刘悦（北京空间科技信息研究所）

1 引言

在通信卫星制造领域，波音公司是勇于创新，敢于做“第一个吃螃蟹”的公司。21世纪初，波音公司便在早期的BSS－702卫星平台的太阳电池翼上率先采用聚光器设计，以期获得更大功率。事实表明，聚光器设计是一项失败的设计，导致卫星太阳电池发电效率很快大幅降低。无独有偶，波音公司的BSS－601卫星平台较早采用了电推进系统用于南北位置保持，其电推进系统产品为13cm直径氙离子推力器XIPS－13；而统计发现，2000年以来，在全球通信卫星发生的电推进系统故障事件中，BSS－601卫星平台电推进系统故障事件占60%以上。上述两大挫折曾导致波音公司在商业通信卫星市场中一度跌入低潮。随后，波音公司采取了相应措施，在BSS－702卫星平台的设计中取消了聚光器，引入新型25cm直径氙离子推进系统-25（XIPS－25），卫星可靠性显著提高。数据表明，迄今为止采用BSS－702卫星平台的卫星只发生了2次电推进系统故障事件。25cm直径氙离子推力器已成为一款应用成熟、可靠性较高的产品。

而今，波音公司为了重返商业市场，大胆提出了全电推进技术的概念，并推出了全球首款全电推进卫星平台—BSS－702SP。新卫星平台一经推出，波音公司即宣布获得亚洲广播卫星公司（ABS）和墨西哥卫星公司（SATMEX）的4颗卫星订单。传统的地球静止轨道卫星在星箭分离后依靠化学推进系统完成轨道转移任务进入工作轨道，入轨后的位置保持有可能采用电推进系统，也有可能采用化学推进系统。所谓全电推进卫星平台卫星是指地球静止轨道卫星在星箭分离后使用电推进系统取代化学推进系统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系统执行。

2 国外全电推进卫星平台研制最新进展

美国BSS－702SP卫星平台通过关键设计评审

BSS-702SP卫星平台的研制始于2011年，2013年8月通过了关键设计评审，预计首发星将在2014年发射。BSS－702SP卫星平台提供的电源功率为3～8kW，最大有效载荷质量为500kg，最多可安装5副天线。该卫星平台采用已经在BSS－702HP和702MP两种卫星平台上经过充分验证的XIPS－25；采用新一代电子体系结构，简化运行并改善数据接入，还可评估卫星的健康状态；可搭载S、X、C、Ku和Ka等频段转发器，还可搭载敏感器、特高频（UHF）和导航L频段等有效载荷。该卫星平台的轻质设计使其可与目前大多数火箭兼容发射，如猎鹰－9、阿里安－5、天顶-3海射、质子号、联盟号、德尔他－4及宇宙神－5等，而且可以进行“一箭双星”发射。

欧洲全电推进卫星平台项目正式立项

欧洲全电推进卫星平台的研制落后于美国，目前尚无全电推进卫星平台产品面世，但也很早就认识到全电推进技术的重要性。在2011年底，欧洲第二大通信卫星运营商SES ASTRA公司在一次会议上做了有关优化卫星成本和在轨寿命的报告。

欧洲航天局（ESA）通信部已将发展全电推进卫星列为该部门的最高优先级项目之一。2013年10月，ESA正式与卢森堡卫星运营商SES公司和卫星制造商德国不莱梅OHB公司签订了全电推进系统通信卫星“伊莱克特拉”（Electra）项目合同。这份为期1年的合同总价值1200万欧元（约合1600万美元），在此之后，将会有后续的计划跟进Electra项目。

BSS－702SP卫星平台性能参数

采用BSS-702SP卫星平台的ABS-3A卫星示意图

公私合作方式能使ESA及其各个成员国分担创新研发成本，并保持欧洲卫星运营商和制造商的竞争力。这份合同的第一阶段由ESA出资70%，SES公司和OHB公司共同出资30%。SES公司是卫星设计阶段的主承包商，OHB公司是分包商。卢森堡政府宣布将为Electra项目投入1700万欧元。Electra卫星的首飞时间将根据实际的项目实施进度，预计将在2018年发射。SES公司把Electra项目视作推动下一代卫星研制和卫星发射服务的助推器。全电推进卫星已经成为欧洲未来通信卫星能力提升的重要技术路线图。

全球其他主要航天企业纷纷启动全电推进卫星平台研制

除了美欧两大卫星制造商，世界各主要航天企业纷纷表示开始全电推进技术的研究，希望能在未来3年内发射自己的全电推进卫星：美国商业通信卫星制造商劳拉空间系统公司（SS/L）也表示将在1年内推出全电推进卫星平台；俄罗斯火炬设计局（Fakel）立足其成熟的电推进系统产品SPT－100霍尔推力器，该产品已经广泛用于各国的电推进系统轨道保持任务，2013年新推出的新型推力器SPT－140已经具有满足轨道机动要求的能力。未来，Fakel设计局还计划在2年内实现高功率大推力霍尔电推进系统用于轨道转移任务。

