开辐射器（DPR）。

几乎同时，空客防务与航天公司（ADS）开发了Eurostar NEO新型高轨通信卫星平台，泰雷兹阿莱尼亚航天公司（TAS）开发了SpaceBus NEO新型高轨通信卫星平台。这两种平台都具有全电推配置、全化学推进配置和化推+电推混合配置的类型特点，实现了卫星平台全面性、体系性、系统性和先进性的创新。目前平台状态为10星在研，1星在轨。

概括起来， 新型NEOSAT平台的关键技术与创新主要体现在四方面。

1.面向市场化需求：整体竞争力比欧洲现有平台提升30%，争得全球市场竞争优势。

2.面向宽适应要求：发射重量3000～6000千克，支持多种运载发射。

3.面向集成化特点：缩减单机种类，采用3D打印技术。

4.面向模块化设计：推进舱、载荷舱、东西板、太阳翼，并行总装、整体对接，缩减研制周期至18～36个月。

三是德国OHB系统公司及其新型Small GEO平台。

Small GEO平台是ARTES计划下，由OHB系统公司研制的小型公用静止轨道卫星平台项目， 采用模块化、批量化、多运载兼容、创新技术应用等的设计理念。技术创新和管理上的特点是：高度模块化的航天器设计，促使供应商在系统设计早期参与合作；平台设备的批量化生产强化了设计以降低成本和优化集成过程；从部件到系统开展火箭兼容性设计，可兼容多种运载火箭。Small GEO平台提升了卫星的好用性和易用性。平台也有全化学推进、混合推进和全电推进三种配置，其中全电推进配置能够提供最大的有效载荷承载能力。平台状态是2017年首飞，目前2星在轨，7星在研。

▲ Eurostar NEO平台的三种推进分系统配置示意图

▲ 欧洲高轨公用卫星平台型谱规划

概括起来，Small GEO平台的关键技术与创新主要体现在四方面：

1.面向需求的灵活和可伸缩性设计，适应较大有效载荷重量、功率和散热能力的范围，兼容各种运载火箭。

2.面向成本的设计，从根本上缩减了研制成本和相关部件的研制周期。

3.继承典型GEO卫星的AIT流程，并行开展平台、推进和载荷的集成和测试。

4.利用GNSS导航和电推进技术实现GEO轨道自主位置保持，降低运行维护成本。

中国高轨通信卫星平台型谱及东方红五号平台的成功实践

中国在传统高轨通信卫星平台型谱基础上，持续提升平台能力，成功新研东方红三号电推型、东方红四号增强型、东方红五号，并拓展了低轨使用的东方红四号L型等卫星平台。展现的创新特点集中在两个方面：

一方面，新型高轨东方红五号卫星平台是我国自主开发的跨代发展平台。东方红五号平台创新设计理念，实现了智能化自主运行管理，有效提升卫星的好用、易用性；通过分舱模块化设计和数字化研制模式，大幅缩短研制周期，有效提高了设计生产效率。平台的桁架结构技术比传统的承力筒式结构承载能力更大、适应性更强。东方红五号平台采用更为高效的化学推进技术，有效提升推进剂利用效率。同时，平台采用了大推力、多模式的LIPS-300电推进系统，在卫星发射重量不变情况下提升承载能力，大幅提高使用效益。平台采用二维二次展开半刚性太阳翼、20千瓦大功率电源控制器、高比能量的锂离子蓄电池等关键技术，大幅提高卫星电源效率。东方红五号平台万瓦级高效散热技术依托可展开热辐射器和新型流体回路，有效提升了载荷舱容纳比和散热能力。

另一方面，东方红五号平台具有“高承载、大功率、高散热、长寿命、可扩展”等特点。基于东方红五号平台，我国研制的发射重量最重、技术含量最高的高轨卫星，卫星起飞重量可达8000～9000千克，载荷承载能力可达1500～1800千克；整星功率28千瓦以上，提供载荷功率达18千瓦；载荷舱的散热能力达9千瓦；设计寿命长达16年。其成功案列是：2019年12月27日，实践二十号卫星成功发射，卫星经历7次轨道机动后，在36000公里高度的地球同步轨道成功定点，标志着东方红五号卫星公用平台首飞成功，达到国际相同领域最高水平。

国际新型高轨公用卫星平台发展趋势

国际民用商用卫星市场竞争激烈。美国在国际市场上由2000年近70%的份额跌至2010年50%，相同时期，欧洲则在30%的份额中徘徊，包括俄罗斯与亚洲“新来者”同期奋起直追，由不到10%的份额提升了将近一倍，达到20%。发展新型高轨公用卫星平台成为争夺国际民商卫星市场的重要途径与手段。初步分析，国际新型高轨公用卫星平台发展趋势为：

一是卫星平台产品注重集成化、通用化设计。如LM2100缩减了56%部件种类，缩短了28%的交货周期，开发了280多个通用化部件，可用于不同规模卫星。

二是卫星平台注重面向AIT优化设计。如SpaceBus NEO平台针对并行测试，将通信舱分舱设计，分开总装和测试，实现缩短测试时间的目标。

▲ 中国高轨通信卫星平台型谱

三是卫星平台注重可扩展设计。如NEO平台发射重量可在3～6吨重量范围内扩展，LM2100平台发射重量可在2～7吨重量范围内扩展，适应多类运载，提升了平台对不同应用需求的适应能力。

四是卫星平台设计广泛采用高效电推进技术。如LM2100、NEOSAT、Small GEO等多类新型高轨通用平台都有全化、全电、混合推进三种配置，提升平台的承载能力。

五是卫星平台以高效低成本短周期为目标。先进的国际新型高轨公用卫星平台均采用基于全电推和模块化的平台产品，并配置基于全数字化的载荷产品，使得提供通用化高轨卫星产品变为可能的同时，成本降低30%，研制周期缩短。

▲ 基于SmallGEO平台的卫星展开示意图

国际新型高轨公用卫星平台发展的启示

未来10～20年，通信、遥感、空间科学探测、科学试验、在轨服务等多领域民用商用市场竞争日益激烈，这对高轨公用卫星平台提出了更高的新要求。适应这一要求，新时代的航天通信人和各级管理者，必须坚持创新文化，在以下几个方面寻求新的突破：

一是在对标超越国际先进平台上寻求突破。航天是一项竞争的事业，通信卫星平台必须不断实现超越。我们应该树立国际视野、拓展世界眼光、强化战略思维，时刻把卫星平台建设的目光瞄向同行业发展的最前沿。

二是在核心关键技术上寻求突破。新型高轨公用卫星平台需尽可能采用自主化、通用化、集成化、数字化、智能化新技术，全面提升表征平台先进性的技术指标，如载干比（载荷/干重）、热控干重比（热控、干重）、能源干重比（供配电/干重）、结构效率（结构/发射重量）、能力指数（单位发射重量实现的载荷综合能力）等。

三是在平台产品综合质量上寻求突破。我国东方红五号平台能力指数已进入国际第一梯队，但在高轨公用卫星平台产品层面仍显不足，如结构效率较低、热控和能源系统重量较重、单机集成度有提升空间、整星可靠性有待提高等。

四是在平台系统管理能力上寻求突破。面对市场竞争，在总体设计层面还需再度缩短研制周期、降低研制成本，优化研制模式，提高卫星产品灵活可重构、用户需求可定制的能力。

五是在系统整合节约拓展平台型谱种类上寻求突破。我国还需集约平台型谱种类，开发适应2～6吨卫星发射重量的新型高轨公用卫星平台，不断优化提升我国卫星平台先进能力。