實踐二十號

世界上許多國家都採取衞星公用平台的設計方法，公用衞星平台只需做少量的適應性修改即可裝載不同的有效載荷，以此縮短衞星研製週期，節省研製經費，提高衞星可靠性。五院堅持系列化發展思路，構建起以東三、東四S、東四、東四增強型、東五平台為代表的中國中小容量、中大容量、超大容量衞星公用平台產品體系，平台可支撐涵蓋小型、中型和超大型通信衞星各個等級，業務可以覆蓋通信、廣播、中繼等各個領域，將為加快中國航天領域快速發展和國際宇航市場開拓提供強有力的支撐 ^[12]  。

在改革開放的浪潮下，國內通信衞星市場需求不斷增長，孫家棟等老專家請戰“要以我為主，儘快拿出通信衞星”，國務院下文明確通信衞星不外購，由中國自己製造，並由中國自行研製的長征三號甲火箭發射入軌。在只有20%的技術可以繼承的情況下，五院通信衞星團隊歷經艱苦攻關，於1997年5月成功發射了東方紅三號中容量通信衞星，扭轉了我國主要依賴國外通信衞星的局面。 東方紅三號攜帶的C頻段轉發器數量為24個，平台發射重量為2300kg，使用壽命為8年，是我國第一顆面向全社會的民用衞星，其成功研製，實現了我國地球靜止軌道衞星從自旋穩定型到三軸穩定型的飛躍 ^[12]  。

21世紀初通信衞星市場增長迅猛、國際競爭激烈，東方紅四號衞星平台堅持通用性、繼承性、擴展性和先進性的原則，服務於國內市場和亞、非、拉美等地區的國際商業客户，在軌表現優異。

東方紅四號衞星平台的發射重量5000kg，輸出功率10kw，有效載荷為600-800kg，轉發器數量為52路，設計壽命為15年，平台的性能與國際上同類衞星先進平台水平相當。基於公用平台設計理念，東方紅四號衞星平台適用於大容量通信廣播衞星、大型直播衞星、移動通信、遠程教育和醫療等公益衞星、中繼衞星等地球靜止軌道衞星通信任務。

2004年11月，基於東方紅四號衞星平台的設計方案，在尼日利亞通信衞星的競標角逐中脱穎而出，是中國第一顆整星出口的衞星，尼日利亞通信衞星一號的成功交付用户，標誌着東方紅四號平台技術日趨穩定和成熟。

截至2019年底，共有25顆採用東方紅四號衞星平台的通信衞星在軌穩定運行，它們覆蓋亞洲、非洲中西部及南部、南美洲，覆蓋全球約58%的陸地面積和80%的人口 ^[12]  。

衞星平台水平決定了衞星的整體效能和應用性能，東五平台起飛重量可達8000-9000kg，載荷承載能力可達1500-1800kg，整星功率28kW以上，提供載荷功率達18kW，載荷艙的散熱能力達9kW，具備120路以上轉發器和14副天線的佈局能力，設計壽命長達16年。東五平台創新設計理念，實現了智能化自主運行管理，採用桁架式主承力結構、多模式電推力器、可展開式熱輻射器、二維二次展開半剛性太陽翼、大功率電源控制器等多項新技術，具有高承載、高功率、高熱耗、高控制精度的特點，達到國際領先水平 ^[12]  。

實踐二十號重量達到8噸，高度近8米，兩側太陽翼展開比波音737飛機的翼展還要寬上10米 ^[6]  。

實踐二十號衞星上攜帶了16項科學載荷 ^[6]  。

為了更好地發揮實踐二十號衞星的在軌驗證效能，瞄準航天未來發展需求，科研單位從中國國內收集的眾多搭載試驗項目中，進行了多輪遴選，最終選擇了以Q/V頻段通信為代表的甚高通量通信載荷、激光通信、深冷迴路等十餘項國際領先的“前沿性、戰略性”技術試驗載荷，其中多項為國際或中國國內首次 ^[3]  。

