王　輝，許洪亮，仲小清，裴勝偉

（1.中國空間技術(shù)研究院 通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京　100094；2.北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京　100191）

商業(yè)通信衛(wèi)星電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移費(fèi)效比研究

王輝1，許洪亮2，仲小清1，裴勝偉1

（1.中國空間技術(shù)研究院 通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京100094；2.北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京100191）

電推進(jìn)實(shí)施軌道轉(zhuǎn)移是繼電推進(jìn)位置保持成功應(yīng)用的一種深化。電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移可以進(jìn)一步減少衛(wèi)星推進(jìn)劑攜帶量，實(shí)現(xiàn)更大的應(yīng)用效益。電推進(jìn)軌道的實(shí)施也帶來了長時(shí)間經(jīng)歷范·艾倫輻射帶等風(fēng)險(xiǎn)，使得衛(wèi)星保險(xiǎn)費(fèi)用增加。電推進(jìn)的長時(shí)間軌道轉(zhuǎn)移，需要付出更多的變軌地面測控費(fèi)用，并由此帶來先期投資資金的利息損失等。文中建立電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移的效益和成本模型，通過分析給出電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移在我國航天應(yīng)用的建議。

電推進(jìn)；軌道轉(zhuǎn)移；費(fèi)效比；效益與成本；靜止軌道衛(wèi)星

0　引言

電推進(jìn)憑借比沖高的突出優(yōu)勢，在國外通信衛(wèi)星上得到了廣泛應(yīng)用［1-4］，我國通信衛(wèi)星電推進(jìn)應(yīng)用進(jìn)程也在穩(wěn)步推進(jìn)中［5］。電推進(jìn)在通信衛(wèi)星上的應(yīng)用是從完成南北位置保持任務(wù)開始的。電推進(jìn)的應(yīng)用促進(jìn)了通信衛(wèi)星容量的迅速提升，單星10～18 kW功率量級的有效載荷成為可能，并成為主流。載荷功率量級的提升也反過來為電推進(jìn)的深化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，衛(wèi)星星箭分離至靜止軌道的變軌階段衛(wèi)星載荷不工作，定點(diǎn)后用于載荷的功率在變軌階段可以用于電推進(jìn)實(shí)施軌道轉(zhuǎn)移。美國波音公司于2015年3月2日使用“獵鷹九號”運(yùn)載火箭以“一箭雙星”的方式將兩顆通信衛(wèi)星ABS-3A和Eutelsat 115 West B成功送入預(yù)定軌道［6］，這兩顆衛(wèi)星使用電推進(jìn)實(shí)施全部軌道轉(zhuǎn)移，當(dāng)前電推進(jìn)變軌狀態(tài)良好。

相對于其他類型載荷衛(wèi)星，通信衛(wèi)星的商業(yè)性質(zhì)更加突出。相同的發(fā)射成本條件下，使用電推進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)更多的有效載荷路數(shù)或更長的衛(wèi)星壽命，由此帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。然而，由于電推進(jìn)推力小，使得變軌時(shí)間大幅延長，由此需要付出技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益等多方面的代價(jià)。

美國格倫實(shí)驗(yàn)室的Oleson等［7］對電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移的應(yīng)用方案和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)研究，楊軍等［8］對電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移的效益與風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析與研究，然而上述研究均未涉及商業(yè)通信衛(wèi)星的電推進(jìn)應(yīng)用成本問題。美國勞拉空間系統(tǒng)公司的David等［10］針對電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移的費(fèi)效比問題開展了持續(xù)研究［9-10］，但是該研究側(cè)重于技術(shù)成熟之后的分析。

