执平台

现代卫星平台技术

摘译自《Asia Pasific Satellite》

除了大家熟知的卫星有效载荷部分-转发器。支撑卫星的有效载荷的卫星平台(Platform)也称为服务舱（sevice module 或 bus)，一般分为以下几个系统：能源分系统为整个卫星提供能源；姿态轨道控制系统保持卫星天线指向和运行轨道的准确；推进系统为卫星定轨，保持轨道和控制姿态提供动量；遥测，测距和指令系统和地面控制中心联系；温度控制系统保证卫星各种器件工作在合适的温度。
尺寸，重量和能量一直以来，卫星的尺寸和重量总是和发射火箭的运载能力联系在一起，在设计卫星的时候要考虑将要使用火箭的能力，而火箭也要考虑到卫星的特性。随着火箭技术的不断提高，卫星的大小和尺寸也不断升级，60年代的卫星约为1米见方，到90年代已经到了15米的长度，其中包括上天以后可以伸展的部分如太阳能帆板，天线等。最大的自旋通信卫INTERSAT VI,由修斯公司于80年代制造，星体直径3.6米，高5.5米，如果天线完全展开，卫星高达11.7米，大概是4层楼高。现在的三轴稳定卫星如INTERSAT VII，Sinosat等卫星的星体为2-3米，帆板展开后长26米-8层楼高。
HS-376 : APSTAR 1A

另外一个和尺寸相关的因素当然是指质量，对卫星设计制造者来说是需要再整个项目阶段都要注意的事情-质量预算。较少的质量一方面可以使火箭将卫星送到更高的轨道，一方面可以允许卫星装载更多的燃料，可以有效延长卫星在轨寿命。同步轨道通信卫星的质量从80年代初的1吨左右到今天的3-4吨，卫星质量的增加表明卫星携带的有效载荷和质量增多了，说明卫星的能力也得到增强。当然，对于低轨道卫星的质量一直保持在1吨以下，近来出现的所谓“微小卫星”，质量仅在10-100公斤左右。为了满足卫星日益增多的有效载荷的能源需求，对于能源分系统的要求也不断增加。当卫星通信能力逐渐增大的同时，对卫星能源系统的要求也越来越高，70年代的卫星功率大约在1000W左右，80年代到达3000W，而在90年代，一般的卫星功率都在5000W以上。
卫星平台类型(bus) 主要的卫星制造商都有一系列的卫星平台提供一定的质量，能源和尺寸等指标。例如休斯(HUGHES),是世界上最大的卫星制造商之一，他生产的HS376平台，第一次从1977年为SBS开始制造。376是自旋稳定卫星，其一项发明之处是可延展的太阳能帆板套筒，在发射期间是套在卫星本体上的，在发射后则向下伸展开来，增加太阳能电池片的可用面积，虽然这样做会带来卫星在轨道上的不稳定性，休斯在卫星上加装章动阻尼装置来消除不稳定。 HS376卫星被包括美国和世界上许多国家的卫星通信经营商所购买，尽管后来出现了新型的卫星平台，但由于HS376良好的飞行纪录，价格便宜(30% MORE),造作简单而一直受到客户的欢迎，近年来休斯也逐渐改进，如采用高性能太阳能电池，赋型天线，使用sspa等。在1990年的Brasilsat B系列卫星项目中，376的改进型HS376w能够携带更多的转发器和提供比标准376多60%的功率。另外一种变形是376L,90年代初卖给泰国卫星组织。砷化钾也代替硅用作太阳能电池，效率可以提高40%。当然，为了满足更多有效载荷的需求，不许使用三轴稳定卫星。
	HS601： JCSAT3

休斯的第一颗三轴稳定通信卫星是HS601,卫星设计的相当成功，继而接替376成为世界上卖的做好的通信卫星，从601基本平台发展起来的HS601HP,可以提供高达8000W的功率以满足多类型转发器和卫星直播的要求。 1995年起，休斯开发了新一代卫星平台HS702,使用两个砷化钾太阳能帆板可以提供高达15000W的功率，和376一样，休斯设计思路追求简单性：按休斯的说法，有效载荷可以仅仅使用4个螺钉和6个电子连接设备就可以和平台组合起来。休斯的最大竞争者是洛克希德马丁公司，他继承了从GE ASTRO到MARTIN MARIETTA ASTRO SPACE的卫星制造能力，卫星平台有3000，4000，5000和7000系列。目前主要从事生产A2100系列卫星平台，是可以和休斯601和702向抗衡的卫星平台。如CHINASTAR-1功率为7700W,EOCHSTAR-101功率为6800W。Aces的Gaurda-1卫星使用的是A2100系列的A2100AX平台。和HS702一样，A2100追求简单性（模块化-编者）。公司宣传说“可以提供更高的可靠性和更高的生产能力，使得卫星价格更低，生产速度更快，卫星寿命更长” 　劳拉(space system loral)是美国第三大卫星制造厂商，前身是福特宇航（制造了世界上第一颗三轴稳定卫星），其长期以来使用的1300公斤重的卫星平台后发展成为FS1300型号平台，曾经为INTERSAT制造了15颗5代星，卫星不断发展，目前功率已经到达15000W。从90年代起，劳拉改进其生产管理方法，使得成产成本下降了30%，卫星质量下降30%，卫星交付周期下降到24个月。劳拉也在设计更新的平台LS2020,以便和休斯的702和洛克西德的A2100相抗衡。尽管欧洲在卫星制造技术和可靠性上至少和美国同行一样，但在卫星销售商远远不能和美国卫星厂商相比，目前有Aerospatiale开发的Spacebus系列卫星，Alenia Aerospazio开发Italsat平台。
能源分系统卫星功率的大小作为卫星平台部分的最重要的指标之一，卫星厂家一直都致力于改进卫星太阳能帆板的效能，主要是太阳能电池转换太阳能到电能的效率。初期太阳能帆板都使用硅电池，后来出现了砷化镓(GaAs)。在80年代，硅片的转换效率是13%-16%,砷化镓可以提供16-19%，但后者价格较贵。可能用户多付出20%的钱，可以使能源增加10%。有些卫星则将两种电池搭配使用。另一种最近的技术是双层面砷化镓电池片，由两层电池片组层，底下是标准的砷化镓，上面是一层高效的镓-铟-磷化物，上面吸收较短波长的光线，较长波长的光线透过第一层被第二层吸收，这样转换效率得到了提高。 99年10月，休斯空间实验室宣布了世界上效率最高太阳能电池片-32.3%的3层面电池（镓-铟-磷化物/砷化镓/锗）。
	LORAL FS1300: TELSTAR 4

