国外新一代高轨通信卫星平台现状与分析

李正举 崔颖慧 蔡亚星 吕红剑 姚远 李凤簪 苏宏博

(中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部,北京 100094)

卫星平台是指在一定范围内,能够根据实际需求进行适应性变化或调整部分配置,从而支持多种有效载荷、满足多种任务要求的卫星平台,是卫星总体设计部门的核心产品。通信卫星的发展历史也是通信卫星平台的发展史,构建卫星平台型谱序列,实施平台发展战略,是国内外宇航企业提升卫星系统性能、抢占市场的重要措施。

近年来,得益于电推进、供配电、热控等平台技术的快速发展,国外高轨通信卫星主要制造商陆续完成新一代高轨全电推卫星平台的研发定型工作,并快速占领了国际高轨通信卫星市场的大部分份额,这些平台主要有Spacebus-NEO、Eurostar-NEO、Space Inspire、Onesat和BSS-702X等卫星平台[1-7],它们的共同特点有全电推进、承载能力高、集成化程度高、展开机构多和成本低,在设计理念、新技术应用、低成本等方面对我国高轨卫星平台发展有重要的借鉴意义。

2014年2月,在欧洲航天局和法国航天局的支持下,TAS公司(Thales Alenia Space)和ADS公司(Airbus Defence & Space)开始了Neosat平台C/D阶段的研制工作[7];除此之外,美国的洛马公司(Lockheed Martin)、劳拉公司(Space System Loral)、波音公司(Boeing)等航天企业也先后对其高轨通信卫星平台进行了升级换代工作。截至2023年7月,随着欧洲通信卫星-Konnect(Eutelsat-Konnect)、热鸟-13F(Hotbird-13F)、卫讯-3(Viasat-3)、丘比特-3(Jupiter-3)等卫星成功发射入轨,欧美新一代大型高轨通信卫星平台的升级换代基本完成。在高轨中型通信卫星平台领域,TAS公司、ADS公司和波音公司于2019年先后推出了Space Inspire平台、Onesat平台和BSS-702X平台。

本文通过梳理国外新一代高轨通信卫星平台的发展现状,分析国外高轨卫星平台在有效载荷承载力、电推力器、空间展开机构、热控、太阳翼等方面的发展趋势,为中国未来高轨卫星平台的发展提出建议。

1 国外高轨通信卫星平台发展现状

在全球高轨通信卫星市场上,洛马公司、劳拉公司、波音公司、诺格公司、ADS公司、TAS公司等几家航天企业占据了大部分市场份额,这几家公司的平台产品也代表了全球高轨卫星制造业的发展状况。图1所示为近五年在国际通信卫星市场上推出的新一代卫星平台。

图1 国外主要新一代卫星平台研发时间线Fig.1 R&D timeline of foreign new generation satellite platform

1.1 国外新一代大型GEO通信卫星平台现状

1)Eurostar-NEO和Spacebus-NEO平台

在欧洲航天局(ESA)的先进卫星通信系统研究(ARTES)项目支持下[1,6-7],ADS公司和TAS公司分别开发了欧洲新一代高轨通信卫星平台——Eurostar-NEO平台和Spacebus-NEO平台,接替原有的Eurostar-3000和Spacebus-4000系列平台。ESA为NEO平台提出的目标是相比Eurostar-3000和Spacebus-4000系列平台能力提升30%,在2018—2030年期间实现50%的市场占有率。图2和图3为Eurostar-NEO和Spacebus-NEO卫星示意图。

图2 Eurostar-NEO平台效果图Fig.2 Satellite drawing of Eurostar-NEO platform

图3 Spacebus-NEO平台SES-17卫星效果图Fig.3 SES-17 satellite drawing of Spacebus-NEO platform

SpaceBus-NEO平台与EuroStar-NEO平台总体技术指标基本接近,主要指标如下[6-8]:①发射质量3000～6000kg,可扩展至6500kg;②整星功率28kW;③有效载荷质量2000kg,可扩展至2500kg左右;④有效载荷功率约20kW;⑤推进系统配置4～5台PPS 5000霍尔推力器;⑥适应运载适应阿里安5号、猎鹰9号等多种运载火箭。