本文基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、結(jié)合我國特點(diǎn)，研究并分析商業(yè)通信衛(wèi)星電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移的費(fèi)效比問題，進(jìn)而給出電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移的應(yīng)用建議。研究基于三個(gè)方面的設(shè)定：（1）衛(wèi)星已經(jīng)使用電推進(jìn)實(shí)施南北位置保持，擬擴(kuò)展電推進(jìn)任務(wù)至部分或全部軌道轉(zhuǎn)移；（2）電推進(jìn)變軌而導(dǎo)致交付滯后的時(shí)間問題可通過提前發(fā)射等手段彌補(bǔ)；（3）文中效益和成本均是指相對于不使用電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移的增加值或減小值。

1　通信衛(wèi)星與電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移

1.1通信衛(wèi)星效益及成本組成

通信衛(wèi)星運(yùn)營商通過提供或租賃轉(zhuǎn)發(fā)器服務(wù)而獲得經(jīng)濟(jì)收益，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)器在軌服務(wù)而付出的從衛(wèi)星研制到在軌維護(hù)的項(xiàng)目費(fèi)用是其主要成本。對于商業(yè)通信衛(wèi)星研制商而言，一般使用實(shí)現(xiàn)一路轉(zhuǎn)發(fā)器所付出成本的高低來評價(jià)其價(jià)格競爭優(yōu)勢。

根據(jù)國際通信衛(wèi)星的研制慣例，通信衛(wèi)星項(xiàng)目成本一般包括衛(wèi)星研制、發(fā)射服務(wù)、商業(yè)保險(xiǎn)、在軌維護(hù)等部分組成，如表1所示［11-12］。對于大多數(shù)商業(yè)通信衛(wèi)星合同來說，如果不是運(yùn)營商首次采購?fù)ㄐ判l(wèi)星，一般包括地面運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)的建設(shè)成本。

表1　通信衛(wèi)星項(xiàng)目成本組成及比例

1.2通信衛(wèi)星發(fā)射與入軌方式

對于確定成本而實(shí)現(xiàn)的進(jìn)入運(yùn)行軌道的衛(wèi)星組成中，推進(jìn)劑、衛(wèi)星平臺等不直接產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，只有轉(zhuǎn)發(fā)器（有效載荷）才產(chǎn)生收益。發(fā)射與入軌方式是影響推進(jìn)劑攜帶量的主要因素，也成為影響衛(wèi)星費(fèi)效比的重要因素。

綜合運(yùn)載、運(yùn)載上面級（運(yùn)載提高近地點(diǎn)高度）、化學(xué)推進(jìn)、電推進(jìn)等方式，地球靜止軌道衛(wèi)星入軌方式可分為如圖1所示的三大類［13］。第一種方式為使用運(yùn)載火箭發(fā)射至GTO軌道（同步轉(zhuǎn)移軌道），并使用星上化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)變軌進(jìn)入GEO軌道（地球靜止軌道）；第二種方式為利用運(yùn)載火箭和上面級直接把衛(wèi)星送入GEO軌道；第三種方式為使用運(yùn)載火箭發(fā)射至GTO軌道，并使用星上化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)（或全部使用電推）變軌進(jìn)入GEO軌道。

圖1　三類靜止軌道轉(zhuǎn)移方案

對于商業(yè)通信衛(wèi)星，使用化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)聯(lián)合變軌，或者全部使用電推進(jìn)變軌，較上面級等方案具有更高的優(yōu)勢［9-10］。本文從成本與效益的角度分析該方式的特點(diǎn)。

1.3電推進(jìn)應(yīng)用效益與代價(jià)

在發(fā)射重量不變的條件下，使用電推進(jìn)可以增加衛(wèi)星入軌質(zhì)量（可等價(jià)為有效載荷質(zhì)量的提升）。而電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移不占用整星功率預(yù)算，因?yàn)檐壍擂D(zhuǎn)移階段衛(wèi)星載荷尚未工作，電推進(jìn)工作使用整星預(yù)算中載荷工作的功率，整星供配電系統(tǒng)為此而增加的代價(jià)較小。對于電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移，一般設(shè)計(jì)是和位保電推進(jìn)使用同一套系統(tǒng)；換言之，一套電推進(jìn)系統(tǒng)適應(yīng)兩種用法［14］。此外，在發(fā)射重量不變的條件下，電推進(jìn)完成了部分軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，降低對遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)總沖的需求；并可為化學(xué)系統(tǒng)提供備份，提高整星可靠性。

