姚 遠 蔡亞星 郭玲華/文

2020 年4 月23 日，習近平總書記在給參與“東方紅一號”任務的老科學家的回信中指出：“新時代的航天工作者要以老一代航天人為榜樣，大力弘揚‘兩彈一星’精神，敢于戰(zhàn)勝一切艱難險阻，勇于攀登航天科技高峰，讓中國人探索太空的腳步邁得更穩(wěn)更遠，早日實現(xiàn)建設航天強國的偉大夢想。”作為戰(zhàn)斗在我國航天通信衛(wèi)星事業(yè)領域的新一代航天人，學習領會總書記的重要指示，我們感到無比親切，更感責任重大。

自從我國“東方紅一號”通信衛(wèi)星成功發(fā)射以來，半個世紀里世界通信衛(wèi)星事業(yè)不斷實現(xiàn)轉型升級，衛(wèi)星平臺不斷實現(xiàn)技術創(chuàng)新，產生了許多新的特點。認真分析研究這些特點，特別是分析研究新型高軌公用衛(wèi)星平臺的創(chuàng)新特點、創(chuàng)新文化，對于改進提升我國新型高軌公用衛(wèi)星平臺具有重大深遠意義，是建設航天強國的一項實際行動。本文試對國際新型高軌公用衛(wèi)星平臺當前發(fā)展作出概述分析，以期描繪我國通信衛(wèi)星平臺領域發(fā)展的方向。

國際新型高軌公用衛(wèi)星平臺創(chuàng)新潮流

新型高軌通信衛(wèi)星是國際民用商用衛(wèi)星市場中份額最高、競爭最為激烈的領域。全球平均每年發(fā)射約20 顆大型通信衛(wèi)星，約占商業(yè)通信衛(wèi)星總量的80%。針對各類用戶對高軌公用衛(wèi)星平臺的綜合性能、效費比、研制周期、可靠性、兼容性提出的技術創(chuàng)新要求，近年來全球各大衛(wèi)星制造商開始著力研究并開發(fā)新型高軌公用衛(wèi)星平臺。

洛克希德.馬丁公司及其新型LM2100 平臺。該公司早在20 世紀90 年代就推出A2100 平臺，并提前10 年啟動了“全面檢查并升級A2100 衛(wèi)星平臺”的一項內部投資計劃，推出了LM50、LM400、LM1000、LM2100 等4 個全新平臺。如下圖所示：

洛克希德.馬丁公司新型衛(wèi)星平臺

以LM2100 為最新標志的新平臺采用了集成通用化、先進制造技術、并行制造策略等的設計理念，比之前的A2100 有26 項性能提升。其中最重要的創(chuàng)新就是采用柔性太陽翼，開發(fā)石墨桅桿和展開系統(tǒng)，提供更多功率、更輕重量以及更小包絡。平臺推進系統(tǒng)提供全電、全化學、混合推進三種方式，對于電推進，使用霍爾電推力器，變軌時間為其他電推進系統(tǒng)的一半。平臺能力可擴展到16kW 以上載荷功率，星上處理器實現(xiàn)在軌重構。LM2100 平臺還具有可擴展制造特性，使用了包括3D 打印、基于虛擬現(xiàn)實的數(shù)字設計等多項先進制造技術，使短周期、低成本產品在衛(wèi)星研制各階段可精準裝配，等等?；贚M2100 的衛(wèi)星發(fā)射重量2300～6500kg，整星功率20kW，載荷可擴展到1000kg 和12kW。平臺狀態(tài)為HellasSat-4通信衛(wèi)星于2019 年2 月5 日首飛成功發(fā)射入軌，3 星在軌。

概括起來，LM2100 平臺的關鍵技術與創(chuàng)新主要體現(xiàn)在四方面：

面向需求的設計：擴展有效載荷重量、功率和散熱能力范圍，適應各類任務使命；

面向成本的設計：簡化架構并縮減產品的類型和數(shù)量，從根本上縮減研制成本和相關部件的研制周期；

面向生產的設計：修改了架構和總裝流程，以提升制造和測試流程；

面向任務的設計：實現(xiàn)軍事和商業(yè)用戶所需的平臺特性與鑒定測試要求，對各類任務使命通用性好。

基于LM2100 的Arabsat 6A 和Hellassat-4 衛(wèi)星示意圖

歐洲航天局ARTES 計劃下的新型NEOSAT 平臺。該平臺瞄準發(fā)射質量3 至6 噸的主流通信衛(wèi)星市場，通過創(chuàng)新技術、降低成本、縮短生產周期等手段，使其整體競爭力與歐洲現(xiàn)有平臺相比提升30%，并在2018—2030 年期間實現(xiàn)50%的市場占有率，即獲得約150 顆衛(wèi)星的研制合同，預計可為歐洲帶來約250億歐元的衛(wèi)星制造收入。

