美國洛克希德?馬丁公司A2100衛(wèi)星平臺發(fā)展特點(diǎn)
20世紀(jì)90年代，美國洛克希德?馬丁公司(Lockheed Martin，洛馬公司)推出了A2100衛(wèi)星平臺，早期大部分用于美軍或美政府部門的有效載荷，如美國空軍的天基紅外預(yù)警系統(tǒng)衛(wèi)星(SBIRS)和美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的地球靜止氣象衛(wèi)星(GOES-R)等。近十年來經(jīng)過不斷改進(jìn)、引入大量商業(yè)化元素，并結(jié)合國際市場需求與技術(shù)發(fā)展趨勢，開發(fā)了新型A2100地球同步軌道衛(wèi)星平臺。目前，洛馬公司在A2100衛(wèi)星平臺的基礎(chǔ)上推出了LM2100衛(wèi)星平臺，目的是逐漸替代原A2100衛(wèi)星平臺。
采用LM2100衛(wèi)星平臺的SBIRS GEO-5衛(wèi)星
隨著霍爾推進(jìn)器、多結(jié)砷化鎵太陽能電池、鋰離子電池組等新技術(shù)的不斷應(yīng)用，A2100系列衛(wèi)星平臺的性能逐步提高，并針對不同的應(yīng)用類型形成了型譜，包括A2100A、A2100AX、A2100AXS和A2100M等。
A2100衛(wèi)星平臺
在改進(jìn)過程中，洛馬公司在A2100系列衛(wèi)星平臺上引入大量商業(yè)化元素[5]：
增強(qiáng)各類型商業(yè)載荷適應(yīng)性，如光學(xué)載荷、雷達(dá)載荷等;
增強(qiáng)與標(biāo)準(zhǔn)化整流罩的匹配性，適用于不同型號運(yùn)載火箭的發(fā)射;
有效載荷與平臺相互獨(dú)立，有效載荷的設(shè)計與組裝按照統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，不受平臺結(jié)構(gòu)與電路等方面影響;
實(shí)現(xiàn)“肩并肩”形式的“一箭雙星”發(fā)射;
霍爾全電推進(jìn)、混合推進(jìn)或全化學(xué)推進(jìn)的可選擇性;
太陽帆板減重增效;
增加增材制造組件數(shù)量，較少制造時間和成本;
在軌實(shí)現(xiàn)不同頻段與任務(wù)的靈活切換。
2017年，美國洛馬公司公開了LM2100衛(wèi)星平臺，采用了集成通用化、先進(jìn)制造技術(shù)、并行制造策略等的設(shè)計理念，比之前的A2100有26項(xiàng)性能提升。其中最重要的創(chuàng)新就是采用柔性太陽翼，開發(fā)石墨桅桿和展開系統(tǒng)，提供更多功率、更輕重量以及更小包絡(luò)。平臺推進(jìn)系統(tǒng)提供全電、全化學(xué)、混合推進(jìn)三種方式，對于電推進(jìn)，使用霍爾電推力器，變軌時間為其他電推進(jìn)系統(tǒng)的一半。
平臺能力可擴(kuò)展到16kW以上載荷功率，星上處理器實(shí)現(xiàn)在軌重構(gòu)。LM2100平臺還具有可擴(kuò)展制造特性，使用了包括增材制造、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字設(shè)計等多項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，使短周期、低成本產(chǎn)品在衛(wèi)星研制各階段可精準(zhǔn)裝配等[6]。
A2100系列衛(wèi)星平臺性能參數(shù)
資料來源：市場調(diào)研
最新的A2100系列衛(wèi)星平臺采用了開放式圓柱形結(jié)構(gòu)設(shè)計，其核心結(jié)構(gòu)是蜂窩鋁型石墨環(huán)氧樹脂弧形板和夾芯板，燃料箱和大部分推進(jìn)設(shè)備都與衛(wèi)星平臺直接相連;衛(wèi)星采用模塊化設(shè)計，主要分為衛(wèi)星平臺艙和有效載荷艙兩部分。太陽電池翼以模塊化形式安裝在平臺基座上。
A2100系列衛(wèi)星平臺開放式圓柱形支撐結(jié)構(gòu)
雖然A2100系列衛(wèi)星平臺可以適配不同重量和功率的有效載荷，但也可以分為中功率版(MP)和高功率版(HP)，所對應(yīng)的衛(wèi)星平臺體積不同，所能承載的有效載荷質(zhì)量也不同。在以“肩并肩”(Side-By-Side，SBS)形式“一箭雙星”發(fā)射時，受目前運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)空間限制，單個衛(wèi)星平臺有效載荷質(zhì)量會進(jìn)一步受到限制。
A2100系列衛(wèi)星平臺不同功率版本
主電源調(diào)節(jié)組件被稱為“可擴(kuò)展功率調(diào)節(jié)單元”(Scalable Power Regulation Unit，SPRU)，可以為整星提供高達(dá)20kW的電力供給。SPRU包含洛馬公司首創(chuàng)的獨(dú)特電池充電/放電模塊以及太陽能電池陣列分流模塊，使用脈寬調(diào)制技術(shù)為所有衛(wèi)星電子設(shè)備提供高精度調(diào)節(jié)的直流電流。柔性毯式太陽能電池陣列具有輕質(zhì)、高效的特點(diǎn)，可有效支持中高功率有效載荷工作。
可擴(kuò)展功率調(diào)節(jié)單元(SPRU)
推進(jìn)系統(tǒng)可以根據(jù)有效載荷任務(wù)方案進(jìn)行多種搭配，可以選擇全化學(xué)推進(jìn)、混合推進(jìn)或全電推進(jìn)，具體實(shí)施哪種配置是在衛(wèi)星發(fā)射成本與獲取軌道所花費(fèi)的時間之間權(quán)衡確定。使用全電推進(jìn)是成本最低的一種方案，但是由于電推力器推力很小，所以軌道捕獲時間通常會比全化學(xué)推進(jìn)長6個月左右。
