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东方红四S平台

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        2015年11月11日,在西昌卫星发射中心测试大厅里,约5米高的老挝一号通信卫星金装灿灿,正与悉心培育它3年多的“家长们”做最后的道别。当天,老挝卫星将完成星箭合璧。

         卫星东西两侧,两个天线已经收拢起来,只待飞抵太空后完全展开,像两只顺风耳一样迎送八方信号;南北两侧,两块太阳翼折叠后,平整地贴在卫星身上……单从外观来看,它与采用了东方红四号卫星平台的亚太九号通信卫星胖瘦无异,仅仅矮了半米。

      “东方红四S卫星平台(简称东四S平台)具备‘小而精’的特点,很好地满足了中等容量、高技术指标的国际用户需求。”老挝一号通信卫星总指挥周志成说,老挝卫星装有22路转发器,重量仅有4吨,使用寿命却长达15年,所以选择了东四S平台。

那么,东四S平台是如何让老挝卫星变得更小、更强、更聪慧的呢?

        在东四S平台8个分系统组成的标配中,综合电子系统、电推进分系统都是首次在我国通信卫星平台上采用。其中,电推进分系统是可剪裁配置,可以根据有效载荷重量、卫星寿命要求以及采用的运载火箭类型决定是否采用。不配置电推进分系统,卫星可承载450千克载荷,服务寿命达15年;配置电推进分系统,则可以将载荷重量增至600千克。

        老挝卫星载荷重约300千克,所以没有配置电推进分系统。但该系统的单机、分系统及系统集成技术都已被攻克。首颗配置电推进分系统的国产通信卫星预计于2017年初发射。

        要说采用了东四S平台的老挝卫星与其他通信卫星最大的区别,当属使用了新一代综合电子技术和锂离子电池技术。其中,创新的综合电子技术将东四平台中25台设备才能实现的功能集成在了5台设备上,使卫星不仅瘦身65千克,而且“体魄”更强了。

          在其他通信卫星上,星务和控制要靠两台计算机的“大脑”来完成。老挝卫星上,一台“最强大脑”就可以完成这两部分功能。这台“大脑”的软件还有“安全卫士”的功能,可以智能检测到星上的异常,并快速对故障进行处理,最大程度保证卫星通信正常。

          为了确保卫星连续工作15年的燃料,研制团队还设计研制了1米见方、国内直径最大的贮箱,能装1吨多推进剂。贮箱重量只有60多公斤,壳体壁厚与公交IC卡相当,减重10%以上,寿命却达到了18年以上。这是目前国际上最薄、最长寿的贮箱。而锂离子电池的使用又使卫星瘦身大约80千克。“东四S平台设计的宗旨就是要实现集成化、轻量化,提高卫星承载比。”老挝一号通信卫星总设计师李峰说。

填补断层 坚持走国产化之路

       “东三卫星平台的发射重量是2.3吨,东四卫星平台的发射重量是5.1吨,中间出现了一个断层。最初决定研制东四S平台,就是为了填补这一能力空缺。”李峰说。

        2009年,东四S平台获国家批复立项了。该平台在最初设计时,兼顾了通信卫星和导航卫星的应用需求。只是在后来转入正样卫星研制后,导航卫星才根据自己的任务要求进行了局部更改。这样,新一代北斗导航卫星与老挝一号通信卫星始出一家。

       “既要站在东四平台的肩膀上,又要有新的突破。”据李峰介绍,东四S平台的部分平台和载荷直接继承了“哥哥”东四的成熟产品,结构与东四大同小异,“中心承力筒+壁板”构成了其强壮的骨骼,把整个平台分割为5个模块。

         但东四平台研制较早,有些技术慢慢变得陈旧,尽管在过去10多年里也经历了多次改进,但毕竟是小修小改。“借助于东四S平台开发,对星上的电子设备进行一次系统的更新换代。”李峰说。因此,对于东四S平台上的另外41台单机,研制团队决定采用新研发或者技术改进比较大的产品。

       目前,国际上备受先进卫星平台青睐的综合电子、锂离子电池以及电推进技术,被东四S平台迎为“座上宾”。但是,由于国产锂电池还没有在高轨环境下使用过,一时内部出现了争议。部分人甚至建议在老挝卫星上引进国外的锂离子电池。