NEOSAT 項目產品的基本指標：

可以滿足中型衛(wèi)星任務要求；

與獵鷹-9 火箭發(fā)射臺及4 米整流罩發(fā)射臺全程兼容；

充分的模塊化理念和完整的電子化平臺；

可選的推進模塊：增加推進的持續(xù)時間；

熱控：通過液體循環(huán)或采用可展開輻射器（DPR）。

幾乎同時，空客防務與航天公司（ADS）開發(fā)了Eurostar NEO 新型高軌通信衛(wèi)星平臺，泰雷茲阿萊尼亞航天公司（TAS）開發(fā)了SpaceBus NEO 新型高軌通信衛(wèi)星平臺。這兩種平臺都具有全電推配置、全化學推進配置和化推+電推混合配置的類型特點，實現(xiàn)了衛(wèi)星平臺全面性、體系性、系統(tǒng)性和先進性的創(chuàng)新。目前平臺狀態(tài)為10 星在研，一星在軌。

概括起來，新型NEOSAT 平臺的關鍵技術與創(chuàng)新主要體現(xiàn)在四方面：

面向市場化需求：整體競爭力比歐洲現(xiàn)有平臺提升30%，爭得全球市場競爭優(yōu)勢；

面向寬適應要求：發(fā)射重量3000～6000kg，支持多種運載發(fā)射；

面向集成化特點：縮減單機種類，采用3D 打印技術；

面向模塊化設計：推進艙、載荷艙、東西板、太陽翼，并行總裝、整體對接，縮減研制周期至18～36 個月。歐洲高軌公用衛(wèi)星平臺型譜規(guī)劃。

德國OHB 系統(tǒng)公司及其新型Small GEO 平臺。Small GEO 平臺是ARTES 計劃下，由OHB 系統(tǒng)公司研制的小型公用靜止軌道衛(wèi)星平臺項目。采用模塊化、批量化、多運載兼容、創(chuàng)新技術應用等的設計理念。技術創(chuàng)新和管理上的特點是：高度模塊化的航天器設計，促使供應商在系統(tǒng)設計早期參與合作；平臺設備的批量化生產強化了設計以降低成本和優(yōu)化集成過程；從部件到系統(tǒng)開展火箭兼容性設計，可兼容多種運載火箭。Small GEO 平臺提升了衛(wèi)星的好用性和易用性。平臺也有全化學推進、混合推進和全電推進三種配置，其中全電推進配置能夠提供最大的有效載荷承載能力。平臺狀態(tài)是2017 年首飛，目前2 星在軌，7 星在研。

概括起來，Small GEO 平臺的關鍵技術與創(chuàng)新主要體現(xiàn)在四方面：

面向需求的靈活和可伸縮性設計，適應較大有效載荷重量、功率和散熱能力的范圍，兼容各種運載火箭；

基于Small GEO 平臺的衛(wèi)星展開示意圖

面向成本的設計，從根本上縮減了研制成本和相關部件的研制周期；

繼承典型GEO 衛(wèi)星的AIT 流程，并行開展平臺、推進和載荷的集成和測試；

利用GNSS 導航和電推進技術實現(xiàn)GEO 軌道自主位置保持，降低運行維護成本。

中國高軌通信衛(wèi)星平臺型譜及DFH-5 平臺的成功實踐

中國在傳統(tǒng)高軌通信衛(wèi)星平臺型譜基礎上，持續(xù)提升平臺能力，成功新研東方紅3 號電推型（DFH-3E）、東方紅4 號增強 型（DFH-4E）、東方紅5 號（DFH-5），并拓展了低軌使用的東方紅4 號L 型（DFH-4L）等衛(wèi)星平臺。展現(xiàn)的創(chuàng)新特點集中在兩個方面：

一方面，新型高軌DFH-5 衛(wèi)星平臺是我國自主開發(fā)的跨代發(fā)展平臺。DFH-5平臺創(chuàng)新設計理念，實現(xiàn)了智能化自主運行管理，有效提升衛(wèi)星的好用性、易用性；通過分艙模塊化設計和數(shù)字化研制模式，大幅縮短研制周期，有效提高了設計生產效率。平臺的桁架結構技術比傳統(tǒng)的承力筒式結構承載能力更大、適應性更強。DFH-5 平臺采用更為高效的化學推進技術，有效提升推進劑利用效率。同時，平臺采用了大推力、多模式的LIPS-300 電推進系統(tǒng)，在衛(wèi)星發(fā)射重量不變的情況下提升承載能力，大幅提高使用效益。平臺采用二維二次展開半剛性太陽翼、20kW 大功率電源控制器、高比能量的鋰離子蓄電池等關鍵技術，大幅提高衛(wèi)星電源效率。DFH-5 平臺萬瓦級高效散熱技術依托可展開熱輻射器和新型流體回路，有效提升了載荷艙容納比和散熱能力。