A2100系列衛(wèi)星平臺推進(jìn)方式
資料來源：市場調(diào)研
以上提到的推進(jìn)裝置包括：
日本石川島播磨重工業(yè)(IHI)的BT-4一甲基肼/四氧化二氮液體遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)(LAE)，推力為490N;
美國航空噴氣?洛克達(dá)因公司(Aerojet Rocketdyne)的MR-106單組元火箭發(fā)動機(jī)，推力約26.7N，比沖為229～235s，重約0.52kg，工作壽命超過4670s;
美國航空噴氣·洛克達(dá)因公司的MR-510電弧推力器(Arcjets)，所用推進(jìn)劑為肼，推力為222～258mN，比沖>585～615s，功率約為2kW，推力器重1.6kg;
美國航空噴氣?洛克達(dá)因公司的BPT-4000氙離子霍爾推力器，推力為168～294mN，比沖為1769～2076s，功率為3～4.5kW，總重7.5kg，可重復(fù)起動超過6000次。
萬向推力組件
BPT-4000霍爾推力器
A2100系列衛(wèi)星平臺的天線有效載荷適配有三種方式，分別可以布置在衛(wèi)星平臺的西側(cè)、底部以及東側(cè)外伸平臺。底部適配區(qū)底部適配區(qū)最靠近天線饋源且傳輸線路最短，適合配置對傳輸線路長度敏感的有效載荷，如噪聲放大器、輸出過濾器組件等。
A2100系列衛(wèi)星平臺有效載荷適配位置
衛(wèi)星平臺的東西側(cè)熱輻射器使用了洛馬公司研制的一種靈活、高容量、恒定傳導(dǎo)熱管，可以顯著提高以有效載荷為中心的熱密度容量以及衛(wèi)星的整體熱容量。還采用了一種“高級自潔光學(xué)太陽反射器”(Advanced Self-cleaning Optical Solar Reflectors)以提高散熱能力，安裝在南/北側(cè)熱管輻射器上，特殊的光催化涂層能夠迅速分解有機(jī)污染物以實(shí)現(xiàn)“自潔”的效果。
傳導(dǎo)熱管安裝示意圖
洛馬公司A2100系列衛(wèi)星平臺應(yīng)用十分廣泛，1996年首次承載現(xiàn)歐洲衛(wèi)星公司(SES S.A.)的GE-1商業(yè)有效載荷進(jìn)入太空，至今仍舊正常工作。自此已成功搭載超過60個有效載荷進(jìn)入太空，客戶包括美國空天軍、海軍，還有美國、日本、阿聯(lián)酋、歐洲的通訊衛(wèi)星運(yùn)營商。短期內(nèi)還將搭載美國空天軍的第三代全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星(GPS BlockⅢ)、“下一代過頂持續(xù)紅外”(OPIR)極地軌道衛(wèi)星以及“天基紅外系統(tǒng)”地球同步軌道衛(wèi)星進(jìn)入太空。
A2100系列衛(wèi)星平臺重要有效載荷
資料來源：市場調(diào)研
美國洛克希德·馬丁公司的A2100系列衛(wèi)星平臺體現(xiàn)了模塊化、系列化、通用化的設(shè)計理念，可以適應(yīng)各種軍用、民用大型地球同步軌道有效載荷。在設(shè)計過程中同樣重視衛(wèi)星平臺的可拓展性和滿足不同任務(wù)需求的多樣性，采用使用了包括增材制造、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字設(shè)計等多項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，擴(kuò)展有效載荷重量、功率和散熱能力范圍;面向需求和任務(wù)設(shè)計，滿足各類用戶對高軌衛(wèi)星平臺的綜合性能、效費(fèi)比、研制周期、可靠性、兼容性的技術(shù)要求。這些集成化、通用化、模塊化、可拓展的設(shè)計理念和快速增材制造、高效電推進(jìn)等新型技術(shù)的使用值得我們借鑒。
1. https://www.lockheedmartin.com/en-us/products/satellite.html
2. https://www.lockheedmartin.com/en-us/news/features/history/a2100.html
3. LM 2100 Payload Accommodation
4. McKinnon, Douglas V . Lockheed Martin's A2100 Spacecraft Bus Modernization[C]// Aiaa International Communications Satellite Systems Conference. 0.
5. 張京男.美國洛馬公司航天技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用重點(diǎn)概述[J].衛(wèi)星應(yīng)用,2017(03):52-55.
6. 姚遠(yuǎn),蔡亞星,郭玲華.新型高軌公用衛(wèi)星平臺當(dāng)前發(fā)展與未來啟示[J].國防科技工業(yè),2020(06):41-44.
本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自“高端裝備產(chǎn)業(yè)研究中心”，原標(biāo)題《美國洛克希德?馬丁公司A2100衛(wèi)星平臺發(fā)展特點(diǎn)》，文 | 太陽谷
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