全电推进GEO卫星平台发展研究

周志成高军

（1中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）（2国家国防科技工业局，北京 100048）

全电推进GEO卫星平台发展研究

周志成1高军2

（1中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）（2国家国防科技工业局，北京 100048）

介绍了国外电推进系统在地球静止轨道（GEO）卫星上的应用阶段，以及包括波音卫星系统-702SP（BSS-702SP）在内的主要全电推进卫星平台；总结了全电推进卫星平台在商业市场竞争、平台技术创新、中型通信卫星市场需求方面的发展动因；提炼了全电推进卫星平台涉及的大推力、高比冲、双模式电推进系统，以及全轨道、小推力、自主变轨和位置保持等关键技术；提出了我国全电推进卫星平台开发的目标及发展途径。

通信卫星平台；全电推进系统；小推力变轨

1 引言

美国波音卫星系统公司研制的全电推进地球静止轨道（GEO）卫星亚洲广播卫星-3A（ABS-3A）和欧洲通信卫星-115B（Eutelsat-115B），在2015年3月1日采用猎鹰-9火箭以“一箭双星”的方式成功发射。当前，国际上已订购的全电推进卫星有13颗，包括波音卫星系统公司的8颗，欧洲空中客车公司的3颗，俄德合资卫星制造商Dauria建造的2颗。此外，美国轨道科学公司、洛马商业空间系统公司和劳拉空间系统公司，以及德国OHB公司等，也在开展全电推进卫星平台的开发。我国也开始了全电推进卫星平台的关键技术研究及平台开发工作。全电推进卫星平台主要指GEO卫星平台，采用高比冲的电推进系统（如离子电推进或霍尔电推进等），实现星箭分离后的卫星转移轨道变轨、卫星入轨后的轨道位置保持、动量轮卸载及离轨等任务，可取消复杂的双组元统一化学推进系统。

全电推进GEO卫星平台的最大优点是:可大幅缩减推进剂携带量，在承载同等有效载荷质量的情况下能使卫星发射质量降低约50%，使推进剂与卫星干质量比从约1.5降至约0.3，从而实现“一箭双星”发射，有效降低综合研制费用，显著提升卫星平台的市场竞争力［1］。其主要缺点是:由于变轨推力微小，需要较长的变轨时间，如全电推进GEO卫星平台需要3～8个月的变轨时间，才能从地球同步转移轨道（GTO）进入GEO，相对推迟了卫星的运营服务时间。

本文分析了国外全电推进卫星平台的发展情况和发展动因，提炼了我国全电推进卫星平台开发需要解决的关键技术，最后提出了我国全电推进卫星平台开发的目标及发展途径建议。

2 国外全电推进卫星平台发展分析

2.1 电推进系统的应用阶段

电推进系统的应用，主要在于节省卫星的推进剂携带量，从而有效降低卫星发射质量或提升有效载荷承载能力。以某在轨工作寿命15年的GEO卫星为例，卫星在西昌发射场发射，其轨道转移、南北及东西位置保持、姿态控制等任务的速度增量需求如图1所示，可见，电推进系统用于轨道转移带来的效益最大，其次是南北位置保持。

图1 GEO卫星各阶段任务的速度增量需求Fig.1 Velocity increment requirements of each flight phase of GEO satellite

电推进系统在GEO卫星上的应用经历了循序渐进、由易到难、逐步深入的过程，先用于轨道位置保持，再扩展到变轨。

（1）电推进系统用于卫星轨道位置保持。从1995年开始，俄罗斯的MSS-2500-GSO卫星平台就配置了霍尔电推进系统，用于卫星在轨位置保持。当前，国际上主流的GEO通信卫星平台均配置电推进系统进行南北位置保持，如波音卫星系统公司的BSS-702平台，洛马商业空间系统公司的A2100平台，劳拉空间系统公司的LS-1300平台，泰雷兹-阿莱尼亚空间公司的空间客车-4000（Spacebus-4000）平台，阿斯特里姆（Astrium）公司的欧洲星-3000（EuroStar-3000）平台，此外还有ESA的“阿特米斯”（Artemis）卫星，俄罗斯的“快讯”（Express）通信卫星等。对于干质量2100 kg、工作寿命15年的通信卫星，采用电推进实现南北位置保持后，有效载荷承载质量可增加约300 kg。

