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。 |
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HS-376 : APSTAR 1A |
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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。 |
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HS601: JCSAT3 |
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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)。 |
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LORAL FS1300: TELSTAR 4 |
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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”。 |
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