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衛星平臺

衛星平臺(satellite plateform)由衛星服務(保障)系統組成、可以支持一種或幾種有效載荷的組合體。衛星平臺實際上就是除了有效載荷或有效載荷艙以外衛星的其余部分。衛星平臺可以由衛星服務(保障)系統組合成一個或幾個艙段,例如服務艙、推進艙和返回艙。現代的通過衛星一般采用衛星平臺研制,這樣做可以降低研制難度、成本,提高效率。

中文名稱衛星平臺英文名稱satellite plateform
組成由衛星服務(保障)系統組成發展遠景衛星有效載荷和平臺技術均的發展

研發背景

從已研制成功的衛星分析,衛星平臺不論安裝什么有效載荷,其基本功能是一致的,只是具體的技術性能會有所差別。根據這一特點,世界上許多國家在衛星研制中,都采取衛星公用平臺的設計思路,使衛星平臺具有通用性,在一定范圍內適應不同有效載荷的要求。也就是說,裝載不同的有效載荷,衛星平臺只做少量適應性修改即可。采用這種公用平臺的設計方法,可以縮短衛星研制周期,節省研制經費,提高衛星可靠性。

支撐衛星的有效載荷的衛星平臺(platform)也稱為服務艙(sevice module或bus),一般分為以下幾個系統:能源分系統為整個衛星提供能源;姿態軌道控制系統保持衛星天線指向和運行軌道的準確;推進系統為衛星定軌,保持軌道和控制姿態提供動量;遙測,測距和指令系統和地面控制中心聯系;溫度控制系統保證衛星各種器件工作在合適的溫度。

發展遠景

在90年代,衛星有效載荷和平臺技術均得到了快速的發展,像星載計算機和電子推進裝置長期以來一直是設計圖紙上的概念,在軌衛星也出現了計算機實效,太陽能帆板故障等問題。當然這并不是技術問題,一方面是由于競爭激烈,客戶需求使得衛星廠家不得不縮短生產和測試的周期。無論是同步軌道或者低軌道衛星,衛星技術變得越來越復雜,但所有的衛星制造商,擁有者,保險公司都有一個共同的期望-高可靠性。

推進分系統

當衛星發射定軌后,主要影響衛星壽命的因素不是電子器件的壽命而是保持衛星定點的燃料的數量。一般來說,衛星整體重量的25%是用來保持姿態和軌道的燃料。衛星的設計者也本著使衛星有更大有效質量原則來設計衛星-更多的器件,更少的燃料。休斯研制的氙離子發動機(xips),對燃料的的需求僅僅是原來的10%,97年發射的panamsat-5是第一個采用xips的衛星。勞拉根據俄國的設計開發的霍爾效應發動機(hall-effect)或稱固定等離子體發動機,將用在2000年發射的法國stentor衛星上。著兩種方案的目標相同,但實質上有很大的區別。休斯的xips實際上是比沖大但推力小的發動機,即發動機的效率很高達到使用較少燃料的目的,但由于推力器的推力太小,做一次機動可能需要幾個小時的時間,這對有做軌道機動來說是不利的,尤其對有需要有時間效應的軌道傾角機動不利。軌道機動需要再短時間內提供大的速度變化。長時間的操作不得不考慮地球重力場對軌道的影響。勞拉的發動機對電能的需要不大,結構和電子設備都相對簡單,如果說xisp是節省了重量而犧牲了時間,勞拉的發動機的燃料使用效率降低但提高的重量使用效率。使用傳統的雙組源燃料,衛星每年大約消耗2%的燃料來保持軌道,一般壽命為15年,改用新型的推進系統,每年使用的燃料降低到0.5%,可以使衛星壽命增加到20-30年。太陽能帆板的效能每年約下降1%,所以上壽命的衛星在多年后將面臨功率問題。這時衛星的壽命取決于經濟而非技術問題。