Spacebus-NEO平台典型全电推卫星为2021年10月24日发射的SES-17卫星,其发射质量为6411kg,整星功率28kW,是截至目前TAS公司制造的规模最大的一颗卫星[9-10]。Eurostar-NEO平台首发全电推卫星为2022年10月15日发射的Hotbird-13F卫星,其发射质量为4500kg,整星功率22kW,有效载荷质量超过2000kg[11]。

2)A2100/LM 2100平台

2016年以后,美国洛马公司将A2100系列平台升级为新一代LM2100平台[12-13],全新的LM2100平台相比以前的A2100系列平台有26项性能提升,其中最重要的创新就是采用柔性太阳翼、开发石墨桅杆展开系统和高效霍尔电推进系统,整星功率更大,质量更轻,包络空间更小。LM2100平台推进系统提供全电、全化学、混合推进3种方式,平台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,使卫星研制各阶段装配更加精准、周期更短、成本更低等。

基于LM2100平台的卫星发射质量2300～6500kg,整星功率20kW,载荷质量和功率为1000kg和12kW,配置4个XR-5(BPT-4000)霍尔推力器。LM2100平台首飞卫星为赫拉卫星-4(Hellassat-4)通信卫星,于2019年2月5日成功发射入轨,发射质量6495kg。A2100M/LM2100M是专用于军用卫星的平台,其增加了强抗干扰能力、高自主能力等,美军的先进极高频卫星(AEHF)、移动用户目标系统(MUOS)、天基红外系统(SBIRS)、GPS系统III(GPS 3)和下一代过顶红外预警系统(NG-OPIR-GEO)均采用A2100M/LM2100M平台研制。

3)其他大型高轨卫星平台

除了LM 2100平台、Eurostar-NEO和Spacebus-NEO平台以外,美国劳拉公司的SSL-1300和波音公司的BSS-702HP也进行了技术更新,承载能力得到大幅度提升。

2023年4月30日,Viasat-3卫星由重型猎鹰火箭发射成功,进入近地点高度34568km,远地点高度34642km的准GEO轨道。这颗卫星是BSS-702MP+平台首发星,发射质量6418kg,采用全电推进方式,卫星配置4台XIPS 25离子推力器。卫星每侧太阳翼配置8块电池板,整星功率达30kW,有效载荷功率20kW[14]。它是目前为止人类设计的通信容量规模最大的Ka频段高通量卫星,通信容量高达1Tbit/s,但其大天线在轨未能正常展开,主要性能未得到在轨验证[14-15]。

2023年7月29日,Jupiter-3(EchoStar 24)卫星由重型猎鹰火箭发射成功,进入近地点高度8001km,远地点高度35504km的GTO轨道。这颗卫星基于SSL-1300平台研制,卫星配置了4台SPT-100霍尔推力器。Jupiter-3卫星发射质量9200kg,干重5817kg,通信容量为500Gbit/s,是目前为止发射质量最大的一颗商业通信卫星[16]。

1.2 国外新一代中型高轨通信卫星平台现状

2019年以来,国外主要的通信卫星制造商相继推出了高度集成的中型在轨可重构通信卫星平台:TAS公司的Space Inspire平台、ADS公司的Onesat平台和波音公司的BSS-702X平台。这类平台卫星均为全电推进,收纳比高,可适应一箭三星发射,其有效载荷在轨可重构,可根据需要实时调整其覆盖范围、功率和带宽。在欧洲航天局ARTES项目支持下,OHB公司开发了SmallGEO平台,这是一款多用途GEO中型卫星平台,能广泛适应对地观测,常规通信和激光通信等各类用户需求[6]。这些中型通信卫星平台在全球范围内形成了航天器研制技术的新趋势。

