李峰 （中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部）

為提升中國(guó)在國(guó)際通信衛(wèi)星市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，滿足對(duì)地球同步軌道衛(wèi)星公用平臺(tái)的更高需求，中國(guó)空間技術(shù)研究院開發(fā)了中國(guó)新一代大型地球同步軌道衛(wèi)星公用平臺(tái)——東方紅五號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)（簡(jiǎn)稱東五平臺(tái)）。本文介紹了東五平臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)和能力，簡(jiǎn)要概述了平臺(tái)技術(shù)方案及其特點(diǎn)，并介紹了東五平臺(tái)研制進(jìn)展與試驗(yàn)驗(yàn)證情況。東五平臺(tái)性能指標(biāo)先進(jìn)，可滿足通信和遙感等領(lǐng)域衛(wèi)星需求。

1 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)后，各主要衛(wèi)星研制廠商已經(jīng)在政府的主導(dǎo)下建立了較為完善的平臺(tái)型譜，發(fā)展超大型平臺(tái)成為當(dāng)前趨勢(shì)[1-2]。其中，在歐洲航天局（ESA）和法國(guó)空間研究中心（CNES）主導(dǎo)下，由阿斯特留姆公司（Astrium）和泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）聯(lián)合研發(fā)的“阿爾法平臺(tái)”（Alphabus）[3-4]載荷承載能力達(dá)到了1500kg，載荷功率18kW，服務(wù)壽命15年；美國(guó)波音公司（Boeing）的BSS-702 平臺(tái)，載荷承載能力達(dá)到1200kg，載荷功率12 ～18kW，服務(wù)壽命15年。國(guó)際衛(wèi)星平臺(tái)發(fā)展呈現(xiàn)超大型化、整星功率與有效載荷承載能力顯著提高、多載荷適應(yīng)以及升級(jí)與換代同步進(jìn)行的趨勢(shì)。

隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)和國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)需要，對(duì)地球同步軌道衛(wèi)星公用平臺(tái)提出了更高的要求，為滿足國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和未來市場(chǎng)發(fā)展需求，亟需開發(fā)中國(guó)新一代超大型地球同步軌道衛(wèi)星公用平臺(tái)—東五平臺(tái)，以填補(bǔ)中國(guó)12kW 以上衛(wèi)星平臺(tái)型譜空缺，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)技術(shù)國(guó)際一流，系統(tǒng)提升中國(guó)衛(wèi)星整體水平。目前，東五平臺(tái)已完成開發(fā)。

2 東五平臺(tái)技術(shù)特點(diǎn)及能力

東五平臺(tái)為換代型平臺(tái)，充分繼承現(xiàn)有產(chǎn)品、技術(shù)成果與經(jīng)驗(yàn)，滿足典型通信與遙感載荷的應(yīng)用需求，主要具有以下五大特點(diǎn)：

1）高承載。整星發(fā)射質(zhì)量8000kg，有效載荷承載質(zhì)量1500kg，有效載荷功率18kW，有效載荷布局能力達(dá)到120 路以上（等效C 頻段透明轉(zhuǎn)發(fā)器）。

2）大功率。東五平臺(tái)采用二維二次展開半剛性太陽翼、鋰離子蓄電池等技術(shù)，整星壽命末期功率達(dá)到28kW 以上。

3）高散熱。平臺(tái)采用主動(dòng)熱控、被動(dòng)熱控結(jié)合的手段，實(shí)現(xiàn)有效載荷散熱能力9kW 以上。

東五平臺(tái)能力包絡(luò)圖

4）長(zhǎng)壽命。平臺(tái)具備提供在軌服務(wù)16年的能力。

5）可擴(kuò)展。衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)計(jì)預(yù)留承載、供配電、姿軌控以及熱控等擴(kuò)展能力。以典型通信衛(wèi)星為例，擴(kuò)展后整星發(fā)射質(zhì)量9000kg，有效載荷質(zhì)量1800kg，載荷功率22kW，布局轉(zhuǎn)發(fā)器150 路（等效C 頻段透明轉(zhuǎn)發(fā)器）以上。

東五平臺(tái)設(shè)計(jì)充分考慮后續(xù)的升級(jí)需求和多載荷適應(yīng)性需求，按照族譜設(shè)計(jì)，包括基本型、全化學(xué)推進(jìn)型、光學(xué)遙感型以及擴(kuò)展型。通信類衛(wèi)星在軌服務(wù)壽命按照16年考慮，遙感類載荷在軌服務(wù)壽命按照12年考慮。

