电推进技术在通信卫星领域工程化应用综述.pdf
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1、第 卷第期 年月航天器工程S P A C E C R A F TE N G I N E E R I N GV o l N o 电推进技术在通信卫星领域工程化应用综述田栋,温正魏鑫苏宏博(北京理工大学,北京 )(中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部,北京 )摘要结合主流离子和霍尔电推进技术特点,介绍其用于地球同步轨道(G E O)卫星和低地球轨道(L E O)卫星的不同优势.从空间任务定位、产品特点、不同轨道高度空间环境差异等角度,分析电推进技术发展在轨道转移、高精度推力矢量控制等方面的总体需求及应用特点.提出电推进技术在通信卫星领域工程化应用在指标、布局、卫星匹配性等方面的系统设计思路,以及
2、产品化、电磁兼容性设计、可靠性和长寿命验证等方面的发展建议,可为后续电推进产品研制提供参考.关键词通信卫星;电推进技术;任务剖面;匹配性设计中图分类号:V 文献标志码:AD O I:/j i s s n O v e r v i e wo fE n g i n e e r i n gA p p l i c a t i o no fE l e c t r i cP r o p u l s i o nT e c h n o l o g yf o rC o mm u n i c a t i o n sS a t e l l i t e sT I AND o n g,WE NZ h e n gWE IX
3、 i nS U H o n g b o(B e i j i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,B e i j i n g ,C h i n a)(I n s t i t u t eo fT e l e c o mm u n i c a t i o na n dN a v i g a t i o nS a t e l l i t e s,C h i n aA c a d e m yo fS p a c eT e c h n o l o g y,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do
4、 nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a i n s t r e a mi o na n dH a l le l e c t r i cp r o p u l s i o nt e c h n o l o g i e s,t h e i r d i f f e r e n t a d v a n t a g e s f o rG E O(g e o s y n c h r o n o u s e a r t ho r b i t)a n dL E O(l o we a r t ho r b i t)c o m m u n i c a t i o n
5、ss a t e l l i t e si sd e s c r i b e d T h eo v e r a l lr e q u i r e m e n t sa n da p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cp r o p u l s i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i nt e r m so fo r b i tt r a n s f e ra n dh i g h p r e c i s i o nt h r u s tv e c
6、 t o rc o n t r o la r ea n a l y z e df r o mt h ep e r s p e c t i v e so fs p a c em i s s i o n,p r o d u c tc h a r a c t e r i s t i c sa n ds p a c ee n v i r o n m e n td i f f e r e n c e sa td i f f e r e n to r b i t a l a l t i t u d e s T h e nt h es y s t e md e s i g ni d e a s f o r
7、t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no f e l e c t r i cp r o p u l s i o nt e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fc o mm u n i c a t i o n ss a t e l l i t e sa r ep r o p o s e d i nt e r m so f i n d i c a t o r s,l a y o u ta n ds a t e l l i t em a t c h i n g,a n do t h e ra s p e c t
8、 s,a sw e l l a st h ed e v e l o p m e n ts u g g e s t i o n sf o rp r o d u c t i z a t i o n,e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yd e s i g n,r e l i a b i l i t ya n d l o n g l i f ev e r i f i c a t i o na r eg i v e n,w h i c hc a np r o v i d e r e f e r e n c e s f o r t h