       李峰态度坚决。他与电池研制单位一起攻坚克难,把国产锂离子电池与国外产品进行全面分析比对,最后得出结论:“国产锂离子电池的设计理念和参数指标已经达到了国际先进水平,缺少的只是飞行经验。如果地面验证充分,完全满足飞行要求。”

       事实证明,李峰的这个坚持是对的,已经上天的新一代北斗导航卫星采用的就是国产锂离子电池。这看似一小步的前进,对国产锂离子电池的发展却有着划时代意义。

不兼容、难验证新技术带来大难度与先进性相伴的往往是复杂性。

        在东四S平台初样阶段,老挝卫星研制团队做了一颗电性星和一颗结构热控星。花了两年时间对电性星进行了历时三轮、长达1000多个小时的加电测试,又在结构热控星上做了两次整星力学试验和一次热试验。“着实发现了不少技术问题。”老挝一号通信卫星总体主任设计师吕红剑说。

      例如,综合电子分系统中采用了多种专用电子集成电路芯片。在初样研制前期,该芯片尚未研制出来,整体工作又必须同步开展,于是研制团队就采用了模拟电路。当初样研制后期把芯片真正装进去后,原来没有暴露出的电磁兼容问题,此刻显现了出来。

为此,研制团队又花了数月时间,重新设计接口电路、反复测试,直到解决问题。

        “这类新技术带来的反复性工作是必不可免的。”吕红剑说,“我们要做的是尽可能‘创造条件’做好每一步验证,让未实践过的技术和产品变得可靠。”

         在东四S平台研制中,研制团队还开展了我国首次整星级的电推进试验,即把整颗电性星放在真空罐里,进行真空点火试验。推力器设计符不符合要求、电推进分系统对整星匹不匹配、对其他分系统会产生什么样的影响,这些都得到了全面验证。

        吕红剑表示,对于东四S平台来说,新的硬件做起来很难,软件则更难。由于“大脑”的软件都是新研发的,验证难度非常大。研制人员用鉴定件搭建起类似于正样星的验证平台,花了半年时间反复进行软件测试。现在看来,这项工作还是卓有成效的。

      “要说难,所有验证新技术的大型试验都很难,很多都是开创性的。”吕红剑说,工作任务重时,他们经常是每天只睡四五个小时。尽管总设计师李峰坦言自己不主张节假日加班,但面对相当于成熟平台1.5倍的工作量,研制团队节假日加班加点还是成了常态。

         因为前期工作做得充分,2012年年底平台转入正样。


         老挝一号’卫星所使用的东方红四S平台,首次采用了综合电子系统、国产锂离子蓄电池等技术,进一步提升了卫星承载能力和技术水平。”“老挝一号”通信卫星总设计师李峰说,东方红四S平台能够帮助卫星以更小的体积和更少的重量实现更多的功能。

       李峰介绍,综合电子系统让卫星管理更加智能,以前靠硬件实现的控制,现在只用软件运行就能实现。“以前的软件如同一个个孤岛。比如,一台计算机控制卫星温度,另一台控制卫星姿态,它们之间很少交互。如今,通过综合电子系统,所有软件都在一个系统内运行,这样就能实现信息更高效的沟通和利用。万一出现某些故障需要关掉次要载荷,综合电子系统便能按照地面指挥的策略自动执行。”

        “老挝一号”通信卫星总指挥周志成表示,东方红四S平台是航天科技集团五院为满足国际用户的多样化需求,基于东方红三号平台和东方红四号平台研发出的全新平台。该平台从容量上介于两平台之间,属于中型通信卫星平台范畴。在载荷、分系统领域实现了多项技术创新,整体效能实现了跃升,达到国际先进技术水平。“可以说,该平台具备‘小而精’的特点,很好满足了中等容量、高技术指标的国际用户需求。”周志成说。

        据介绍,应用在“老挝一号”卫星上的新技术,将会移植到东方红四系列平台上。凭借“老挝一号”卫星的研发,提升了东方红四系列平台的水平,也加速了东方红五平台的研制。

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