由于電推進(jìn)推力較小，變軌時(shí)間大幅增加，電推進(jìn)變軌在大系統(tǒng)、整星和分系統(tǒng)等三個(gè)層面均需要付出相應(yīng)的代價(jià)。

第一方面，空間輻射影響增大。可能發(fā)生的長時(shí)間穿越范·艾倫輻射帶是電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移的一個(gè)重要技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)也是成本風(fēng)險(xiǎn)。范·艾倫輻射帶分內(nèi)、外兩個(gè)帶，其中內(nèi)帶高度為1 500～5 000 km，外帶高度為13 000～20 000 km，峰值高度為2 200 km和18 500 km。長時(shí)間穿越范·艾倫輻射帶將導(dǎo)致太陽電池陣效率降低，并對衛(wèi)星平臺、載荷等產(chǎn)生影響。

第二方面，安全性降低風(fēng)險(xiǎn)。電推進(jìn)變軌一般采用超同步軌道，此時(shí)衛(wèi)星軌道演變過程為遠(yuǎn)地點(diǎn)高度逐漸降低，近地點(diǎn)高度逐漸抬高。這導(dǎo)致衛(wèi)星將頻繁穿越靜止軌道。此時(shí)，衛(wèi)星與軌道上已知的衛(wèi)星，尤其是未知的衛(wèi)星、碎片等碰撞的幾率增加。由此增加了衛(wèi)星變軌過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

第三方面，軌道轉(zhuǎn)移成本增大風(fēng)險(xiǎn)。長時(shí)間變軌產(chǎn)生的成本代價(jià)，包括地面測控站費(fèi)用、晚入軌而產(chǎn)生的利息、保險(xiǎn)費(fèi)用增加等。

第四方面，衛(wèi)星設(shè)計(jì)代價(jià)。為適應(yīng)電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移而需要的控制系統(tǒng)改進(jìn)，為適應(yīng)大功率電推進(jìn)而涉及的熱控、高電壓大電流等設(shè)計(jì)改進(jìn)，電推進(jìn)系統(tǒng)的多模式工作能力，以及高長壽命的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證問題等。

2　電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移費(fèi)效比模型

2.1效益模型

相同運(yùn)載條件下，相對于不使用電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移，效益增加的來源是有效載荷重量的增加（等價(jià)于轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量的增加），如式（1）：

式中：Peor為電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生的效益增加；UP為每路轉(zhuǎn)發(fā)器的價(jià)格（等于總成本/轉(zhuǎn)發(fā)器路數(shù)）；Tr為增加的轉(zhuǎn)發(fā)器路數(shù)；Meor為增加的有效載荷的重量；mtr為每路轉(zhuǎn)發(fā)器所對應(yīng)的重量（含轉(zhuǎn)發(fā)器干重、整星分配到每路轉(zhuǎn)發(fā)器的供配電系統(tǒng)重量）。Up和mtr為固定值；Meor是決定效益增加的因素。

推進(jìn)劑需求的減小可以實(shí)現(xiàn)Meor質(zhì)量的增加，但是電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移的應(yīng)用也會(huì)增加部分整星的干重。有效載荷質(zhì)量增加模型如式（2）：

式中：Mprop為相對于化學(xué)推進(jìn)變軌的衛(wèi)星總推進(jìn)劑消耗的減少量；Mchm為化學(xué)推進(jìn)劑攜帶量減少使得貯箱等重量的減少；Meps為電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移應(yīng)用而產(chǎn)生的供配電重量增加，電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移本身不增加衛(wèi)星功率需求的增加，供配電系統(tǒng)重量增加主要為補(bǔ)償衛(wèi)星長時(shí)間變軌，尤其是穿越范·艾倫輻射帶，導(dǎo)致太陽電池陣效率下降而增加的太陽電池陣重量；Mpwr為電推進(jìn)工作功率增加使得電源處理單元（PPU）、電纜、熱控等產(chǎn)生的重量增加；Mtrt為相對于僅實(shí)施南北位保的推力器及其供氣系統(tǒng)重量的增加；Mxe為電推進(jìn)工質(zhì)（氙氣）裝填量增加而導(dǎo)致的氣瓶重量增加。