9、 es u b s e q u e n td e v e l o p m e n to f e l e c t r i cp r o p u l s i o np r o d u c t s K e yw o r d s:c o mm u n i c a t i o n s s a t e l l i t e;e l e c t r i cp r o p u l s i o n t e c h n o l o g y;m i s s i o np r o f i l e;m a t c h i n gd e s i g n收稿日期:;修回日期:作者简介:田栋,硕士,研究员,从事航天器总体技术研
10、究工作.通讯作者:温正,博士,研究员,从事航天器电推进总体技术研究工作.我国自从 年首次开展电推进空间飞行验证任务后,便开始加紧推动电推进技术的工程应用.年月,银河航天公司研制的低轨宽带通信卫星首次采用霍尔电推进系统实现在轨应用,卫星采用电推进技术执行入轨调整、大范围轨道转移、长期轨道保持及离轨等任务,电推进系统额定功率 W,额定推力 mN,系统采用模块化设计,具有集成度高、质量小、成本低等特点.年月,离子电推进系统实现首个地球同步轨道(G E O)高通量卫星的商业化应用,电推进系统用于执行卫星 年的南北位置保持任务,同时兼顾轨道机动的救援能力、轨道位置调整及卫星末期离轨任务.该电推进系统额定
11、功率 W,额定推力 mN,额定比冲 s,采用多冗余可调推力矢量设计方案,具有比冲高、运行寿命长、自主位置保持、自主故障检测及处理等特点.目前,越来越多的高低轨卫星采用电推进作为其主要的动力系统,标志着电推进已经进入到一个大规模工程应用阶段.电推进具有高比冲、高总冲优势,而且可以满足位置保持、轨道转移、大气阻力补偿等几乎所有空间动力需求.因此,配置电推进系统已经成为衡量通信卫星先进性的重要指标之一.卫星任务剖面的不同,以及卫星平台功率的差异,对电推进系统的推力、比冲等的需求是不同的.主流的霍尔电推进与离子电推进相比,具有推功比高、供电电压低、绝缘耐压设计及电路模块设计相对简单、整体系统结构相对简
12、单、系统质量较小、卫星布局相对灵活等特点,适用于全电推进卫星轨道机动及维持,以及轻量级低轨卫星星座轨道保持等任务.主流离子电推进具有推重比高、比冲高、寿命长、微推力精确调姿、效率高等特点,比较适用于具有长寿命要求的大承载比G E O卫星的姿态控制、轨道维持和轨道转移、位置保持等任务;对于提升卫星的承载能力及通信载荷精确指向控制等方面具有很好的优势,同样也适用于全电推进卫星及低轨卫星平台.目前,霍尔及离子电推进的技术发展型谱很广,能覆盖从百瓦至几十千瓦功率需求的通信卫星在轨应用.本文重点结合高低轨通信卫星任务特点,从卫星载荷对平台配置的需求、空间任务定位、离子和霍尔电推进技术产品特点、高低轨空间
13、环境差异等角度分析了电推进技术发展和应用重点应该考虑的设计要素.在此基础上,结合国内发展,提出有我国电推进规模化应用的发展建议.通信卫星的电推进应用特点按照轨道高度的不同,卫星可以分为:低地球轨道(L E O)卫星,轨道高度 k m;中地球轨道(ME O)卫星,轨道高度 k m;G E O卫星,轨道高度为 k m.导航卫星大都运行在ME O,运转周期在 h,导航卫星定点之后对位置保持和姿态精度的要求不高,对轨道维护的需求相对较小.虽然导航卫星上也有采用电推进执行轨道转移等任务的案例,但暂不在本文讨论范畴.本文重点分析运行在G E O和L E O的通信卫星任务需求.表统计了近几年电推进技术在相应
14、通信卫星平台上的典型应用情况.表电推进技术在通信卫星平台上的典型应用情况T a b l eT y p i c a l a p p l i c a t i o n so f e l e c t r i cp r o p u l s i o nt e c h n o l o g yo nc o mm u n i c a t i o n s s a t e l l i t ep l a t f o r m s卫星平台发射日期卫星名称卫星制造商电推进生产商发射质量/k g变轨推力/mN变轨时间/天B S S S P A B S AB o e i n gB o e i n g E u t e l s a
15、 t W e s tBB o e i n gB o e i n g A B S AB o e i n gB o e i n g约 E u t e l s a t W e s tBB o e i n gB o e i n g S E S B o e i n gB o e i n g S E S ,B o e i n gL o r a lS p a c e E u r o s t a r E O R E u t e l s a t BA D SF a k e l S E S A D SF a k e l S E S A D SF a k e l 约 T r k s a t AA D SF a k
16、e l T r k s a t BA D SF a k e l I n m a r s a t F B o e i n gF a k e l 约 I n m a r s a t F B o e i n gS a f r a n S S L E u t e l s a t CL o r a lS p a c eF a k e l S p a c e b u s N E O E u t e l s a tK o n n e c tT A SS a f r a n S y r a c u s e AT A SS a f r a n S p a c e b u s N E O S E S T A SS
17、 a f r a n S A T R I AT A SS a f r a n S p a c e b u s B S E S T A SL o r a lS p a c e 航天器工程 卷续表卫星平台发射日期卫星名称卫星制造商电推进生产商发射质量/k g变轨推力/mN变轨时间/天E x p r e s s N E x p r e s s I S S RF a k e l E x p r e s s I S S RF a k e l E x p r e s s AMU I S S RF a k e l E x p r e s s AMU I S S RF a k e l S G E O H e
