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发信人: bage (天下无不是的父母), 信区: Aero
标  题: 现代卫星平台技术 
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月27日12:30:55 星期三), 站内信件

现代卫星平台技术
　 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(Platf
orm)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。
HS-376 : APSTAR 1A
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
信卫星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，Sin
osat等卫星的星体为2-3米，帆板展开后长26米-8层楼高。
　　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)
HS601： JCSAT3
　　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。
　　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A210
0AX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FS
1300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1
5000W。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70
2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 Aeros
pazio开发Italsat平台。
能源分系统
LORAL FS1300: TELSTAR 4
　　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）。
　　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OLYMP
US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。 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Pan
AmSat-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-E
FFECT)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。
东方红3号： 中星6号
　　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。
《Asia Pasific Satellite》
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