1)Space Inspire平台

TAS公司于2019年9月推出Space Inspire平台,首飞卫星预计2025年发射[4,17]。Inspire平台为全电推卫星平台,采用离子推力器开展升轨和位保任务。卫星平台采用卷轴式柔性太阳翼、泵驱流体回路、展开式热辐射器和高性能中心化信息系统等多项先进技术,配置3台T6离子推力器,卫星结构紧凑,可采用一箭三星方式发射,Space Inspire平台一箭三星发射状态如图4所示。Inspire平台卫星典型技术指标为:发射质量约3800kg,有效载荷约850kg,有效载荷功率最大15kW。

图4 Space Inspire平台一箭三星发射收拢图Fig.4 Launch state of three Space Inspire satellites together

2)Onesat平台

ADS公司于2019年推出Onesat平台,Onesat平台采用了全新的设计概念,该平台基于一种标准化、模块化的设计方法,研制成本和研制周期均可节省50%[5,18]。Onesat平台为全电推卫星平台,配置4台RIT 2X离子推力器,大量采用可展开结构,太阳翼为桅杆展开式柔性太阳翼,可采用一箭三星方式发射。卫星展开状态如图5所示。Onesat平台卫星典型技术指标为:发射质量约3830kg,有效载荷约900kg,有效载荷功率最大15kW。

图5 Onesat平台卫星展开图Fig.5 Unfold state of Onesat satellite

3)BSS-702X平台

波音公司于2019年9月推出BSS-702X平台,该平台基于O3b mPower卫星(O3b mPower卫星是波音公司为SES生产的MEO星座高通量卫星)研制[3,19]。BSS-702X平台卫星展开状态如图6所示。该平台采用了一系列创新技术,比如综合数字处理、先进热控管理、先进制造技术以及优化的地面资源管理工具。卫星有效载荷采用了波音公司目前最先进的柔性在轨可重构的数字处理器。

图6 BSS-702X平台卫星展开图Fig.6 Unfold state of BSS-702X satellite

BSS-702X平台卫星典型技术指标为:发射质量约2300kg(干重约1900kg),有效载荷约900kg,有效载荷功率最大15kW,卫星配置4台XIPS 25离子推力器。3颗BSS 702X平台卫星可堆叠在一起以一箭三星方式发射。

4)SmallGEO平台

OHB系统公司的SmallGEO平台定位为3t级中型卫星,适用于商业项目、科学研究和政府需求,可应用P,S,C,X,Ku和Ka频段的有效载荷,包括移动和固定通信业务、军事通信业务以及高通量通信业务[6,20]。SmallGEO平台卫星如图7所示。

图7 基于SmallGEO平台研制的卫星Fig.7 Satellites of SmallGEO platform

SmallGEO平台包含化学推进、化电混合推进、全电推进3种子型,采用星敏感器为主要敏感器,并配置了GNSS系统。SmallGEO平台发射质量约3500kg,可扩展至3800kg。当发射质量3200kg时,化电混合推进和全电推进两种子型对应的有效载荷质量分别为450kg和800kg,有效载荷功率分别为4kW和10kW[20]。SmallGEO平台配置8台SPT-100霍尔推力器或会切场推力器(HEMPT)。

1.3 国外小型高轨通信卫星平台发展现状

2015年以来,国外涌现了多款小型高轨通信卫星平台,比较成功的平台为美国的Astranis平台。2018年3月,美国初创公司Astranis公司宣布推出小型低成本高轨通信卫星,采用数字化有效载荷,提供宽带互联网接入服务。2023年5月1日,首颗Astranis卫星搭载重型猎鹰运载火箭进入低于GEO轨道1000km的准GEO轨道,Astranis卫星发射质量约400kg,整星功率2kW,通信容量超过7.5Gbit/s,服务寿命8年[21]。Astrains卫星展开状态如图8所示。

图8 Astrains卫星展开图Fig.8 Unfold state of Astrains satellite

2 国外通信卫星平台发展特点分析

2.1 全电推卫星平台成为市场主力

2018年至2022年,国际通信卫星市场共有69个有效订单,其中全电推进卫星占比58.0%,混推卫星占比30.4%,全化推及其他卫星占比约11.6%,如表1所示[22]。可以看出,全电推卫星订单占比接近六成,已经成为国际通信卫星市场主力,而全化推通信卫星订单约占一成。