（2）从轨道位置保持进一步扩展到轨道转移和动量轮卸载等任务。在此阶段，根据卫星的规模，有不同的应用方式:①对于大型GEO卫星（发射质量超过5000 kg），受电推力器推力的限制，先用远地点化学发动机变轨到中间转移轨道，再用电推力器完成变轨，以有效缩减推进剂携带量，从而突破卫星的有效载荷承载能力瓶颈，满足大容量有效载荷的装载需求。例如，基于A2100M平台的“先进极高频”（AEHF）卫星［2］，采用电推进系统进行部分变轨和南北位置保持后，有效载荷承载能力提升约700 kg，但变轨时间延长为100 d。②对于小型GEO卫星（发射质量一般小于2500 kg），采用电推进系统实现全过程变轨、轨道位置保持和动量轮卸载、离轨等任务，即“全电推进卫星”。

2.2 主要卫星平台

限于电推力器的推力水平和卫星姿态轨道控制要求，目前国际上主要针对GEO通信卫星市场需求提出了全电推进卫星平台，取消了化学推进系统。美国和欧洲提出的GEO在轨服务卫星，也采用全电推进系统进行全过程变轨、轨道位置保持和轨道机动等任务。

1）BSS-702SP卫星平台

2012年3月，波音卫星系统公司宣布正在开发中小型全电推进通信卫星平台——BSS-702SP平台［3］，并已获得亚洲广播卫星（ABS）公司和欧洲通信卫星（Eutelsat）公司等多颗卫星的研制合同。这两家公司的4颗卫星均选用猎鹰-9火箭采用“一箭双星”方式发射。

BSS-702SP平台本体尺寸为1.8 m×1.9 m× 3.5 m；发射质量不超过2000 kg，氙气加注量可达400 kg；可承载500 kg有效载荷（51路转发器），有效载荷功率为3～8 kW；卫星工作寿命15年。该平台采用4台XIPS-25氙离子推力器，单台推力为165 mN，比冲为3500 s，功率为4.5 k W，变轨时需要2台离子推力器同时工作。

BSS-702SP平台在充分继承BSS-702HP平台成熟技术的基础上（如超三结砷化镓太阳电池阵、锂离子蓄电池、零动量三轴控制技术），还采用了创新技术，如采用新一代综合电子系统构架，简化数据管理并增强卫星健康管理能力。

2）OHB公司全电推进卫星平台

2013年10月，ESA及德国OHB公司与全球第二大卫星运营商SES公司签订协议，联合开发全电推进卫星平台——Electra平台，其首颗卫星是一颗SES公司的卫星，计划在2018年发射。Electra平台基于德国OHB公司的SGEO（Small GEO，2009年首发）［4］平台开发，发射质量为2～3 t，有效载荷质量为700 kg，有效载荷功率为8 k W，可替代现有的5 t发射质量的欧洲中型卫星平台。

3）其他全电推进卫星平台

2013年9月，洛马商业空间系统公司宣布正在升级改造A2100平台，其中一项重点内容就是进行全电推进卫星平台改造，以支持“一箭双星”发射，能采用更大推力的电推力器使卫星入轨时间比其他全电推进卫星缩减一半。另外，轨道科学公司计划投资2500万美元完成平台升级任务，并开展星-3（Star-3）平台的全电推进设计。阿斯特里姆公司、劳拉空间系统公司等也宣布已开展全电推进通信卫星平台的开发。

由于全电推进GEO卫星平台为轻小型平台，具有发射成本低、构型配置灵活、有效载荷适应性强、能在轨长期自主运行等特点，因此国外论证的GEO在轨服务项目多采用电推进系统来实现GTO变轨和轨道位置保持，如欧洲的“轨道延寿飞行器”（Orbit Life Extension Vehicle，OLEV）、美国VIVISAT公司的“任务扩展飞行器”（Mission Extension Vehicle，MEV）等，从而降低发射质量，或可实现“一箭双星”发射。GEO在轨服务卫星一般另配备1套简单的化学或冷气推进系统，用于快速轨道机动及姿态控制。