總推進(jìn)劑攜帶量的減少M(fèi)prop主要由電推進(jìn)變軌時(shí)間決定，并且與所選用的電推進(jìn)的比沖和推力等相關(guān)，計(jì)算如式（3）：

式中：T電推力器推力；Isp-c化學(xué)推進(jìn)比沖；Isp-e電推進(jìn)比沖；η為電推進(jìn)變軌等效脈沖△V效率。η產(chǎn)生的原因主要包括兩方面：一方面，為適應(yīng)電推進(jìn)變軌，一般化學(xué)推進(jìn)盡可能的壓低傾角，相對于傳統(tǒng)的壓傾角和抬近地點(diǎn)聯(lián)合控制效率要低；第二方面，電推進(jìn)變軌是長時(shí)間連續(xù)點(diǎn)火，相對于遠(yuǎn)地點(diǎn)脈沖點(diǎn)火的最優(yōu)方式效率降低。

化學(xué)推進(jìn)貯箱重量減少M(fèi)chm和電推進(jìn)氙氣氣瓶重量增加Mxe均于電推進(jìn)變軌時(shí)間相關(guān)。對于確定的衛(wèi)星平臺，貯箱和氣瓶的尺寸容積相對固定，不會(huì)因?yàn)閷?shí)際攜帶量的多少而改變?？紤]到研究成果的通用性，報(bào)告分析了這兩項(xiàng)因素。引入貯箱因子α1和氣瓶因子α2，二者分別表示單位質(zhì)量推進(jìn)劑所需要付出的貯箱或氣瓶的重量代價(jià)，按照當(dāng)前國內(nèi)外技術(shù)水平，α1為5%量級，α2為15%量級?？紤]到電推進(jìn)消耗量較化學(xué)推進(jìn)劑的消耗量小近似一個(gè)數(shù)量級，可以近似得到：

Meps為針對太陽電池陣衰降而增加的重量。太陽電池陣衰降有兩個(gè)特點(diǎn)：（1）穿越范·艾倫輻射帶導(dǎo)致的衰降占整個(gè)GTO至GEO變軌過程衰降的主要因素；（2）120天電推進(jìn)實(shí)現(xiàn)GTO至GEO軌道轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的衰降相對于純化學(xué)變軌增加量為5%量級。針對功率衰降，費(fèi)效比研究按照衰降百分比增加相應(yīng)的太陽電池陣重量的方法處理。

Mpwr為電推進(jìn)工作功率增加使得電源處理單元（PPU）、電纜、熱控等產(chǎn)生的重量增加，與電推進(jìn)系統(tǒng)功率成正比。引入重量功率比因子α3，每增加1 kW功率需要增加的重量，該值為5 kg/kW量級。推力器變軌模式功率相對于位保模式功率增加量為P，那么：

Mtrt為相對于僅實(shí)施南北位保的推力器及其供氣系統(tǒng)重量的增加。該值相對固定，主要為多模式電推力器相對于單一位保模式電推力器重量的增加。

2.2成本模型

按照表1給出的通信衛(wèi)星項(xiàng)目的成本組成，利用電推進(jìn)變軌后，通信衛(wèi)星成本增加C可用如式（6）模型表示：

式中：Clv為運(yùn)載費(fèi)用的變化（減小為負(fù)值）；Cop為電推進(jìn)變軌費(fèi)用；Cin為保險(xiǎn)費(fèi)用增加以及晚交付產(chǎn)生的利息；Csat為電推進(jìn)系統(tǒng)以及推進(jìn)劑（氙氣）增加的費(fèi)用。