表1 近五年国际通信卫星市场有效订单占比表Table 1 Proportion of orders in international telecommunication satellite market in past five years

2018年至2022年,全电推卫星订单共40个,大型全电推卫星、中型全电推卫星、小型全电推卫星分别占全电推卫星的37.5%、55.0%和7.5%,如表2所示[22]。可以看出,中型全电推卫星占比超过一半。

表2 不同质量全电推进卫星占比表Table 2 Proportion of all electric propulsion satellites with different weights

图9为近五年国际通信卫星订单中各宇航公司市场占有率图。可以看出,得益于NEO平台、Space Inspire平台和Onesat平台等新一代平台的成功开发,欧洲两大通信卫星制造商ADS和TAS公司市场占有率达接近50%。

图9 各宇航公司市场占有率(2018—2023)Fig.9 Market share of aerospace companies (2018—2023)

2.2 平台承载能力大幅提升

欧洲上一代主力高轨通信卫星平台Eurostar-3000和Spacebus-4000,其载重比通常为18%～20%,载干比约为36%。基于Eurostar-NEO研制的Hotbird-13F卫星,发射质量4500kg,有效载荷质量大于2000kg,有效载荷功率约16kW,载重比为44.4%,载干比为56%;基于Spacebus-NEO研制的SES-17卫星,其发射质量为6411kg,整星功率28kW,预计其有效载荷约为2500～2800kg,载重比约为39%～43.6%,载干比约为50%～55%。可以看出,新一代大型卫星平台的有效载荷质量、有效载荷功率和载干比等指标均有大幅提升[7-11]。

2.3 广泛采用多模式电推力器

由2.1节可以看出,2018年至2022年之间的国际通信卫星订单中全电和混推卫星共61颗,占比约88.4%,这说明电推力器在GEO通信卫星领域得到了广泛应用。表3列出了目前主要GEO卫星平台使用的电推力器,表4为主要电推力器的重要性能指标,数据源自文献[23-27]。由表3和表4可以看出,发射质量超过4000kg的卫星一般采用多模式霍尔推力器,变轨任务选用大功率大推力模式,在轨位置保持任务选用小功率小推力模式。

表3 用于GEO卫星平台的主要电推力器Table 3 Electric propulsion thrusters for GEO satellite platforms

表4 各电推力器的主要性能指标Table 4 Main specifications of some electric thrusters

2.4 广泛采用高收纳比空间展开机构

欧洲和美国卫星在电推力器、天线等方面广泛采用多自由度机械臂,实现卫星收拢状态的高收纳比,并提升电推和天线的在轨性能指标。空客公司针对天线和电推力器研制了多种空间展开机构[28],电推力器矢量调节机构最长达3.2m,可大幅提升卫星电推位保的几何效率,天线多自由度展开臂展开长度可达3.5m,可缓解天线在星体上布局的限制,并满足天线大范围指向调整的要求。Eurostar-NEO平台电推力器矢量调节机构如图10所示,Onesat平台天线展开机构如图11所示。Space Inspire平台电推矢量调节机构(TDTM)可兼容不同的离子推进器,臂长1.5m,小于25kg[29]。

图10 Eurostar-NEO 电推力器矢量调节机构Fig.10 Vector adjustment mechanism of Eurostar-NEO electric thruster

2.5 广泛应用高效热控系统

随着通信卫星规模和复杂性的不断增长以及有效载荷功率的不断提升,传统的热控技术已经不能完全满足热控需求。泵驱流体回路(单相、两相)和展开式热辐射器等新型高效热控技术不仅可以提升散热系统的功率密度和散热能力,还可提升卫星温度稳定性,进一步保证卫星各类单机在轨性能稳定。Spacebus-NEO、Eurostar-NEO平台、Space Inspire平台和Onesat平台均采用泵驱流体回路,并配置扩热板/展开式热辐射器,热控能力大幅增强[4-5,8,30-32]。Spacebus-NEO平台每副展开式热辐射器可以提供2kW的散热能力,该平台热控分系统散热能力可达7～20kW[30]。图12和图13分别为Spacebus-Neo平台的泵驱两相流体回路原理图[31]和欧洲ARTES大平台项目展开式热辐射器组成图[32]。洛马公司研发了可展开式东西板热辐射器,既方便卫星总装和测试又提升了平台散热能力[33]。

