電推進技術在全電推進衛星平臺的應用研究

2015-02-27 孫小菁蘭州空間技術物理研究所

　　全電推進衛星平臺能夠大幅度降低衛星平臺的推進劑需求量，并帶來包括減輕衛星發射重量、提高衛星有效載荷能力、延長衛星服役壽命等方面的經濟效益。通過調研全電推進衛星平臺的進展情況，梳理了全電推進衛星平臺對電推進的任務需求，設計了全電推進系統方案及應用模式，經過分析計算，衛星發射重量在2 000 ～3 000 kg 之間，在半年之內完成衛星軌道轉移，需要單臺推力器推力達到200～300 mN，選擇適當的軌道策略，全電推進系統是可以滿足任務需求的。

　　引言

　　電推進相對于化學推進具有高比沖的突出優勢，可大幅降低衛星推進劑攜帶量，從而提高衛星有效載荷比、延長在軌壽命和降低發射重量。美國波音公司研制了采用氙離子電推進代替化學推進將衛星從轉移軌道推進到靜止軌道位置，并完成位置保持等推進任務的全電推進衛星平臺BSS-702SP，全電推進通信衛星消耗的推進劑僅為化學推進消耗推進劑的十分之一，原本發射質量為4 000 kg的衛星，發射質量將降低到2 000 kg以下，這將能夠實現“一箭雙星”發射，在不影響衛星通信能力和性能的前提下，發射費用減少5 000～6 000萬美元。憑借顯著的經濟效益和社會效益，該平臺成為目前世界上具有最高性價比和競爭力的通信衛星平臺。世界各國紛紛將目光轉向全電推進衛星平臺，擬定全電推進衛星平臺研制計劃，以占據未來商用通信衛星市場。

　　文章介紹了全電推進衛星平臺的進展情況析了全電推進衛星平臺的任務需求，介紹了全電推進系統方案及應用模式，最后分析了全電推進平臺對電推進的主要性能需求。

　　1、全電推進衛星平臺進展情況

　　從國外高軌衛星平臺電推進應用的發展歷程來看，電推進系統在衛星上的應用經歷了循序漸進、由易到難、逐步深入的過程，可以分為位置保持、位保+部分軌道轉移、位保+軌道轉移等三個階段。第三個階段完全應用電推進代替化學推進完成在軌推進任務，具有這種功能的平臺稱之為全電推進平臺。目前，國際上已開發的全電推進衛星平臺有BSS-702SP平臺、ESA及德國OHB公司的Electra平臺。波音公司在2010年之前就設計開發的中小型全電推進通信衛星平臺BSS-702SP衛星平臺，是世界上首個全電推進平臺。BSS-702SP平臺本體尺寸為1.8 m×1.9 m×3.5 m，發射重量不超過2 000 kg，氙氣加注量可達400 kg，可承載500 kg 有效載荷(51路轉發器)，3～8 kW有效載荷功率，衛星壽命15 年。BSS-702SP 平臺采用四臺XIPS-25 離子推力器，單臺推力器推力最大可達到165 mN，比沖3 500 s，功率4.5 kW，變軌時需要兩臺離子推力器同時工作。BSS-702SP平臺通過采用電推進技術大大減輕了衛星的發射質量，因此可采用一箭雙星發射，從而大幅節省發射成本，該平臺在不影響衛星通信能力和性能的前提下，發射費用減少了5 000～6 000 萬美元。

　　目前，該衛星平臺已訂購了7 顆衛星。2012年3月，波音公司宣布獲得亞洲廣播衛星公司(ABS)和墨西哥衛星公司(Satmex)的4顆衛星研制合同。4顆衛星采取一箭雙星發射，ABS-3A衛星和Satmex 7 衛星計劃于2015 年初采用獵鷹9火箭一箭雙星方式發射，目前已完成關鍵設計評審(CDR);ABS-2A衛星和Satmex 9衛星計劃于2015年第四季度采用獵鷹9火箭一箭雙星方式發射;另外，美國政府采購了3顆衛星。

　　2013年10月，ESA 及德國OHB 公司與全球第二大衛星運營商SES公司(盧森堡歐洲衛星公司)簽訂協議，聯合開發歐洲第一個全電推衛星平臺—Electra平臺，首顆衛星將是一顆SES公司的衛星，計劃在2018年發射。

　　Electra平臺基于德國OHB公司正在研制中的SGEO(準同步地球軌道衛星)平臺進行開發，SES公司負責Electra整個項目，瑞典OHB公司負責提供電推進系統。該平臺可以滿足起飛重量為2 000～3 000 kg的衛星應用需求，根據變軌策略的不同，軌道轉移加速度在2.2～3.5 km之間，選擇適當的變軌策略可以使變軌周期在半年之內。如圖1所示，其初步考慮配置六臺電推力器，其中兩臺用于變軌，另四臺主要用于在軌位保等任務。目前計劃選擇的電推進系統包括T6離子電推進和PPS-5000霍爾電推進，其中前者基于ESA水星探測器的研制和應用，產品成熟度更高。

Electra平臺衛星構型和推力器工作指向圖