運(yùn)載費(fèi)用Clv包含了火箭發(fā)射、發(fā)射保障等費(fèi)用。運(yùn)載費(fèi)用與衛(wèi)星發(fā)射時(shí)的重量成正比。運(yùn)載費(fèi)用與所選用運(yùn)載火箭密切相關(guān)，且同一運(yùn)載在一定發(fā)射重量范圍內(nèi)其費(fèi)用變化較小。

電推變軌費(fèi)用Cop由電推進(jìn)變軌時(shí)間決定，每天變軌的費(fèi)用為po，那么變軌費(fèi)用與變軌時(shí)間t的關(guān)系為式（7）：

相對于化學(xué)推進(jìn)變軌，保險(xiǎn)費(fèi)用增加部分主要為發(fā)射保險(xiǎn)。發(fā)射保險(xiǎn)是航天保險(xiǎn)的主要部分，保險(xiǎn)責(zé)任從火箭點(diǎn)火開始，直至在軌測試完成［15］。電推進(jìn)變軌技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和保險(xiǎn)時(shí)間使得保險(xiǎn)費(fèi)用增加，相對于純化學(xué)推進(jìn)變軌保險(xiǎn)，增加保險(xiǎn)的對象設(shè)定為衛(wèi)星總價(jià)Csat（不含運(yùn)載等）。電推進(jìn)變軌的另一個(gè)因素是投入成本晚取得收益的利息。綜合這兩部分因素，Cin可表示為式（8）：

式中：Call是整個(gè)通信衛(wèi)星工程的投入；r為利率。

Csat包括具備變軌功能電推進(jìn)相對于位保功能電推進(jìn)的價(jià)格增長，以及多攜帶推進(jìn)劑（氙氣）的價(jià)格。由于電推進(jìn)變軌應(yīng)用而導(dǎo)致的電推進(jìn)長壽命設(shè)計(jì)、驗(yàn)證等費(fèi)用折算至這部分成本中。

2.3費(fèi)效比模型

基于效益模型（1）和成本模型（6），可以評價(jià)電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移費(fèi)效比。定義絕對效益CV，表示電推進(jìn)應(yīng)用后效益的提升，如式（9）：

基于絕對效益，定義相對效益RCV，表示電推進(jìn)應(yīng)用使得轉(zhuǎn)發(fā)器價(jià)格降低的幅度，如式（10）：

式中：N0為不使用電推進(jìn)變軌時(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)器路數(shù)。

3　電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移費(fèi)效比分析

3.1費(fèi)效比模型的量化

采用當(dāng)前國際通信衛(wèi)星市場公開的參數(shù)進(jìn)行量化分析［9，11-12］。電推進(jìn)變軌按照10 kW量級進(jìn)行分析，例如美國波音公司使用的XIPS-25離子推力器［1］、俄羅斯火炬局設(shè)計(jì)的SPT-140霍爾推力器［4］、我國自主設(shè)計(jì)研制的LIPS-300離子推力器［16］等。不失一般性，以離子推力器為例進(jìn)行分析，電推進(jìn)具體參數(shù)采用XIPS-25公布數(shù)據(jù)［1］，比沖設(shè)為3 800 s、推力設(shè)為330 mN（兩臺推力器同時(shí)點(diǎn)火）?；瘜W(xué)推進(jìn)的比沖按照315 s分析。此時(shí)，功率增加引起的重量增加Mpwr為15 kg，多模式推力器相對于單一模式推力器重量增加Mtrt為20 kg。針對太陽電池陣衰減的補(bǔ)償措施重量Meps最大為15 kg。