近年来，中国老年人口持续快速增长。截至2017年底，全国60周岁以上人口已达24090万人，占比17.3%。为应对这一紧迫形势，2013年以来，政府密集出台了一系列发展养老服务、放开养老服务市场、提升养老服务质量的政策，各地结合实际创新升级省级政策，有力推动了养老服务业持续发展。本次发布的创新报告对全国31个省市区的养老服务政策创新情况进行了评价，评价指标涉及机构养老服务、社区居家服务、长期照护服务、医养结合等9个方面和39个评价点。

3 全电推进卫星平台未来发展的优势与挑战

全电推进卫星平台的应用优势

一直以来，降低卫星发射质量、提高有效载荷比是大型静止轨道卫星研制追求的目标。虽然推进系统的重要性毋庸置疑，但无可否认，只有有效载荷才是卫星真正的价值所在。与构成卫星平台的其他分系统相比，推进系统质量占的比重最大，当前采用化学推进系统的静止轨道卫星的干质量比约为40%。因此，降低推进系统质量具有巨大的实用价值，甚至有可能成为影响未来卫星产业的关键技术之一。

ESA的全电推进卫星示意图

全电推进卫星使用电推进系统取代化学推进系统，节省了大量的化学燃料，巨大的应用优势主要体现在3个方面：①在有效载荷确定和在轨运行寿命不变的基础上降低发射质量；②在发射质量和在轨运行寿命不变的基础上增加有效载荷的质量；③在发射质量和有效载荷确定的基础上提高卫星的在轨运行寿命。

以欧洲通信卫星（EUTELSAT）公司最先进的大容量宽带通信卫星“Ka频段卫星”（Ka-SAT）为例，对比了同一卫星采用3种不同推进系统方案的卫星质量。第1种推进系统方案采用全化学推进系统，卫星的总质量将达到7000kg，目前商业发射难以实现。第2种方案是混合推进系统（化学推进-电推进系统），即星箭分离到入轨的过程中用化学推进系统，而在轨工作期间的位置保持使用电推进系统，此种方案中卫星的发射质量超过6000kg。第3种方案是采用全电推进系统，即轨道转移以及在轨的位置保持均使用电推进系统来完成，此种方案将发射质量降低到4100kg左右。在有效载荷质量和在轨寿命相同的情况下，电推进系统应用的程度越大，Ka-SAT卫星的发射质量越小。波音公司的全电推进系统通信卫星使用150kg的氙替代1650kg的肼，原本发射质量为4000kg的卫星，现在发射质量降为2000kg，这样使得卫星能以“一箭双星”的方式发射，能够节省超过3500万的发射费用。

在卫星发射质量不变的情况下，从携带燃料方面节省的质量具有巨大的实用价值：节省下来的质量能够使现有卫星平台携带大型的、复杂的、较重的有效载荷成为可能，甚至能够支持更大型的有效载荷，从而大大提高卫星的投入产出比。比起化学推进系统，电推进系统推力较小，一般为几十到几千毫牛的量级，可以支持对姿态精度要求较高的有效载荷，如2009年ESA发射的“重力场和稳态海洋环流探测器”（GOCE）卫星。

此外，对于通信卫星来说，节省下来的质量能够大幅延长通信卫星的设计寿命，提高卫星的商业价值；为了提高卫星的在轨灵活性，有时需要变更轨位，全电推进系统节省的燃料还可以用来在轨机动或变更轨位。此外，使用电推进系统能够避免在修正轨道倾角所消耗的化学燃料，降低卫星发射对低纬度发射场的依赖，譬如我国专门兴建了纬度更低的海南发射场。

采用不同推进系统方案的Ka-SAT质量

全电推进卫星平台的风险与挑战

所谓全电推进系统，是指只依靠原本作为备份的电推进系统完成所有的轨道机动，而对于航天这样一个高风险的行业来说，没有备份本身就是一个很大的风险。因此，在认识到全电推进卫星拥有的巨大实用价值的同时，但在现阶段仍面临着巨大的风险和挑战。

传统静止轨道卫星的轨道转移一般采用霍曼（Hohmann）转移轨道方法，远地点发动机由于采用化学推进系统因而推力较大，仅需数次开机和数百分钟的点火时间即可到达静止轨道。如果采用电推进系统承担轨道转移任务，由于推力较小，整个轨道转移任务需要几个月才能最终完成。

这样存在几个问题。第一，有效载荷推迟开机使用，这为运营商和制造商都带来了较大的商业风险；第二，卫星长期处于较低的轨道高度，因而面临长期空间生存能力的考验；第三，全电推进卫星轨道转移过程中的变轨控制较化学推进系统更加复杂，对电源系统等其他相关分系统的设计也提出了更高的要求。为此，在认识到全电推进卫星拥有的巨大实用价值的同时，这些风险和挑战也应当引起充分的重视。