18、i n r i c hH e r t zOH BF a k e l O n e W e b O n e W e b A D SF a k e l S t a r l i n k S t a r l i n k S p a c e XA p o l l oF u s i o n 注:B S S为波音卫星系统卫星平台,A B S为亚洲广播卫星,E u t e l s a t为欧洲通信卫星,S E S为欧洲卫星公司卫星,B o e i n g为波音公司,L o r a lS p a c e为劳拉空间公司;E u r o s t a r为欧洲星卫星平台,T r k s a t为土耳其卫星,I n m
19、a r s a t为国际海事卫星,A D S为空中客车防务航天公司,F a k e l为俄罗斯火炬局,S a f r a n为赛峰公司;S S L为劳拉空间卫星平台;S p a c e b u s为空间客车卫星平台,S y r a c u s e为锡拉库斯卫星,S A T R I A为印尼卫星,T A S为泰雷兹公司;E x p r e s s为快讯卫星平台,I S S R为卫星信息系统列舍特涅夫有限股份公司;S G E O为德国航天中心的通信卫星平台,H e i n r i c hH e r t z为海因里希赫磁卫星,OH B为奥托液压不莱梅空间技术集团;O n e W e b为一网卫星平台
20、;S t a r l i n k为星链卫星平台,S p a c e X为美国太空探索技术公司.截至 年月,O n e W e b卫星在轨 颗,S t a r l i n k卫星在轨 颗,它们运行在L E O;表中其他卫星均运行在G E O.G E O通信卫星电推进应用特点通信卫星按频段大致可分为宽带通信卫星和窄带通信卫星.宽带卫星具备全球覆盖区域内的大容量、高速率通信能力,可提供C频段、X频段、K u频段及K a频段的高质量语音、图像、视频、数据等通信传输服务,实现高速双向通信和信息广播服务.窄带通信卫星可支持话音和数据移动通信,实现移动通信终端手持化.该类卫星一般配置大型可展开多波束天线,通
21、过星地一体化实现全球覆盖,多个终端用户通过极高频(UH F)向卫星发送信号,地面站则采用K a频段与卫星通信.目前,商业市场主打K u频段或K a频段的高通量卫星,这是未来扩大卫星带宽资源的重要手段,其带宽超过吉比特每秒吞吐量量级,每个终端通量超过百兆比特每秒量级.G E O通信卫星通信的全球性、多频段、多用途、多系统、星间组网是未来卫星通信系统发展的主要方向,可全面用于不同海陆空各类固定和移动终端的大容量双向通信和信息广播服务.可见,载荷多任务特点对卫星承载能力及平台姿态稳定性提出了更高要求.电推进技术在提升卫星平台载干比及精确指向调节方面具有很大的优势.在G E O通信卫星领域,依据卫星平
22、台系统配置的不同,主要分为采用混合推进的平台配置和采用全电推的平台配置类.其中:混合推进平台卫星发射质量一般在 t,载荷质量较大且功能全面.采用混合推进的卫星全生命周期内的位置保持任务一般是由电推进来完成的.相对以往采用纯化学推进方式的卫星平台,这种混合推进模式可以有效提升卫星的载荷质量,且对卫星微振动影响很小,能满足激光终端等各类复杂载荷工作和长期在轨稳定运行的要求;而全电推进卫星平台发射质量一般在 t,最大的优点是大功率、高承载比、轻量化,即卫星平台质量降低,载荷质量可以大幅提升.相对于化学推进系统,采用全电推进系统可将卫星干质量占比提升至,有效载荷质量还能进一步提升,而且卫星平台可以小型
23、化,实现一箭多星.如E u t e l s a t B采用全电推进,整星质量仅为 k g;若采用化学推进,质量至少为 k g.因此,全电推进使得卫星发射质量减少 以上,发射成本降低约,卫星总的研制费用降低近.据不完全统计,在 年之后,t在轨应用的主流全电推进卫星就超过了 颗,占比日益提升,而混合推进模式通信卫星占比则有逐渐减少的趋势.目前,比较成熟的全电推进卫星平台包括:中国的东方红三 号E;美 国B o e i n g公 司 的B S S S P;欧 洲A D S公司的E u r o s t a r E O R;俄罗斯I S S R公司的E x p r e s s ,;法国T A S公司的S
24、 p a c e b u s N E O;德国OH B公司的S G E O .另外,日本三菱公司的工程试验卫星(E T S )也是全电推进卫星.全电推进卫星的应用近几年还有一个显著特点,那就是初始变轨的轨道高度随着运载能力的增强而不断得到提高,全电推进卫星的快速入轨时间日趋缩短.G E O通信卫星方面,本文将重点针对全电推进卫星的系统设计及应用进行阐述和分析.L E O通信卫星电推进应用特点L E O通信卫星星座是多颗卫星组成的具有广播功能、以互联网应用为服务对象的互联网卫星群.星座具有通信覆盖广、容量大、不受地域影响、传输延时短、路径损耗小、频率复用更有效等特点,作为地面通信的补充手段实现用
25、户接入互联网,可有效解决偏远山 区、海上、空 中等用户的 互联网服务问题.第期田栋 等:电推进技术在通信卫星领域工程化应用综述L E O通信卫星星座带来了一系列的颠覆性技术变革及商业变革,不仅带动了物联网接入等地面产业链的快速发展,还促进了军事海事通信、航空机载、无人机等隐形市场的技术突破.同时,引入的模块化轻量化集成、商用现货(C OT S)元件应用、智能装配应用等智能制造技术,进一步降低了L E O通信卫星的研制成本和商业门槛.这些技术变革也影响了电推进技术发展路线的转变,需要更快适应星座规模化的需求,真正实现电推进系统商业化.以S t a r l i n k卫星星座为例,近期的卫星配置为
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- 推进 技术 通信卫星 领域 工程 应用 综述
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