全电推进卫星全球首发：六大关注点

刘悦（北京空间科技信息研究所）

2015年3月3日，美国太空探索公司（SpaceX）的猎鹰－9(Falcon－9)火箭携带美国波音公司（Boeing）研制的两颗全电推进卫星（All-electric propulsion satellite）—亚洲广播卫星－3A（ABS－3A）卫星和“欧洲通信卫星115西B”（Eutelsat 115 West B）卫星升空。全电推进卫星的概念由波音公司于2012年最早提出，波音公司的BSS－702SP全电推进平台一经推出即获得了4颗卫星订单，采用波音公司的专利技术以一箭双星的方式发射，从而引领了全球全电推进卫星的发展浪潮。此次发射的亚洲广播卫星－3A卫星和“欧洲通信卫星115西B”卫星是这4颗卫星的前两颗卫星，也是世界第一批上天的全电推进卫星。

所谓全电推进卫星是指地球静止轨道（GEO）卫星在星箭分离后使用电推进取代化学推进完成轨道转移任务进入工作轨道，且入轨后的位置保持任务完全由电推进执行。因此，全电推进卫星能够节省大量的燃料，提高卫星平台的有效载荷比或降低发射成本，具有巨大的实用和商业价值。然而，在看到优势的同时，卫星运营商也认识到只依靠原本作为备份的电推进系统完成所有的轨道机动，有可能带来巨大的风险，因此，美国波音公司这次发射的成败与否，将在一定程度上决定未来全电推进卫星发展的前景。星箭分离后，由于轨道转移时间较长，有不少问题需关注。

看点1：恶劣的空间环境是否会对全电推进卫星造成影响？

地球的外层空间位于700～10000km高度有2条高能质子辐射带，即范·艾伦辐射带。全电推进卫星在长达数月的变轨时间内，长期处于并频繁穿越高能质子辐射带，对卫星抗辐射能力提出了很高的要求。2010年，美国成功挽救了先进极高频－1（AEHF－1）卫星，依靠电推进系统在经历了长达14个月的轨道转移之后，最终成功将卫星送入预定轨道，并且仍能保证14年的工作寿命，或许跟该卫星是一颗军用的、高防护、抗核加固的卫星有关。而此次发射的是一颗普通的商用卫星，是否还能够顺利穿越高能辐射带，星上的电子设备是否会出现故障？值得我们重点关注。

看点2：全电推进卫星到底需要多长时间才能入轨？

传统的静止轨道卫星依靠远地点发动机完成轨道转移任务，一般仅需花费2～3周即可到达预定轨位，然而，按照现有电推进系统的能力，全电推进卫星至少需要6个月才能进入地球静止轨道。对于运营商来说，全电推进卫星的有效载荷在轨道转移过程中不能开机，卫星的“空转”时间比化学推进卫星增加了几个月，这段时间无法盈利，相当于增加了运营商的投入成本。对于提供在轨交付的制造商来说，这几个月也会算作卫星交付周期之内，增加了市场竞争的不利因素。因此，卫星到底多长时间能够进入最后轨道，成为跟运营商和制造商经济收入密切相关的重要因素。

看点3：全电推进卫星轨道转移过程中地面控制如何进行？

比起化学推进卫星，电推进卫星由于推力较小，推力器的点火次数显著增加，点火时间大幅延长，这期间需要很多技术人员全程参与。在全电推进卫星的变轨过程中，要不断修正变轨策略，星地间数据交换频繁，有可能带来人工运行管理风险。有消息称，波音公司的BSS－702SP平台卫星加强了自主运行管理设计，开发了高自动化的点火规划运行系统，使得全电推进卫星的地面运行管理的工作量达到之前化学推进卫星xiang相接近。但该系统应用的效果如何，是否会导致卫星出现在轨故障，值得重点分析。

看点4：全电推进卫星的电源系统设计如何？

传统卫星的电源系统一般由有效载荷决定。然而，全电推进卫星在轨道转移过程中，不再使用传统的推进系统，而主要用电推进完成轨道提升，需要更多功率，会耗费更多电力，甚至于与有效载荷整个周期内消耗的最多功率相当，因而同有效载荷系统一样，电推进系统也成为电源设计的重要考虑因素。此外，还需要考虑推力器连续点火导致的储能电池工作寿命和太阳电池翼尺寸问题，须预备额外2kW的功率余量。欧洲全电推进卫星方案显示，在卫星进行轨道提升时，计划两个电推力器同时开机，电推进系统的功率高达9.6kW；在卫星进行位置保持时，1个电推力器开机工作，分配给电推进子系统的功率仅需3.2kW。因此，此次波音公司全电推进卫星的电源系统的设计和性能如何，值得我们关注。

看点5：全电推进卫星“一箭双星”的发射过程如何？

整装测试中的ABS-3A卫星

全电推进卫星在现阶段的核心优势，在于卫星质量大幅降低，利用同样的运载火箭可以采用“一箭双星”发射方式，发射费用的大幅下降。据国外媒体计算显示，亚洲广播卫星－3A全电推进卫星的建造、发射和保险费用合计1.75亿～1.8亿美元，对比混合推进卫星的2.5亿～2.75亿美元少了接近1亿美元。因此，波音公司为这种两颗卫星堆叠发射技术申请了专利。相比起之前阿里安－5火箭和俄罗斯质子号火箭进行的“一箭双星”发射，最大的不同在于波音能够支持两颗完全相同的全电推进高功率卫星的发射，而通常上述欧俄两家火箭只能发射一大一小两颗卫星，并且不包括全电推进或是混合推进的卫星。波音公司的“一箭双星”发射是一种创新。

看点6：国外运营商对此次全电推进卫星发射做何评价？

对于卫星运营商来说，特别是用户基础较为薄弱的中小型卫星运营商，能够以近一半的价格采购同等能力的卫星，具有极大的吸引力。然而，只有寻找到与该运营商匹配的卫星才能享受到全电推进和“一箭双星”带来的商业价值，因此，卫星的匹配问题成了制约全电推进卫星订单的“瓶颈”，例如，2014年印尼卫星运营商PSN欲采购一颗全电推进卫星，整整花费了1年的时间都未能找到匹配的卫星，最终放弃。该公司称，虽然意识到全电推进带来的巨大优势，但还处于观望状态，等待多颗全电推进卫星成功发射。这也反映了国外运营商对于全电推进的普遍态度。