在地外空间位于700～10000km的高度有2条高能质子辐射带，即范·艾伦辐射带。由于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，所以会对卫星的电子系统的正常工作造成很大影响。严酷的空间环境对卫星的考验不仅仅来自于空间辐射的影响，而且，由于全电推进卫星长期处于较低的近地点高度，因此还会受到其他一些如微流星体和轨道碎片的影响；其次，电推进系统的使用对于卫星的电源系统提出了很高的要求。尽管有效载荷是决定卫星功率大小的关键，全电推进卫星也将卫星的电源系统放在了同等重要的位置上；按照现有电推进系统的能力，全电推进卫星至少需要6个月才能进入静止轨道。在这样一个漫长的轨道转移过程中，对于运营商和制造商双方都带来了巨大的风险。

4 结论与启示

结论

（1）全电推进卫星平台是实现通信卫星总体能力升级的重要手段

全电推进卫星平台自2012年开展商业化应用以来，引发了国际航天界的强烈关注。采用小推力的电推进系统完成轨道转移和位置保持，可以显著降低发射质量，提高有效载荷比，延长通信卫星的在轨寿命。卫星发射质量的降低能够大幅降低发射成本，提高商业竞争力。全电推进卫星平台是一种全新的发展思路，在未来有可能成为提高通信卫星平台的综合性能和技术水平的重要手段，是静止轨道通信卫星的重要发展方向。

（2）全电推进卫星平台在现阶段应用仍有较大风险

全电推进卫星平台最大的风险在于取消了化学推进系统的备份，采用小推力的电推进系统将显著延长卫星进行轨道转移的时间。卫星在长达6个月的变轨过程中，将面临来自空间环境、运行管理和商业运营等各个方面的挑战。国外在这个方面的研究也刚刚起步，在实际应用过程中还可能出现很多变数，能否成为主流卫星的标准配置，还要看多次空间应用情况。因此，应当以辩证的角度分析全电推进卫星平台，既看到其优势，又了解其风险。

（3）全电推进技术在遥感、深空探测等多个领域应用潜力巨大

虽然目前全电推进卫星平台只在通信卫星领域实现了商业化应用，但仍不可忽视其在整个航天领域的巨大价值。采用小推力的电推进系统能够提高姿态和轨道控制精度，实现特定用途的遥感卫星应用（如重力测量卫星）；电推进系统带来的有效载荷比的提高能够使得卫星携带更大质量的有效载荷，使得更加复杂的军事侦察任务成为可能；电推进系统能够大大减少化学推进剂的携带量，帮助深空探测器飞向更深远的太空。

启示

（1）加紧我国国产电推进系统产品的演示验证，分步实施全电推进卫星平台发展计划

电推进系统是全电推进卫星平台的核心，应用电推进系统已经成为下一代航天器最重要的技术特征之一。国内电推进系统研究经过了多年的技术攻关和地面试验，取得了阶段性成果，但在实际应用中尚缺乏在实际空间环境中的检验。根据我国的实际情况，应当为国产电推进系统产品提供更多的飞行机会，促进电推进系统技术的成熟和工程化应用。在发展全电推进卫星方面，可以考虑分两步走：第一步是将电推进系统应用于卫星的位置保持，尤其是消耗燃料比较多的南北位置保持，逐渐积累经验；第二步是在第一步的基础上将电推进系统的应用扩展到承担整个轨道转移任务，研制全电推进卫星。

（2）以创新驱动发展为指导思想，吸取电推进卫星系统发展落后的教训

在卫星制造这一行业领域来说，创新永远是最困难的，因为每一项技术的创新，往往总是与高额的成本、巨大的风险和复杂的技术联系在一起。波音公司从不畏惧创新带来的风险，面对激烈的国际竞争，波音公司不断推出变革性的产品，巩固其市场地位，其背后的战略思维值得我国航天企业学习。我国电推进系统技术的研究与国外几乎同时起步，中间历经了几十年才首次应用到卫星上进行试验验证。这其中有技术落后的问题，但不可否认的是，我国参与商业化市场竞争的经验较少，对新产品的研发投入重视不够。我国应当转变思想，在航天器设计研制的过程中鼓励采用新思想、新技术，缩短与国外航天强国的距离，避免重演电推进系统“起个大早，赶个晚集”的教训。

（3）积极发展新技术以实现成本控制，避免我国通信卫星的价格优势不再

美国航天在过去20年里一直存在问题，主要是发射费用高、卫星价格昂贵。但随着全电推进卫星和“猎鹰”系列火箭的出现，让人们看到了美国在航天技术上的强大实力正在转化为商业竞争力。卫星的研制成本将进一步降低，我国如果不抓紧迎头赶上，很可能又要被美国甩开一代。我国通信卫星参与国际上的竞争力，主要来自于低廉的卫星价格和较低的火箭发射费用。目前，为了赢得国际订单，我国通信卫星的利润空间已经被挤压到了最低，甚至有些已经到了“赔本赚吆喝”的程度。我国应当紧密跟踪和研究国外能够降低卫星成本的新技术，避免由于新技术的应用导致我国通信卫星优势不再。