电推进技术在全电推进卫星平台的应用研究

2015-02-27 孙小菁兰州空间技术物理研究所

　　全电推进卫星平台能够大幅度降低卫星平台的推进剂需求量，并带来包括减轻卫星发射重量、提高卫星有效载荷能力、延长卫星服役寿命等方面的经济效益。通过调研全电推进卫星平台的进展情况，梳理了全电推进卫星平台对电推进的任务需求，设计了全电推进系统方案及应用模式，经过分析计算，卫星发射重量在2 000 ～3 000 kg 之间，在半年之内完成卫星轨道转移，需要单台推力器推力达到200～300 mN，选择适当的轨道策略，全电推进系统是可以满足任务需求的。

　　引言

　　电推进相对于化学推进具有高比冲的突出优势，可大幅降低卫星推进剂携带量，从而提高卫星有效载荷比、延长在轨寿命和降低发射重量。美国波音公司研制了采用氙离子电推进代替化学推进将卫星从转移轨道推进到静止轨道位置，并完成位置保持等推进任务的全电推进卫星平台BSS-702SP，全电推进通信卫星消耗的推进剂仅为化学推进消耗推进剂的十分之一，原本发射质量为4 000 kg的卫星，发射质量将降低到2 000 kg以下，这将能够实现“一箭双星”发射，在不影响卫星通信能力和性能的前提下，发射费用减少5 000～6 000万美元。凭借显著的经济效益和社会效益，该平台成为目前世界上具有最高性价比和竞争力的通信卫星平台。世界各国纷纷将目光转向全电推进卫星平台，拟定全电推进卫星平台研制计划，以占据未来商用通信卫星市场。

　　文章介绍了全电推进卫星平台的进展情况析了全电推进卫星平台的任务需求，介绍了全电推进系统方案及应用模式，最后分析了全电推进平台对电推进的主要性能需求。

　　1、全电推进卫星平台进展情况

　　从国外高轨卫星平台电推进应用的发展历程来看，电推进系统在卫星上的应用经历了循序渐进、由易到难、逐步深入的过程，可以分为位置保持、位保+部分轨道转移、位保+轨道转移等三个阶段。第三个阶段完全应用电推进代替化学推进完成在轨推进任务，具有这种功能的平台称之为全电推进平台。目前，国际上已开发的全电推进卫星平台有BSS-702SP平台、ESA及德国OHB公司的Electra平台。波音公司在2010年之前就设计开发的中小型全电推进通信卫星平台BSS-702SP卫星平台，是世界上首个全电推进平台。BSS-702SP平台本体尺寸为1.8 m×1.9 m×3.5 m，发射重量不超过2 000 kg，氙气加注量可达400 kg，可承载500 kg 有效载荷(51路转发器)，3～8 kW有效载荷功率，卫星寿命15 年。BSS-702SP 平台采用四台XIPS-25 离子推力器，单台推力器推力最大可达到165 mN，比冲3 500 s，功率4.5 kW，变轨时需要两台离子推力器同时工作。BSS-702SP平台通过采用电推进技术大大减轻了卫星的发射质量，因此可采用一箭双星发射，从而大幅节省发射成本，该平台在不影响卫星通信能力和性能的前提下，发射费用减少了5 000～6 000 万美元。

　　目前，该卫星平台已订购了7 颗卫星。2012年3月，波音公司宣布获得亚洲广播卫星公司(ABS)和墨西哥卫星公司(Satmex)的4颗卫星研制合同。4颗卫星采取一箭双星发射，ABS-3A卫星和Satmex 7 卫星计划于2015 年初采用猎鹰9火箭一箭双星方式发射，目前已完成关键设计评审(CDR);ABS-2A卫星和Satmex 9卫星计划于2015年第四季度采用猎鹰9火箭一箭双星方式发射;另外，美国政府采购了3颗卫星。

　　2013年10月，ESA 及德国OHB 公司与全球第二大卫星运营商SES公司(卢森堡欧洲卫星公司)签订协议，联合开发欧洲第一个全电推卫星平台—Electra平台，首颗卫星将是一颗SES公司的卫星，计划在2018年发射。

　　Electra平台基于德国OHB公司正在研制中的SGEO(准同步地球轨道卫星)平台进行开发，SES公司负责Electra整个项目，瑞典OHB公司负责提供电推进系统。该平台可以满足起飞重量为2 000～3 000 kg的卫星应用需求，根据变轨策略的不同，轨道转移加速度在2.2～3.5 km之间，选择适当的变轨策略可以使变轨周期在半年之内。如图1所示，其初步考虑配置六台电推力器，其中两台用于变轨，另四台主要用于在轨位保等任务。目前计划选择的电推进系统包括T6离子电推进和PPS-5000霍尔电推进，其中前者基于ESA水星探测器的研制和应用，产品成熟度更高。

Electra平台卫星构型和推力器工作指向图