控制分系統

姿態和軌道控制分系統有各種傳感器(地球傳感器,太陽傳感器,陀螺等),姿態軌道處理器(計算機)和執行機構(噴嘴,動量輪等)組成,用來確保衛星姿態指向和軌道定點誤差在允許的范圍內。盡管多年來對傳感器的開發一直在進行,可能最有意義的是從機械陀螺到電子陀螺的跨越。比如在運載火箭上開始應用的激光陀螺,感知運動的原理是在比較在一組鏡面之間相反方向上的光波的傳播。

日前休斯和nasa推進實驗室開發了一種稱為“芯片陀螺”,相比傳統陀螺更輕,更便宜,結構更簡單。尺寸為4*4mm,不到1克重。芯片陀螺感知高速旋轉的微機械硅的震動,因為沒有傳統陀螺的轉動結構和潤滑油,這種陀螺的壽命應該是很長的。即使不能長壽,如此輕的陀螺不妨多裝幾個作為備份。

溫控分系統

功能日益強大,為衛星設計帶來一個負面影響,電子器件都產生熱量,實際上限制衛星功率增加的因素不是有沒有能力增加功率而是有沒有能力使得產生的熱量可以被輻射(在太空中沒有空氣,熱量的耗散只能靠熱輻射,沒有熱傳導)。一般來說,三軸穩定衛星的6個面板中只用了2個來輻射熱量(北面板和南面板),這里溫度較低可以有效的輻射熱量,在其他的位置上安裝熱管和輻射器使得熱量在整體上達到平衡,除了氨,在熱管中使用甲苯或水等流動性物質達到星體內更高的熱傳導效果,也可以使用可伸展的輻射器以增加有效輻射面積。

尺寸、重量和能量

一直以來,衛星的尺寸和重量總是和發射火箭的運載能力聯系在一起,在設計衛星的時候要考慮將要使用火箭的能力,而火箭也要考慮到衛星的特性。隨著火箭技術的不斷提高,衛星的大小和尺寸也不斷升級,60年代的衛星約為1立方米,到90年代已經到了15米的長度,其中包括上天以后可以伸展的部分如太陽能帆板,天線等。最大的自旋通信衛intersat vi,由修斯公司于80年代制造,星體直徑3.6米,高5.5米,如果天線完全展開,衛星高達11.7米,大概是4層樓高。帆板展開后長26米-8層樓高。

另外一個和尺寸相關的因素當然是指質量,對衛星設計制造者來說是需要再整個項目階段都要注意的事情-質量預算。較少的質量一方面可以使火箭將衛星送到更高的軌道,一方面可以允許衛星裝載更多的燃料,可以有效延長衛星在軌壽命。同步軌道通信衛星的質量從80年代初的1噸左右到今天的3-4噸,衛星質量的增加表明衛星攜帶的有效載荷和質量增多了,說明衛星的能力也得到增強。當然,對于低軌道衛星的質量一直保持在1噸以下,為了滿足衛星日益增多的有效載荷的能源需求,對于能源分系統的要求也不斷增加。當衛星通信能力逐漸增大的同時,對衛星能源系統的要求也越來越高,70年代的衛星功率大約在1000w左右,80年代到達3000w,而在90年代,一般的衛星功率都在5000w以上。

東方紅四號衛星平臺

東方紅四號(DFH-4)是中國第三代通信衛星平臺,具有整星功率大、承載能力強、服務壽命長等特點。該衛星平臺包括推進艙、服務艙及太陽帆板,并采用三軸穩定模式。東方紅4號衛星平臺是一個能力強、壽命長的通信衛星平臺,輸出功率和通信能力與國際上類似的平臺相當。

DFH-4衛星平臺適用于大功率的通信及廣播衛星、直播衛星及區域移動通信衛星。

采用東方紅四號衛星平臺研制的通信衛星

圖:采用東方紅四號衛星平臺研制的通信衛星

截至2013年12月31日,中國已分別向國際用戶成功在軌交付尼日利亞通信衛星一號、委內瑞拉一號通信衛星、巴基斯坦1R通信衛星、尼日利亞1R通信衛星及玻利維亞通信衛星采用東方紅四號衛星平臺的通信衛星。

衛星平臺
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最新更新:2016-01-14 10:24
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