按式（2）～（5）電推進(jìn)變軌等效脈沖△V效率取為1/1.5（該值可以涵蓋現(xiàn)有的電推進(jìn)變軌策略［17-19］），使用離子推力器每天變軌可以提升約4.5 kg入軌重量。圖2給出了不同電推進(jìn)變軌時(shí)間下有效載荷重量增加Meor的變化曲線，當(dāng)設(shè)定電推進(jìn)變軌不經(jīng)歷范·艾倫輻射帶時(shí)（近地點(diǎn)高度高于20 000 km），電推進(jìn)變軌時(shí)間不長于90天。

圖2　電推進(jìn)變軌時(shí)間與入軌重量提升關(guān)系變化曲線圖

相關(guān)成本參數(shù)取值［11-12］：每路轉(zhuǎn)發(fā)器價(jià)格為5 M$。電推進(jìn)變軌地面支撐及保障系統(tǒng)的費(fèi)用為0.02 M$/天（百萬美元/天）。變軌時(shí)間越長保險(xiǎn)費(fèi)率越高，并且考慮變軌時(shí)間越長風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)越高的因素，電推進(jìn)保險(xiǎn)的費(fèi)率I按照式（11）計(jì)算。

式中：tmax為電推進(jìn)最長變軌時(shí)間（全部使用電推進(jìn)實(shí)施GTO至GEO軌道轉(zhuǎn)移）；Imax為最高保險(xiǎn)費(fèi)率。

3.2運(yùn)載確定情況分析

分析運(yùn)載火箭確定情況下，不同電推進(jìn)變軌時(shí)間的費(fèi)效比。分析中衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器路數(shù)為70路量級，有效載荷功率在11 kW量級（對應(yīng)運(yùn)載發(fā)射至GTO，星上化學(xué)推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移進(jìn)入GEO軌道狀態(tài)）。使用電推進(jìn)變軌是，絕對收益和相對收益隨電推進(jìn)變軌時(shí)間的曲線如圖3所示。分析中利率為10%/年，最高保險(xiǎn)費(fèi)率為25%。

圖3　電推進(jìn)變軌的絕對和相對收益曲線圖　

從結(jié)果可以看出，電推進(jìn)變軌可以提升衛(wèi)星的絕對和相對收益。如果實(shí)施300天的電推進(jìn)變軌，單路轉(zhuǎn)發(fā)器的價(jià)格可以降低30%。從分析結(jié)果也可以看出，電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移的相對效益的增長率隨著時(shí)間的增加而變緩。

進(jìn)一步分析了不同保險(xiǎn)費(fèi)率對收益的影響，從結(jié)果可以看出，當(dāng)軌道轉(zhuǎn)移時(shí)間較少（電推進(jìn)完成的推進(jìn)任務(wù)較少）時(shí)，保險(xiǎn)費(fèi)率對收益的影響較??；隨著電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移時(shí)間的延長，保險(xiǎn)費(fèi)率對收益的影響將越來越顯著，如圖4所示。

圖4　不同保險(xiǎn)賠率下的絕對收益比較曲線圖

綜合絕對收益、相對收益以及保險(xiǎn)費(fèi)率的影響，考慮范·艾倫輻射帶，認(rèn)為在電推進(jìn)應(yīng)用初期，90天電推進(jìn)變軌時(shí)間是一個(gè)效益和風(fēng)險(xiǎn)相對適中的選擇；而隨著技術(shù)的成熟，電推進(jìn)應(yīng)用的深化是一個(gè)持續(xù)發(fā)展的趨勢。

3.3有效載荷確定情況分析

為比較分析運(yùn)載成本與電推進(jìn)變軌效益，選擇國際通信衛(wèi)星市場的兩個(gè)典型運(yùn)載進(jìn)行分析。衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器路數(shù)相同，有效載荷功率相同，第一種方案使用Arian-5運(yùn)載火箭發(fā)射至GTO，然后使用星上化學(xué)推進(jìn)變軌進(jìn)入GEO軌道，第二種方案使用Falcon-9運(yùn)載火箭發(fā)射至GTO，然后使用電推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)混合變軌進(jìn)行GEO軌道。