3 東五平臺(tái)技術(shù)方案

平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

東五平臺(tái)可采用中國(guó)新一代大型運(yùn)載火箭——長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射，并且具備使用國(guó)際主流運(yùn)載火箭發(fā)射的能力。平臺(tái)由供配電、測(cè)控、綜合電子、姿軌控、化學(xué)推進(jìn)、電推進(jìn)、結(jié)構(gòu)和熱控八個(gè)分系統(tǒng)組成，采用分艙段模塊化設(shè)計(jì)，包括推進(jìn)艙、服務(wù)艙以及有效載荷艙，其中推進(jìn)艙與服務(wù)艙組成平臺(tái)的公用艙段部分，采用桁架式主承力結(jié)構(gòu)，大幅降低公用艙段的高度，并為不同形式載荷艙提供多個(gè)硬點(diǎn)連接的統(tǒng)一接口形式，實(shí)現(xiàn)公用艙段與有效載荷艙并行研制、快速連接。

東五平臺(tái)在配置化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用電推進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌全電推進(jìn)位置保持與角動(dòng)量卸載，大幅減少衛(wèi)星推進(jìn)劑攜帶量，提高有效載荷承載效率。同時(shí)，基于東五平臺(tái)的衛(wèi)星可以采用化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)軌道轉(zhuǎn)移，也可以采用軌控發(fā)動(dòng)機(jī)與電推力器聯(lián)合變軌的入軌策略。

平臺(tái)采用智能化、自主化設(shè)計(jì)，采用高軌自主導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星在軌自主姿態(tài)和軌道控制，并通過在軌自主的星務(wù)、能源、熱控管理以及在軌故障診斷、隔離與恢復(fù)設(shè)計(jì)，將大幅提升衛(wèi)星的好用性和易用性，減少地面操作，提高用戶使用體驗(yàn)。

基于東五平臺(tái)的典型通信衛(wèi)星整體呈長(zhǎng)方體構(gòu)型，衛(wèi)星南北面為散熱面，東西面和對(duì)地面安裝通信天線，南北面安裝太陽翼和熱輻射器。

高承載、多適應(yīng)桁架式結(jié)構(gòu)

東五平臺(tái)典型通信衛(wèi)星構(gòu)型

為實(shí)現(xiàn)多載荷適應(yīng)性以及高承載能力，東五平臺(tái)采用桁架式主承力結(jié)構(gòu)形式，主承力結(jié)構(gòu)由“W”型梁板復(fù)合結(jié)構(gòu)以及對(duì)接環(huán)組成。針對(duì)不同有效載荷形式，載荷艙可采用桁架式、箱板式承力結(jié)構(gòu)形式，具有載荷適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。載荷艙力載荷通過兩艙接口向下傳遞，并通過桁架結(jié)構(gòu)傳遞至星箭對(duì)接環(huán)，具有傳力路徑簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。平臺(tái)結(jié)構(gòu)承載能力為8000kg，在衛(wèi)星平臺(tái)構(gòu)型不變的情況下，具備擴(kuò)展到9000kg 的能力。

體分布、萬瓦級(jí)高效熱控系統(tǒng)

熱控分系統(tǒng)充分借鑒東四平臺(tái)衛(wèi)星的熱控技術(shù)，以主動(dòng)熱控結(jié)合被動(dòng)熱控技術(shù)作為熱控手段，利用衛(wèi)星南北板作為散熱面，設(shè)計(jì)可展開式熱輻射器作為擴(kuò)展散熱面。載荷艙采用三維熱管網(wǎng)絡(luò)、單相流體回路等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)載荷艙等溫化設(shè)計(jì)，散熱能力達(dá)到9kW。

先進(jìn)綜合電子系統(tǒng)

東五平臺(tái)綜合電子分系統(tǒng)采用以星務(wù)管理單元為控制中心，1553B 總線為信息網(wǎng)絡(luò)，綜合業(yè)務(wù)單元等為下位機(jī)的集散型分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提供標(biāo)準(zhǔn)的電氣接口和總線網(wǎng)絡(luò)通信模式，按照模塊化的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行功能整合。綜合電子分系統(tǒng)是平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)的核心系統(tǒng)，通過星務(wù)管理單元實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星星箭分離后的程控、高精度時(shí)間管理、整星FDIR、在軌自主星務(wù)管理、自主能源管理等功能。

20kW 級(jí)超大功率供配電系統(tǒng)