2.3 发展动因

全电推进卫星的快速发展，主要源于卫星市场竞争和卫星技术创新的驱动。

（1）全电推进卫星平台首先来源于商业通信卫星市场的全系统低成本要求。采用电推进替代化学推进完成变轨和位置保持任务，是当前大幅降低高轨通信卫星发射质量或显著提升卫星有效载荷承载能力、降低卫星研制费用的最有效途径。波音卫星系统公司BSS-702SP平台直接迎合了运营商的低成本要求，是在ABS和Satmex通信卫星竞标中正式确定开发的。另一方面，采用“一箭双星”发射可降低发射成本，如BSS-702SP平台卫星采用猎鹰-9火箭“一箭双星”发射，费用仅约6500万美元，低于阿里安-5火箭（约1亿美元）和质子号火箭（约8000万美元），从而可大大降低项目的综合运营成本。以基于BSS-702SP平台的ABS-3A卫星为例，卫星装载51路C、Ku频段转发器，单星价格约为1亿美元，发射费用约为3250万美元，每路转发器价格仅为300万美元，远低于目前国际市场上每路转发器500万美元的平均价格，竞争优势非常显著。

（2）全电推进卫星平台开发将促进卫星平台的重大技术进步。目前，各卫星研制公司都在寻求卫星平台技术的突破和升级改造，而全电推进卫星平台将引发卫星系列技术的创新，促进卫星平台的升级改造，能显著提升卫星平台的综合能力，符合卫星平台的创新发展要求。

（3）全电推进卫星平台符合拓展中型商业通信卫星市场的需求。当前，国外研制的电推力器推力一般不超过300 m N、功率达到5000 W，需要2台推力器同时工作进行轨道提升。因此，受电推力器推力和功率要求的限制，全电推进卫星平台主要适用于中小型通信卫星（发射质量1500～2500 kg，有效载荷质量300～600 kg，有效载荷功率3～8 k W，装载20～50路转发器），既可用于新兴市场的探索性开拓，也可用于接替在轨中型卫星，受到中小型通信卫星运营商的青睐。据统计，2015—2022年，国际上质量4200 kg以下中小型通信卫星的市场需求将占到41%，如表1所示。

表1 国际通信卫星发射情况预测Table 1 Telecommunication satellite launch forecast

3 我国全电推进卫星平台发展方向分析

3.1 全电推进卫星平台发展目标

1）全电推进卫星平台的研制基础

我国已完成了LIPS-200氙离子电推力器（推力40 m N）和HET-40霍尔电推力器（推力40 m N）的工程研制，并实现了在轨飞行验证［5-7］，已开展推力200 m N左右的大功率离子电推力器和霍尔电推力器的攻关研制［8］；同时，已开展电推进通信卫星平台的开发［9］。

2）电推进系统发展目标

卫星电推进系统的主要指标有比冲Isp、推力F、功率P和效率η等参数，其关系如下:F·Isp=2ηP。可见，电推进的推力与功率成正比，与比冲成反比。此外，变轨时间是全电推进卫星的重要指标，其与卫星推力具有密切的关系。以起飞质量为2000 kg的全电推进卫星为例，对于轨道倾角28°、近地点高度200 km、远点地高度42 000 km的GTO，如果将变轨周期控制在6个月以内，要求电推进变轨点推力大于350 m N。

电推进性能指标及技术成熟度是影响其应用的首要因素，空间电源供电水平是影响电推进应用的第二个因素。综合考虑各种因素，建议全电推进卫星平台所用电推力器定位于:适应高轨卫星GTO变轨和GEO位置保持、离轨等任务要求，开发高功率、双模式、高比冲电推力器，即推力（80～300 mN）、功率（2～5 k W）、比冲（1600～4000 s）可调的双模式电推力器，其工作寿命为10 000～20 000 h。

3）全电推进卫星平台开发目标

将全电推进卫星平台作为技术跨越性平台，开展创新性开发，打造技术先进、综合性能指标高、承载比高、可灵活柔性配置的高轨卫星平台。全电推进卫星平台基本型的主要指标为:卫星发射质量为2000～2500 kg，整星功率为15～17 k W，有效载荷质量为500～700 kg，有效载荷功率为6～9 k W，寿命为16年。全电推进卫星平台扩展型的主要指标为:卫星发射质量为2500～3500 kg，整星功率为17～22 k W，有效载荷质量为700～1200 kg，有效载荷功率为9～14 k W，工作寿命为16年。

全电推进卫星平台主要支撑我国商业通信卫星研制，有效提升国内外通信卫星市场的竞争力；同时还可用于民用、军用GEO通信卫星研制，提升卫星的综合性能。此外，通过柔性配置，可扩展为全电推进遥感卫星平台，支持高轨遥感卫星研制。全电推进卫星平台适用于长征-3B火箭“一箭双星”自身入轨发射、长征-3C火箭“一箭单星”自身入轨发射。

