通信卫星的卫星平台与有效载荷
文/
廖可飞天勇士
——
卫
星平台
卫
星凝聚着人类的骄傲，它是飞天的勇士。虽然卫星平台只是卫星的一部分，但是它主宰着精彩的太空飞行。它撑起卫星的豪华体
魄，流淌着最先进科技的血液，隐藏着未来科技的基因。
高科技游戏
卫星造型迥异、外观不一、千变万化，但大体上有着基本的构造，主要由公用系统的卫星平台和专用系统的有效载荷两大部分组成。卫星平台主要负责太空飞行，而有效载荷则负责执行任务。
为了适应各种卫星，满足不断变化的科技需求和执行多种任务，卫星专家将卫星的一部分设计成一种能够灵活安装各种有效载荷的卫星平台。这样的设计方法可以缩短卫星的研制周期，节省研制经费，提高卫星可靠性，保障卫星安全飞行和有效工作。
卫星平台是公用系统，它仿佛是一辆汽车的半成品，包括车架、底盘和发动机。如果安装载客车身，它就变成公交车；如果安装了车斗，它就变成物料运输车；如果安装了消防设备，它就变成消防车……如果没有一个可靠的卫星平台，卫星就不安全，因而卫星平台是非常重要的。
卫星平台主要由结构系统、动力系统、电力系统、通信系统、导航系统、姿态与轨道控制系统、温度控制系统，以及遥测、测距和指令系统等组成。结构系统是卫星的骨架和星体，可采用球体、扁平体、四面体、六面体、多面体等，以便在内部安装各种系统、设备和仪器。骨架材料一般采用铝合金、碳纤维等。动力系统包括发动机、姿态发动机、游动发动机、燃料箱等，为卫星飞行、保持速度和控制姿态提供动力。电力系统包括太阳能帆板和电池等，为整个卫星提供电力。太阳能帆板一般采用砷化镓太阳能帆板。电池一般采用离子电池。通信系统包括天线、馈源、转发器等，负责卫星与地面的通信。通信系统的频率一般采用C 频段、Ku 频段和Ka 频段。温度控制系统安装了空调设备，随时调节温度，保证卫
星各个系统和设备的工作温度。遥测、测距和指令系统，包括激光测距仪、高度仪等，用以保证遥测、测距和指令畅通，保证卫星
与地面飞控中心畅通信息。姿态与轨道控制系统由三轴
Ka 频段多波束天线
Ka 频段多波束天线
姿态稳定系统轨道位置定位系统
遥控系统广播系统
太阳能帆板（北）
Ka 频段有源相控阵天线
转发器系统
温度控制系统
动力系统太阳能帆板（南）
稳定系统、地球传感器、太阳传感器、导航系统等组成。三轴稳定系统由反应轮、扭矩杆和反应发动机组成。姿态与轨道控制系统能够确保卫星飞行在正确轨道上，天线精准指向地球，太阳能帆板面向太阳。
卫星平台是卫星的重要组成部分，需采用最安全、最可靠的科技和最新科技。卫星平台初始的研制费用非常昂贵，一旦定型就可以广泛运用，费用也就会大幅减少。卫星平台的价值也非常昂贵，少则几亿美元，多则几十亿美元。至2019年年底，各国卫星公司共研制了大约155种卫星平台，都在努力抢夺国际卫星市场。而创新，已成为卫星平台竞争的撒手锏。
无心插柳的大创新
2001年7月12日，欧洲太空局的
“阿蒂米斯号”中继卫星发射升空。原计划是飞控人员指令“阿蒂米斯号”卫星的远地点发动机8次点火，转移到31000千米的圆形轨道上，再上升到36000千米的静止轨道。由于火箭上面级故障，卫星停留在近地点590千米，远地点17487千米的低转移轨道上。这儿距离36000千米的静
止轨道，实在是差远了。
这颗通信卫星装有一种电力推进器——离子推进器，用于保持升轨定点、位置保持、姿态调整等。电力
推进器的特点是体积很小、效率很高
日
本﹃纽带﹄通信卫
星的结构
“谷科”地球重力卫星的内部结构
美
国﹃陆地-8
号﹄卫星平台与有效载荷
和技术不难，但推力却很小。
怎么办？飞控人员只有一个选择：让卫星上的电力推进器临危授命，临时充当火箭发动机的角。“阿蒂米斯号”的离子推进器立即启动，历时18个月，终于到达地球静止轨道。这次能顺利完成任务，电力推进器可谓劳苦功高。
2010年8月14日，美国空军的
“先进极高频-1”军用通信卫星发射
升空，进入近地点221千米、远地点50179千米的同步转移轨道。卫星正准备进入静止轨道，可是液体火箭发动机发生故障，开始太空流浪。这颗价值5亿多美元的卫星面临报废
的危险，除非想办法将卫星送入静止轨道。为了拯救卫星，微推力发动机启动，12个姿态控制发动机也一起帮忙，将近地点高度提高了4700千米。在这个高度上，卫星的太阳能帆板打开，电力推进器激活。电力推进器耗时9个月，终于将卫星送入36000千米的静止轨道。最终，电力推进器挽救了卫星。