Arian-5運(yùn)載火箭單次發(fā)射服務(wù)費(fèi)取為120 M$（百萬美元）［11］，F(xiàn)alcon-9運(yùn)載火箭單次發(fā)射服務(wù)費(fèi)為54 M$［11］。衛(wèi)星規(guī)模仍設(shè)定為轉(zhuǎn)發(fā)器路數(shù)為70路量級，有效載荷功率在11 kW量級。

80天的軌道轉(zhuǎn)移。從圖5所示的不同利率條件和保險(xiǎn)費(fèi)率下兩種方案的發(fā)射成本分析可知，在10%的保險(xiǎn)費(fèi)率條件下，第二種方案可較第一種方案可以節(jié)省發(fā)射成本約4 M$，并隨著利率的減小而增大。當(dāng)電推進(jìn)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)還較大時(shí)，相應(yīng)的保險(xiǎn)費(fèi)率較高時(shí)，第二種方案的優(yōu)勢顯著減少。

圖5　不同利率下發(fā)射成本分析曲線圖

使用第二種方案，電推進(jìn)需要實(shí)施180天的軌道轉(zhuǎn)移。從圖5所示的不同利率條件和保險(xiǎn)費(fèi)率下兩種方案的發(fā)射成本分析可知，在10%的保險(xiǎn)費(fèi)率條件下，第二種方案可較第一種方案可以節(jié)省發(fā)射成本約4 M$，并隨著利率的減小而增大。當(dāng)電推進(jìn)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)還較大時(shí)，相應(yīng)的保險(xiǎn)費(fèi)率較高時(shí)，第二種方案的優(yōu)勢顯著減少。

從分析結(jié)果也可以看出，電推進(jìn)長時(shí)間變軌導(dǎo)致的利息損失是影響其成本的一個(gè)重要因素。

4　結(jié)論

對于商業(yè)通信衛(wèi)星，應(yīng)用電推進(jìn)實(shí)施軌道轉(zhuǎn)移是繼電推進(jìn)位置保持成功應(yīng)用后的一個(gè)發(fā)展趨勢，是提高衛(wèi)星價(jià)格競爭優(yōu)勢的有效手段。電推進(jìn)軌道轉(zhuǎn)移的效益與電推進(jìn)技術(shù)的成熟性密切相關(guān)。依據(jù)費(fèi)效比分析，建議首先把電推進(jìn)任務(wù)擴(kuò)展至電推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)聯(lián)合變軌，并逐步實(shí)現(xiàn)包括在軌位置保持、GTO至GEO軌道全部軌道轉(zhuǎn)移等在內(nèi)的全電推型應(yīng)用。

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STUDY ON COST-EFFECTIVENESS RATIO OF ORBIT RAISING USING ELECTRIC PROPULSION FOR COMMERCIAL TELECOMMUNICATION SATELLITE

WANG Hui1，XU Hong-liang2，ZHONG Xiao-qing1，PEI Sheng-wei1
（1.Institute of Telecommunication Satellite，ChinaAcademy of Space Technology，Beijing100094，China；2.School ofAstronautics，Beihang University，Beijing100191，China）

Electric propulsion is now successfully used in GEO satellite.Combined with this success is the continuing trend for geosynchronous spacecraft toward orbit raising.And orbit raising using electric propulsion has been shown to be advantageous in terms of more payload mass and less cost.However，the planners have to face the longer transit time associated with this application，and even more，the potential lengthy subjection of Van Allen belt radiation.From the economic view，the planners must pay more for ground station operation and insurance，and surfer the interest lost on money paid at launch but not recovered until delivery to geosynchronous orbit.An analysis has been performed to determine the costeffectiveness ratio of orbit raising using electric propulsion in this paper.

electric propulsion；orbit raising；cost-effectiveness ratio；cost and benefit；GEO satellite

V43

A

1006-7086（2015）05-0273-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.05.006

2015-07-15

王輝（1980-），男，山東省淄博市人，工程師，主要從事全電推衛(wèi)星平臺的研究。Email：hitzxq@126.com。