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殷岂:实践十三号的意义

2017-04-15 15:29:07

【文/ 观察者网专栏作者 殷岂】

本周三,我国航天工作者们又把一颗卫星顺利的送上了天,那就是实践十三号通信卫星。不过它还有另外一个名字,那就是中星16号。实践十三号是我国首颗高通量通信卫星,首次应用Ka频段多波束宽带通信系统。在完成试验验证以后,卫星将纳入“中星”系列,命名为“中星16号”。

实践十三号卫星工程由国防科工局组织实施。卫星、运载火箭分别由中国航天科技集团公司中国空间技术研究院、中国运载火箭技术研究院研制,地面测控系统由西安卫星测控中心负责,运控和试验应用系统由中国卫通集团有限公司负责。

中国卫通运营并管理着十多颗在轨通信卫星,而中星十六号将成为其首颗具备ka频段通信能力的通信卫星

对于中国航天来说,实践十三号确实创下了多个第一,亮点颇多,那么这些亮点都有些什么特别之处呢?

首先来说说电推

所谓卫星电推,其实应该叫离子推进器。其原理是先将气体电离,然后用电场力将带电的离子加速后喷出,以其反作用力推动航天器。由于带电离子在推进器中会被加到10~18千米/秒的超高速度,因而工质的使用效率非常高,带来的直接好处就是高达3000秒比冲。

离子推进器

2015年,SpaceX的就一次发射了两枚全电推进的通信卫星,其中一颗是中国香港亚洲通信公司的ABS-3A,一颗是欧洲的Eutelsat 115 West B。这两颗卫星都是基于波音BSS-702SP平台,安装了四台XIPS-25离子推进器,比冲达3500秒,推力则只有165mN。由于SpaceX的Falocon9只是把卫星送入了地球同步转移轨道(GTO),也就是远地点达到地球同步轨道高度35786千米的椭圆形轨道。

ABS-3A(上)和Eutelsat 115 West B(下),可以看到每个卫星一侧都安装了2台离子推进器,每个卫星总计4台

以ABS-3A为例,其轨道定位为西经3度的地球同步轨道(GEO),即便是安装了四台离子推进器,其加速度也低到可怜,因而从GTO转移到GEO将会花费6-8个月的时间才能完成轨道圆化和轨道定点。当然这样操作也是有好处的,就是能够最大限度的利用火箭载荷能力,从而降低卫星单位重量的发射成本。对于一颗使用寿命长达15年的通信卫星来说,花上半年时间来缓慢定轨来换取更低的发射成本是非常划算的。

702sp平台的轨道发射及圆化过程,整个周期可能长达8个月

而且在工质携带足够的情况下,离子推进器能够提供极长的加速时间,NASA的离子推进动力样机曾持续工作48000小时,超过五年半。在达到这个工作时间之后,该推进器被关闭,在整个实验过程中,这台推进器消耗了870公斤的氙推进剂。如果这套动力使用到深空探测器上,那么至少可以将探测器加速到每秒40公里的速度。如果使用传统的化学燃料推进器,至少需要消耗10吨的燃料,这不仅将极大的挤占探测器的有效载荷空间,对于发射探测器的火箭来说,要求也高了不少。

离子推进器原理示意图

而此次实践十三号卫星安装了四台200毫米口径的LIPS-200离子推进器。LIPS-200是由中国航天科技集团公司五院510所自主研制的中国首个卫星用200毫米离子电推进系统,地面寿命及可靠性试验累计工作时间达到6000小时,开关机3000次。单台推进器的额定推力40mN,比冲达3000s,相比之下化学火箭发动机中比冲最高的氢氧发动机也只有400多秒。

中国航天200毫米离子电推进系统

航天科技在此基础上开发了又LIPS-200+、LIPS-100、LIPS-300系列离子电推进系统。这些推进器的功率大多在1千瓦至5千瓦量级。中国空间技术研究院计划在2020年完成50千瓦量级大功率推力器的关键技术攻关。如果将40个这样的推力器组成阵列,可让300吨量级的飞船在200天左右到达火星。

从短期内考虑,我国自行研发的离子推进器在通信卫星等地球圈内航天器上使用成熟之后,必将会应用到以后的深空探测器上,来满足长时间加速和不断变轨的需求。

中国的通信卫星到底达到什么水准

实践十三号卫星是我国首颗高通量,通信总容量为20Gbps,通信总容量超过了之前我国研制的所有通信卫星容量的总和。这样的带宽水平,放到国际上并不是太出彩,和国际上许多80Gbps甚至100Gpbs带宽的通信卫星相比,实践十三号的通信容量并不算多。但是相比我国之前在轨的通信卫星普遍不超过2Gbps的通信容量,实践十三号确实又是“质的突破”。

实践十三号卫星CG图

实践十三号不止通信容量有限,覆盖范围也相对不足。不过这一切都将在实践十八号上天之后成为历史。实践十八号不光在通信容量上达到70Gbps,基本赶上国际先进水平,和实践十三号形成组网之后可以覆盖中国所有陆地和海上疆域,包括南海。

而实践十三号采用的Ka频段对于中国航天在通信卫星上也是首次突破,如果说原先的ku频段和C频段是30座的大巴,那么ka频段就是8节的高铁列车。由于ka频段的频率范围更广,就能容纳下更多的无线通信线路。

不止性能参数比实践十三号大幅提升,实践十八号卫星还将采用全新的大容量卫星公用平台——东方红五号平台,作为我国第五代通信卫星平台,它的整星输出功率将达28千瓦,有效载荷重量1500千克,载荷能力是实践十三号的东方红3B平台的三倍。

除了都采用新一代的平台之外,实践十三号和实践十八号都采用了国产通信卫星转发器,虽然在出口型号上可以选装法国泰利斯公司的转发器,不过那更多是为了满足国际客户的需求。目前我国已经出口的多颗通信卫星上,大多是国产转发器和法国转发器各占一半。

由于带宽容量的不足,多年以来,我国的通信卫星服务大多只是面向特地行业服务比如银行金融,又或者只是提供卫星电视的转发,实践十三和实践十八最重要的意义,是其具备的带宽容量能满足向民用行业开放。不过算算实践十三号和十八号都到位之后能够提供的总带宽和我国民用卫星通信市场的需求,似乎还是无法满足人民群众的需求。高铁上的乘客可以还通过普通4G网络来满足旅途中上网的需求,而航空公司如果想要在民航客机上普及WIFI,那么就只能依赖高容量的通信卫星了,中国航天在这条路上还是需要快马加鞭才行。

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殷岂

殷岂

独立军事评论员

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来源:观察者网 | 责任编辑:王宇波
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