東五平臺(tái)供配電分系統(tǒng)基于“太陽電池陣—蓄電池組”設(shè)計(jì)架構(gòu)，采用全調(diào)節(jié)統(tǒng)一母線，母線電壓100V。平臺(tái)采用繃弦式二維二次展開半剛性太陽翼、高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池片、大功率太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、大功率電源控制器、大容量高比能量鋰離子蓄電池組等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整星壽命末期分點(diǎn)28.4kW 大功率供電能力。

高精度姿軌控系統(tǒng)

東五平臺(tái)衛(wèi)星在軌三軸穩(wěn)定，姿軌控分系統(tǒng)采用“姿軌控計(jì)算機(jī)為處理中心、執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)單元和電推進(jìn)控制單元為驅(qū)動(dòng)控制中心”設(shè)計(jì)。整星配置星敏感器、太陽敏感器、地球敏感器以及長(zhǎng)壽命陀螺等姿態(tài)敏感器，具備多種姿態(tài)確定組合。在正常模式下，衛(wèi)星采用長(zhǎng)壽命半球諧振陀螺+星敏感器組合定姿、整星零動(dòng)量控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三軸0.03°的姿態(tài)控制精度。姿軌控分系統(tǒng)通過高軌自主導(dǎo)航子系統(tǒng)以及光學(xué)敏感器實(shí)現(xiàn)在軌自主導(dǎo)航，具備長(zhǎng)期在軌自主運(yùn)行能力。

高效并聯(lián)排放化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)

東五平臺(tái)采用統(tǒng)一雙組元推進(jìn)系統(tǒng)，配置4 個(gè)并聯(lián)布置的板式全管理貯箱，能夠裝填超過3900kg的化學(xué)推進(jìn)劑，具備將整星從地球同步轉(zhuǎn)移軌道變軌至地球同步軌道的能力。通過配置高精度壓力傳感器、高精度超聲波流量計(jì)等設(shè)備，并結(jié)合熱容法，實(shí)現(xiàn)在軌推進(jìn)劑剩余量高精度測(cè)量、高精度推進(jìn)劑混合比以及平衡排放主動(dòng)控制，系統(tǒng)混合比控制誤差優(yōu)于1%?；瘜W(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)設(shè)備全部布置在推進(jìn)艙，便于整星模塊化設(shè)計(jì)與研制流程優(yōu)化。此外，化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)還采用了推進(jìn)劑大流量可重復(fù)加排技術(shù)，大幅減少衛(wèi)星加注時(shí)間。

東五平臺(tái)姿軌控系統(tǒng)框圖

大推力、多模式電推進(jìn)系統(tǒng)

電推進(jìn)分系統(tǒng)采用高比沖、可變推力的新一代電推進(jìn)系統(tǒng)，配置LIPS-300 多模式離子推力器及矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。在5kW 大功率模式下，具有大推力的特點(diǎn)，推力200mN，比沖3500s，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道后期變軌任務(wù)；在3kW 小功率模式下，具有高比沖的特點(diǎn)，單臺(tái)推力器推力100mN，比沖4000s。實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星全壽命周期在軌全電推進(jìn)南北、東西位保以及動(dòng)量輪角動(dòng)量管理。

4 東五平臺(tái)研制進(jìn)展及試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)驗(yàn)證概況

中國(guó)空間技術(shù)研究院在東五平臺(tái)工程研制的同時(shí)，結(jié)合新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星—實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星的研制，對(duì)東五平臺(tái)功能、性能進(jìn)行了全面的驗(yàn)證工作，其中，實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星采用東五平臺(tái)基本配置，重點(diǎn)對(duì)東五平臺(tái)各分系統(tǒng)功能、性能以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

整星結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

為驗(yàn)證東五平臺(tái)全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研制了推進(jìn)服務(wù)艙結(jié)構(gòu)與典型通信載荷艙結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)，并順利通過所有工況驗(yàn)收級(jí)和鑒定級(jí)試驗(yàn)。驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，確認(rèn)了結(jié)構(gòu)部裝的工藝性與可行性，平臺(tái)結(jié)構(gòu)滿足運(yùn)載火箭發(fā)射載荷下的強(qiáng)度要求，結(jié)構(gòu)承載能力具有擴(kuò)展到9000kg 的潛力。通過東五平臺(tái)結(jié)構(gòu)星整星滿箱、空箱情況下的鑒定級(jí)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，星上大部件（重疊壓緊天線、可展開式熱輻射器、太陽翼）接口設(shè)計(jì)的正確性。