另一方面，DFH-5 平臺具有“高承載、大功率、高散熱、長壽命、可擴展”等特點?；贒FH-5 平臺，我國研制的發(fā)射重量最重、技術含量最高的高軌衛(wèi)星，衛(wèi)星起飛重量可達8000～9000kg，載荷承載能力可達1500～1800kg；整星功率28kW 以上，提供載荷功率達18kW；載荷艙的散熱能力達9kW；設計壽命長達16 年。其成功案例是：2019 年12 月27 日，實踐二十號衛(wèi)星成功發(fā)射，衛(wèi)星經歷7 次軌道機動后，在36000km 高度的地球同步軌道成功定點，標志著DFH-5 衛(wèi)星公用平臺首飛成功，達到國際相同領域最高水平。

東方紅五號衛(wèi)星在技術廠房

東方紅五號衛(wèi)星將為更多的國家提供通信服務

國際新型高軌公用衛(wèi)星平臺發(fā)展趨勢

國際民用商用衛(wèi)星市場競爭激烈。美國在國際市場上由2000 年近70%的份額跌至2010 年的50%，同時期，歐洲則在30%的份額中徘徊，包括俄羅斯與亞洲“新來者”同期奮起直追，由不到10%的份額提升了將近一倍，達到20%。發(fā)展新型高軌公用衛(wèi)星平臺成為爭奪國際民商衛(wèi)星市場的重要途徑與手段。初步分析，國際新型高軌公用衛(wèi)星平臺發(fā)展趨勢是：

衛(wèi)星平臺產品注重集成化、通用化設計。如LM2100 縮減了56%部件種類，縮短了28%的交貨周期，開發(fā)了280多個通用化部件，可用于不同規(guī)模衛(wèi)星。

衛(wèi)星平臺注重面向AIT 優(yōu)化設計。如SpaceBus NEO 平臺針對并行測試，將通信艙分艙設計，分開總裝和測試，實現(xiàn)縮短測試時間的目標。

衛(wèi)星平臺注重可擴展設計。如NEO 平臺發(fā)射重量可在3～6 噸重量范圍內擴展，LM2100 平臺發(fā)射重量可在2～7 噸重量范圍內擴展，適應多類運載，提升了平臺對不同應用需求的適應能力。

衛(wèi)星平臺設計廣泛采用高效電推進技術。如LM2100、NEOSAT、Small GEO 等多類新型高軌通用平臺都有全化、全電、混合推進三種配置，提升平臺的承載能力。

衛(wèi)星平臺以高效低成本短周期為目標。先進的國際新型高軌公用衛(wèi)星平臺均采用基于全電推和模塊化的平臺產品，并配置基于全數(shù)字化的載荷產品，使提供通用化高軌衛(wèi)星產品變?yōu)榭赡艿耐瑫r，成本降低30%，研制周期縮短。

國際新型高軌公用衛(wèi)星平臺發(fā)展的啟示

未來10～20 年，通信、遙感、空間科學探測、科學試驗、在軌服務等多領域民用商用市場競爭日益激烈，這對高軌公用衛(wèi)星平臺提出了更高的新要求。適應這一要求，新時代的航天通信人和各級管理者必須堅持創(chuàng)新文化，在以下幾個方面尋求新的突破:

在對標超越國際先進平臺上尋求突破。航天是一項競爭的事業(yè)，通信衛(wèi)星平臺必須不斷實現(xiàn)超越。我們應該樹立國際視野、拓展世界眼光、強化戰(zhàn)略思維，時刻把衛(wèi)星平臺建設的目光瞄向同行業(yè)發(fā)展的最前沿。

在核心關鍵技術上尋求突破。新型高軌公用衛(wèi)星平臺需盡可能采用自主化、通用化、集成化、數(shù)字化、智能化新技術，全面提升表征平臺先進性的技術指標，如載干比（載荷/干重）、熱控干重比（熱控、干重）、能源干重比（供配電/干重）、結構效率（結構/發(fā)射重量）、能力指數(shù)（單位發(fā)射重量實現(xiàn)的載荷綜合能力）等。

在平臺產品綜合質量上尋求突破。我國DFH-5平臺能力指數(shù)已進入國際第一梯隊，但在高軌公用衛(wèi)星平臺產品層面仍顯不足，如結構效率較低、熱控和能源系統(tǒng)重量較重、單機集成度有提升空間、整星可靠性有待提高等。

在平臺系統(tǒng)管理能力上尋求突破。面對市場競爭，在總體設計層面還需再度縮短研制周期、降低研制成本，優(yōu)化研制模式，提高衛(wèi)星產品靈活可重構、用戶需求可定制的能力。

在系統(tǒng)整合節(jié)約拓展平臺型譜種類上尋求突破。我國還需集約平臺型譜種類，開發(fā)適應2-6t 衛(wèi)星發(fā)射重量的新型高軌公用衛(wèi)星平臺，不斷優(yōu)化提升我國衛(wèi)星平臺先進能力。