3.2 需要解决的关键问题

1）大推力、高比冲、长寿命、高可靠及双模式电推进技术

全电推进卫星变轨过程需要2台推力200 m N以上、比冲1800 s以上的推力器同时工作，以尽量短的时间和尽量少的推进剂进入GEO；卫星入轨后，有效载荷开机，使得电推进系统功率受限，位置保持需要电推力器以小功率（不超过3000 W）、高比冲模式进行工作。因此，要求电推力器具备大功率和小功率两种工作模式。当前国内已鉴定的推力器只有单模式40 m N和80 m N推力，要加紧开展更大推力的双模式电推力器研制。同时，全电推进卫星的变轨和南北位置保持工作时间长，且没有化学推力器作为备份，要求电推进系统必须具备长寿命（大于10 000 h）和高可靠性。

对于电推力器，要突破高效电离放电室设计、高性能磁聚焦、长寿命空心阴极等多项关键技术；对于电源处理系统，要实现大功率高效率多模式电源、高压切换继电器等技术；对于推进剂贮供系统，须突破高精度大调节比电磁阀、高压电子减压阀等技术。此外，还要完成电推进系统优化设计、推力器配置布局及使用方案优化设计等；作为变轨和位置保持共用的电推力器，须完成具备大角度调节能力的矢量调节机构设计及验证。

电推力器羽流会对卫星产生力、热、刻蚀、污染和电磁兼容等多种影响，须通过充分的羽流试验，并结合仿真系统开发，完成对羽流场和羽流效应的精确建模，实现对羽流影响的全面正确评估。

2）长周期、全轨道、小推力自主变轨及位置保持控制技术

全电推进转移轨道变轨本质上是一个长周期小推力变轨问题。在小推力变轨过程中，卫星运行受到大气阻力、地球扁率、光压、日月引力等摄动影响，并与火箭入轨参数、卫星质量、变轨推力等密切相关，卫星运行圈数多，最优变轨策略难以确定［10］。选取合理的优化目标、约束条件和优化变量，采用有效的优化方法，考虑姿态控制及太阳翼指向控制等问题，开展变轨策略优化设计，是全电推进卫星任务设计的一大难点。

按照轨道优化理论，并考虑各类工程约束，变轨过程要分阶段进行:第一阶段，为减小大气阻力影响，在轨道平面内尽快抬高轨道近地点；第二阶段，进一步抬高轨道高度，同时减小轨道倾角；第三阶段，在进一步减小轨道倾角的同时，调整轨道偏心率。变轨过程如图2所示。

图2 全电推进卫星变轨过程Fig.2 Orbit maneuver process of all-electric propulsion satellite

卫星小推力变轨过程中，为缩短变轨时间，几乎全部轨道都在点火变轨，地面测控站难以全部覆盖，要求卫星必须具备自主测定轨、自主变轨计算、自主姿态调整和自主生存能力，因此必须突破卫星在转移轨道段复杂姿态情况下的自主导航技术和自主健康管理技术等。

卫星在轨运行过程中，由于推力小，电推进系统几乎每天都处于位置保持工作状态，全电推进卫星的位置保持策略设计具有自身的特点和难点；而且，为提高位置保持效率和电推进配置的工程实现性，南北位置保持和东西位置保持需要联合控制，并在位置保持过程中同时实现动量轮的卸载，这就涉及位置保持及角动量卸载联合控制的设计问题。如果卫星南北两侧各安装2台电推力器（见图3），在正常模式下每天进行2次南北位置保持（升、降交点各1次），兼顾东西位置保持和动量轮卸载，见图4。卫星在运行至升交点附近时，北侧1台电推力器（WN或EN）点火，位于北侧的2台推力器可以根据需要依次进行点火；卫星在运行至降交点附近时，南侧1台电推力器（WS或ES）点火，位于南侧的2台推力器可以根据需要依次进行点火。当同侧2台推力器中的1台损坏时，用其他正常推力器可以完成南北位置保持，但推力器点火对偏心率的影响不会在升、降交点中消除，这时须采取故障点火模式，以实现全轨道控制。