图12 Spacebus-Neo平台的泵驱两相流体回路Fig.12 2 MPL drawing of Spacebus-Neo

图13 ARTES大平台展开式热辐射器Fig.13 Deployable panel radiator of ARTES large platform

2.6 广泛采用轻质柔性高收比太阳翼

Eurostar-NEO平台采用二维二次展开的刚性+半刚性混合太阳电池阵技术,与传统刚性太阳翼相比,这种混合太阳翼功率质量比提升44%,功率体积比提升72%,可为卫星提供最大30kW的功率需求[34]。Space Inspire平台采用了劳拉公司的卫星采用了卷绕式柔性太阳翼(ROSA),ROSA的质量和体积与传统刚性太阳翼相比有较大幅度降低,对于15kW太阳翼来说,ROSA质量降低30%,体积缩减75%[35]。

2.7 卫星研制成本大幅降低

中型通信卫星平台Space Inspire、Onesat和BSS-702X平台的结构形式均采用了扁平式,结构紧凑,充分利用火箭运载能力和整流罩空间,适应一箭多星发射,可有效降低单星发射成本,大幅提升市场竞争力[3-5]。另外,与原有同等能力的卫星平台相比,Onesat平台的研制周期和研制成本缩减50%[5]。

TAS公司在低轨星座第二代铱星(Iridium Next)研制中积累了大量的商用现货(COTS)成功应用经验,其在研制高轨卫星平台Space Inspire平台时,在蓄电池和综合电子多个单机上使用了经过鉴定的COTS器件,并在星载计算机中应用了COTS芯片,以较小的成本获得了20～40倍的性能提升[36]。

3 我国高轨通信卫星平台发展建议

我国航天采用型谱化理念发展了东方红系列高轨通信卫星平台。目前我国主力高轨通信卫星平台主要有DFH-3E平台、DFH-4E系列平台和DFH-5平台[37]。结合国外高轨通信卫星平台的发展趋势,根据我国高轨卫星未来发展需求,对我国高轨通信卫星平台的发展建议如下。

(1)在现有平台成功研制的基础上,开发中大型全电推卫星平台,进一步提升我国高轨通信卫星平台承载能力。

(2)加强轻质高收纳比大功率太阳翼技术、高效热控技术和大推力霍尔电推力器技术的研究和验证工作,推动我国高轨通信卫星平台技术的升级换代。

(3)深入开展高轨通信卫星平台技术经济一体化研究工作,优化系统性能与平台成本,进一步提升我国高轨通信卫星的市场竞争力。

4 结束语

国外通信卫星平台呈现全电推进、高承载比、大量应用展开机构和高效费比等发展趋势,近年来新一代全电推大型和中型卫星平台陆续首飞成功,并抢占了大量的市场份额,以Eurostar-NEO和Spacebus-NEO为典型代表的欧洲通信卫星平台,通过创新技术、流程优化、货架模式,以降低成本、缩短生产周期,使其整体竞争力与欧洲原有平台相比提升30%;以SSL-1300(全电)和BSS-702MP+(全电)为典型代表的美国通信卫星平台,通过平台和有效载荷技术能力升级,平台承载能力和卫星通信能力大幅提升。

结合国外高轨卫星平台的发展趋势,根据当前中国高轨通信卫星发展现状和未来需求,建议我国尽快开发中大型全电推卫星平台,加强轻质高收纳比大功率太阳翼技术、高效热控技术和大推力霍尔电推力器技术的研究和在轨验证工作,提升我国高轨通信卫星承载能力,持续实现我国通信卫星高质量发展。