推進(jìn)系統(tǒng)驗(yàn)證

（1）化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)驗(yàn)證

東五平臺(tái)主要試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目情況

按照化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)在軌工作模式和工況，完成了東五平臺(tái)化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)整星級(jí)地面點(diǎn)火試車試驗(yàn)。點(diǎn)火試驗(yàn)過程中，化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)的系統(tǒng)匹配性良好。通過試驗(yàn)，全面獲取了東五平臺(tái)化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)真實(shí)推進(jìn)劑下的系統(tǒng)性能參數(shù)，驗(yàn)證了化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)的系統(tǒng)匹配性、穩(wěn)定性等功能和性能，全面驗(yàn)證了東五平臺(tái)化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)地面加注流程，驗(yàn)證了平衡排放控制方案以及混合比主動(dòng)控制策略的有效性。

（2）電推進(jìn)系統(tǒng)驗(yàn)證

按照電推進(jìn)分系統(tǒng)在軌工作模式和工況，完成了東五平臺(tái)電推進(jìn)分系統(tǒng)系統(tǒng)級(jí)地面點(diǎn)火試車試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，電推進(jìn)分系統(tǒng)的匹配性良好。在東五平臺(tái)試驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星正樣研制過程中，完成了東五電推進(jìn)分系統(tǒng)的集成與測(cè)試，并通過了整星鑒定級(jí)力學(xué)試驗(yàn)、熱試驗(yàn)等，并在真空罐中完成了電推進(jìn)分系統(tǒng)真空點(diǎn)火試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果正常。

熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證

在完成實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星整星總裝、集成、電性能測(cè)試、力學(xué)試驗(yàn)后，進(jìn)行了整星熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)中熱控產(chǎn)品（熱管、加熱器、多層隔熱組件、流體回路）工作性能良好，驗(yàn)證了東五平臺(tái)熱控設(shè)計(jì)的合理性，星上設(shè)備溫度余量滿足要求，載荷艙散熱能力滿足9kW 的要求。

電性能驗(yàn)證

實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星開展了電性能綜合測(cè)試，整星電測(cè)加電時(shí)間共計(jì)1500 余小時(shí)，各階段的測(cè)試過程中，對(duì)整星設(shè)備間的遙測(cè)遙控接口、數(shù)據(jù)信息進(jìn)行了全面的測(cè)試。測(cè)試過程衛(wèi)星功能性能良好。

運(yùn)輸匹配性驗(yàn)證

整星采用空運(yùn)的運(yùn)輸方式，并在實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星整星運(yùn)輸過程中進(jìn)行了全面的驗(yàn)證。到達(dá)發(fā)射場(chǎng)后，衛(wèi)星狀態(tài)正常，衛(wèi)星檢漏結(jié)果正常。表明該衛(wèi)星與整星包裝箱兼容性良好，整星包裝箱與運(yùn)輸飛機(jī)、運(yùn)輸車兼容性良好。

大系統(tǒng)匹配性驗(yàn)證

通過實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星研制過程，驗(yàn)證了東五平臺(tái)衛(wèi)星在發(fā)射場(chǎng)的技術(shù)流程、計(jì)劃流程的合理性；驗(yàn)證了東五平臺(tái)對(duì)海南發(fā)射場(chǎng)環(huán)境、地面工裝設(shè)備的適應(yīng)性；驗(yàn)證了東五平臺(tái)衛(wèi)星與長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭接口設(shè)計(jì)、與測(cè)控系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)的正確性。大系統(tǒng)匹配性驗(yàn)證為后續(xù)東五平臺(tái)衛(wèi)星的研制提供了基礎(chǔ)。

鑒定件研制

東五平臺(tái)各新研單機(jī)陸續(xù)開展了鑒定件研制工作，已完成包括鋰離子蓄電池、二維二次展開半剛性太陽翼、大功率太陽帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、板式全管理貯箱、氦氣瓶、氙氣瓶等在內(nèi)的所有鑒定件的研制與鑒定試驗(yàn)，確定了平臺(tái)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)基線。

5 應(yīng)用前景

東五平臺(tái)作為中國(guó)換代發(fā)展的地球同步軌道衛(wèi)星平臺(tái)，在充分繼承成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用了大量新技術(shù)，牽引了衛(wèi)星平臺(tái)共性技術(shù)的發(fā)展，能滿足中國(guó)2030年前地球同步軌道通信和遙感領(lǐng)域衛(wèi)星需求，平臺(tái)性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際一流水平。目前，東五平臺(tái)已完成所有關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、分系統(tǒng)級(jí)和整星級(jí)的試驗(yàn)驗(yàn)證，基于該平臺(tái)研制的實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星已于2019年12年27日成功發(fā)射，衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)良好。東五平臺(tái)即將全面推入衛(wèi)星市場(chǎng)，將為中國(guó)航天事業(yè)作出貢獻(xiàn)！