图3 电推力器布局示意Fig.3 Electric thruster layout configuration

图4 正常模式下位置保持点火策略Fig.4 Position keeping ignition strategy in normal model

3）适于“一箭双星”发射的卫星构型结构设计技术

为提高经济性，全电推进卫星主要考虑“一箭双星”发射。国内外常用的“一箭双星”发射方式主要有外支撑、内支撑和卫星自串联3种，为提高对现有运载火箭的适应性，最大程度利用火箭运载能力，全电推进卫星更适于“一箭双星”自串联发射，BSS-702SP平台即采用这种形式。因此，根据全电推进卫星平台特点及“一箭双星”自串联发射约束，须完成具备高承载效率、柔性可配置的新型卫星构型设计、新型卫星主承力结构优化设计、双星自身串联接口设计、星箭接口优化设计和试验验证方案设计等。

4）高效电源和高效热控技术

全电推进卫星的电推进系统功率需求较大，在变轨过程中约为10 k W，这对太阳电池阵提出了较高要求。另外，在长时间变轨过程中，卫星会反复穿越地球辐射带，太阳电池阵的辐射总剂量会有所增加，导致太阳电池阵的衰退率增大。经分析，当玻璃盖片厚度为0.12 mm时，三结砷化镓太阳电池的辐射衰降因子约为80%。因此，必须研究采用更高效的太阳电池（如超三结或四结砷化镓太阳电池等），并适当增加玻璃盖片厚度，以提高太阳电池阵的输出效率。

在全电推进卫星热控技术上，由于卫星在变轨过程中有效载荷不开机，加热功率需求较大，因此须研究智能热控措施，以有效降低转移轨道段的加热功率；同时，全电推进卫星一般为中小型卫星，本体尺寸较小，在有效载荷开机后，自身散热面积有限，因此必须研究采用新型、高效、智能的散热措施。

5）星箭全系统优化设计技术

全电推进卫星的综合效益体现在星箭匹配优化设计上。全电推进卫星的最大优势在于发射质量缩减一半，可采用“一箭双星”发射或采用小型运载火箭进行单星发射。为充分发挥我国全电推进卫星平台的应用效益，必须基于已有或在研的运载火箭开展适用“一箭双星”发射整流罩的开发。卫星的长周期、小推力变轨策略分析结果表明，星箭分离点的远地点高度对全电推进卫星的变轨时间影响较大，因此须开展星箭分离点参数的优化设计，以取得最佳效益。

4 结束语

全电推进卫星平台是较大限度提升卫星荷载比、充分发挥卫星平台承载能力、提升卫星平台综合性能的有效途径，可显著提升通信卫星的国际市场竞争力，符合先进卫星平台创新的迫切性要求。结合我国GEO卫星发展对电推进技术的需求，并考虑电推力器的研制进展，借鉴美国波音卫星系统公司和德国OHB公司的全电推进卫星平台发展模式，制定我国电推进卫星平台发展路线，全面提升卫星平台能力和国际市场竞争力。

（1）以市场需求为牵引，在完成现有电推进卫星平台（采用电推进系统完成在轨位置保持）研制的基础上［9］，同步开展全电推进卫星平台研制，同时牵引多模式、高功率电推力器发展，促进电推力器的技术成熟及进一步推广应用。

（2）在科研技术攻关方面，须进一步聚焦关键技术，集合优势力量，加大投入，突破长周期、小推力自主变轨控制、电推进在轨位置保持控制等关键技术，开展支持双模式、百毫牛级电推力器的攻关研制和验证。

（3）在能力建设方面，积极推进电推力器型谱化等基础能力建设；同时，市场开拓与卫星平台开发同步开展，并加强国际对标，提高市场竞争力。

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（编辑：夏光）

Development Approach to All-electric Propulsion GEO Satellite Platform

ZHOU Zhicheng1GAO Jun2
（1 Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）
（2 State Administration of Science，Technology and Industry for National Defence，Beijing 100048，China）

The development stage of electric propulsion system and the main all-electric propulsion GEO satellite platforms including BSS-702SP are introduced.The development motivations of allelectric propulsion satellite platform are summarized including the commercial market competition，platform technical innovation，and market demand for medium-sized telecommunication satellites.The key technologies of all-electric propulsion satellite platform are refined such as high thrust，high impulse，dual mode electric propulsion system，the whole orbit and low-thrust autonomous orbit maneuver，and position keeping.Finally，the paper proposes the development target and the approach of China's all-electric propulsion platform.

telecommunication satellite platform；all-electric propulsion system；low-thrust orbit maneuver

V423.4

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.02.001

2015-01-14；

2015-03-10

周志成，男，研究员，研究方向为航天器总体技术。Email：zhouzhicheng@cast.cn。