高效的能源系统意味着较小的太阳能帆板面积和较轻的质量。另外一种办法是尽量增大太阳光线的吸收面积，比如在帆板附近安装更大面积的太阳光反射板，这种方法同时也增大了帆板在轨展开动作的难度。另一种方式是使用更大面积的柔性太阳能帆板，比如1980年的欧空局(ESA)的OLYMPUS卫星，哈勃太空望远镜等，在通信卫星中依然使用带铰链的刚性太阳能帆板结构。在地影期间，卫星每天有一段时间不能看见太阳，这是整星能源有蓄电池供给，最早使用的镍铬(NiCd)电池，后来较多使用镍氢(NiH2)电池，后者效率更高并且没有所谓“记忆效L应”。

	温控分系统卫星现在可以产生很高的功率，星载器件逐渐增多，功能日益强大，为卫星设计带来一个负面影响，电子器件都产生热量，实际上限制卫星功率增加的因素不是有没有能力增加功率而是有没有能力使得产生的热量可以被辐射（在太空中没有空气，热量的耗散只能靠热辐射，没有热传导）。一般来说，三轴稳定卫星的6个面板中只用了2个来辐射热量（北面板和南面板），这里温度较低可以有效的辐射热量，在其他的位置上安装热管和辐射器使得热量在整体上达到平衡，除了氨，在热管中使用甲苯或水等流动性物质达到星体内更高的热传导效果，也可以使用可伸展的辐射器以增加有效辐射面积。
洛克西德马丁A2100: CHINASTAR-1

姿态和轨道控制分系统姿态和轨道控制分系统有各种传感器（地球传感器，太阳传感器，陀螺等），姿态轨道处理器（计算机）和执行机构（喷嘴，动量轮等）组成，用来确保卫星姿态指向和轨道定点误差在允许的范围内。尽管多年来对传感器的开发一直在进行，可能最有意义的是从机械陀螺到电子陀螺的跨越。比如在运载火箭上开始应用的激光陀螺，感知运动的原理是在比较在一组镜面之间相反方向上的光波的传播。由于质量和功率要求的原因目前尚没有应用到卫星上。日前休斯和NASA推进实验室开发了一种称为“芯片陀螺”，相比传统陀螺更轻，更便宜，结构更简单。尺寸为4*4mm，不到1克重。芯片陀螺感知高速旋转的微机械硅的震动，因为没有传统陀螺的转动结构和润滑油，这种陀螺的寿命应该是很长的。即使不能长寿，如此轻的陀螺不妨多装几个作为备份。推进分系统当卫星发射定轨后，主要影响卫星寿命的因素不是电子器件的寿命而是保持卫星定点的燃料的数量。一般来说，卫星整体重量的25%是用来保持姿态和轨道的燃料。卫星的设计者也本着使卫星有更大有效质量原则来设计卫星-更多的器件，更少的燃料。休斯研制的氙离子发动机（XIPS），对燃料的的需求仅仅是原来的10%，97年发射的PanAmSat-5是第一个采用XIPS的卫星。劳拉根据俄国的设计开发的霍尔效应发动机(HALL-EFFECT)或称固定等离子体发动机，将用在2000年发射的法国Stentor卫星上。着两种方案的目标相同，但实质上有很大的区别。休斯的XIPS实际上是比冲大但推力小的发动机，即发动机的效率很高达到使用较少燃料的目的，但由于推力器的推力太小，做一次机动可能需要几个小时的时间，这对有做轨道机动来说是不利的，尤其对有需要有时间效应的轨道倾角机动不利。轨道机动需要再短时间内提供大的速度变化。长时间的操作不得不考虑地球重力场对轨道的影响。劳拉的发动机对电能的需要不大，结构和电子设备都相对简单，如果说XISP是节省了重量而牺牲了时间，劳拉的发动机的燃料使用效率降低但提高的重量使用效率。使用传统的双组源燃料，卫星每年大约消耗2%的燃料来保持轨道，一般寿命为15年，改用新型的推进系统，每年使用的燃料降低到0.5%，可以使卫星寿命增加到20-30年。太阳能帆板的效能每年约下降1%，所以上寿命的卫星在多年后将面临功率问题。这时卫星的寿命取决于经济而非技术问题。发展远景在90年代，卫星有效载荷和平台技术均得到了快速的发展，像星载计算机和电子推进装置长期以来一直是设计图纸上的概念，现在成为了现实。当然，在轨卫星也出现了计算机实效，太阳能帆板故障等问题。当然这并不是技术问题，一方面是由于竞争激烈，客户需求使得卫星厂家不得不缩短生产和测试的周期。无论是同步轨道或者低轨道卫星，卫星技术变得越来越复杂，但所有的卫星制造商，拥有者，保险公司都有一个共同的期望-高可靠性。