世界航天史上这两次无心插柳的太空救援，为电力推进卫星的问世开辟了光明的道路。一般人都将太空救援看成一次事故或一次灾难。其实它也因此启发了卫星专家，一场卫星平台的创新之战已然打响。
美国波音公司的科学家因此思考道：汽车、轮船都能采用电力驱动，为何不能有电动卫星呢？火箭发动机笨重且复杂，安全性和可靠性都不高。卫星本身依靠太阳能发电，能源源不断，而且电力推进的电动机比火箭发动机要轻盈、简单得多，安全性和可靠性也高多了。所以全电动卫星相较于传统卫星等于是用时间换空间，用时间换成本，用时间换安全性和可靠性，是非常值得的！
那就让卫星插上电动机的“翅膀”飞行吧！
2012年，欧洲通信卫星组织计
划建造“欧星-115号”通信卫星。在谈判时，波音防御与太空公司主张研制一颗全电力推进的电动卫星。因为之前波音公司的“鬼怪”工厂完成
了“BSS-702SP ”电动卫星平台的设计工作，所以“欧星-115号”成为世界上第一颗完全靠电力推进的电动卫星。其中，2台电动推进器安装在其太阳能帆板下方。
由于电力推进器取代了常规的化学火箭推进器，卫星的重量仅有原来的一半左右，大大降低了火箭发射
美国劳拉太空系统公司的“LS-1300”
卫星平台
波音公司的“BSS-702”
卫星平台
卫
星专家组装卫星平
台
卫星专家组装“”预
警卫星的卫星平台卫星的动力系统——离子推进器
的成本。全电动卫星具有提高发射
重量和最大化有效载荷的优点。而缺点是“就位”耗时较长，从250千米的转移轨道飞向36000千米的静止
轨道需要半年时间。
2015年3月2日，“欧星-115号”通信卫星与另一颗全电动卫星——“亚星-3A号”搭乘美国太空探索技术公司的“猎鹰-9号”火箭，从美国佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升
空。之后，电动发动机多次启动工作，将2颗卫星送入不同倾角的轨道。这是世界航天史上第一次卫星串联发射，是一个重要的里程碑。
无心插柳，也能创造奇迹。无论世人怎样评价全电动卫星，它都为卫星平台研制打开了一条崭新的思路，成为未来卫星的首选和最佳选择。现在，许多最先进的通信卫星都是全电动卫星，选用全电动动力已经成了世界潮流。
超越梦想
俗话说：“好马配好鞍。”一颗质量上乘的卫星必须要有一个安全、可靠和强劲的卫星平台。
迄今我国已成功研制了“东方红”系列卫星平台，如“东方红-2号”、“东方红-3号”、“东方红-4号”和“东方红-5号”。其中，
“东方红-2号”是自旋稳定卫星，其余的是三轴稳定卫星。
“东方红-3号”是我国第3代通信卫星平台，可用于通信卫星、导航卫星和太空探测器。它具有整星功率大、承载能力强、服务寿命长等特点。“东方红-3号”卫星平台包括推进舱、服务舱和太阳帆板，采用三轴稳定系统等，适用于大功率的通信卫
星、广播卫星、直播卫星和移动通信
卫星等。“东方红-3号”卫星平台号
称“中国的法拉利”，2000年-2019年
年底，它曾分别安装在“北斗”导航卫
星、“天链”中继卫星、“嫦娥-1号”月
球探测器等43颗卫星和探测器上。
而“东方红-4号”卫星平台是我
国第4代卫星平台，应用于通信卫
星、广播卫星、直播卫星、移动通信卫
星、中继卫星和互联网卫星。它由电
源、测控、数据管理、姿态和轨道控
制、推进、结构与机构、热控等系统组
成，采用三轴稳定控制方式。它拥有
588千克的有效载荷能力，功率为
10.5千瓦，属于我国新一代大型通信
卫星平台。在输出功率和通信能力
上，“东方红-4号”卫星平台都属于
高性能卫星平台，可与国际先进的卫
星平台媲美。2007年-2019年年底，
“东方红-4号”卫星平台已经安装在
31颗中外卫星上，功能强大。
“东方红-5号”卫星平台是一种
全新的超大型卫星平台，应用于大型
地球同步轨道通信卫星和地球观测
卫星。它运用了多项新技术，如电力
推进技术、网络热管和可展开式热辐
射器技术、新一代电源控制器技术、
综合电子技术等。
未来，我国的新型卫星平台将继
续发挥能力强、寿命长的优势，去承
载中华民族千年的飞天梦想。
2
台
电
动
发
动
机
位
于
太
鬼怪汽车阳
能
帆
板
之
间
。
主要技术指标