2019年12月27日，隨長征五號遙三運載火箭發射升空，實踐二十號衞星成功進入預定軌道 ^[1]  。

2020年1月4日凌晨，實踐二十號衞星經歷7次軌道機動後，衞星成功抵達地球同步軌道 ^[5]  。

2020年1月5日，實踐二十號衞星在3.6萬公里高度的地球同步軌道成功定點，定點於東經105.5°，具備了正式提供服務的能力 ^{[6]  [13]}  。

為充分適應多種載荷及擴展需求，實踐二十號衞星放棄了傳統的承力筒式結構，創新採用桁架結構技術，有效提升平台的承載能力（承載能力越大，平台及衞星性能越強）和適應性（可滿足不同功能衞星，比如高軌通信、微波遙感、光學遙感、空間科學探測、科學試驗、在軌服務等），可滿足更大載荷的需求以及與不同功能衞星的適應性 ^[3]  。

實踐二十號衞星將首次開展基於形狀聚合物可展結構的在軌試驗，驗證形狀記憶複合材料的可控主動變形性能，為空間大型可變結構的研製提供新途徑 ^[3]  。

除了驗證通信衞星的傳輸速率，作為新技術試驗衞星，實踐二十號還驗證了最新的電推進技術。未來，這項技術有望廣泛應用於各類航天器，大幅提升衞星的運行效率 ^[3]  。

實踐二十號上中國面積最大、展開方式最複雜太陽翼完成了“一次展開和二次二維展開”動作。實踐二十號衞星擁有這副巨型太陽翼，比波音737飛機的翼展還要寬10米。作為國內首個“繃弦式”太陽翼，機電部分的重量比由以往型號的1：1下降至1：2，機電重量比為歷史最低，雖然外形巨大，但“身輕如燕”。

火箭將衞星發射入軌後，不需要太多的能源，因此太陽翼第一次展開，只展開一小部分；當衞星在太空飛行約一週後，太陽翼在36000公里的地球同步軌道進行二次展開。太陽翼全部展開後面積大大增加，就能帶來源源不斷的超強電流供給，提供更多服務 ^[4]  。

實踐二十號衞星巨大的太陽翼能低速轉動，保證始終朝向太陽，從而最大限度地獲取太陽能。而帶動太陽翼轉動的則是一個“小關節”——太陽翼驅動機構，它能輕鬆驅動一百多斤的質量轉動 ^[5]  。

實踐二十號衞星搭載的甚高通量通信載荷，涵蓋了Q/V頻段載荷、寬帶柔性轉發器、跳波束轉發器等。使用Q/V頻段相當於把所有太空高速公路拓寬了4-5倍 ^[5]  。

實踐二十衞星還搭載了全球領先的跳波束技術，這是該技術是國內首次在軌應用。該技術是靈活載荷的代表技術之一，可以適應業務分佈的空間不均勻性和時變性。此次在軌驗證成功，將大幅提升中國在該領域的國際市場競爭力 ^[7]  。

實踐二十號衞星將首次完成5.5G赫茲帶寬Q/V頻段星地通信試驗，為當前靜止軌道通信衞星用頻空間開闢了新的領域。此外，衞星將首次開展高軌相干體制激光通信試驗，相對直接探測體制，靈敏度更高、速率更快、抗干擾能力更強，最高速率達10Gbps，刷新了靜止軌道激光通信速率新指標 ^[3]  。實踐二十號衞星搭載的激光終端，將實現於軌的星地通信，可以實現10G左右的通信容量，相比於傳統的微波通信，實現了指數級的增長 ^[5]  。

對於高軌道通信衞星來説，定點位置是不能改變的。一旦偏離預定位置，就無法提供對應區域的服務。而要想保持在這個定點位置，就需要一套推進系統提供動力。過去，這個推進系統一般是通過化學燃料作為推進劑。

電推進系統對於材料的選擇，和在太空中解決高壓加電等問題，都是世界級的難關。中國從上世紀70年代開始論證電推進系統，一直以來已經將近50年的時間了。此次在實踐二十號上實現技術驗證，對未來在深空探測等領域的航天器研製，都將起到重要作用 ^[1]  。

實踐二十號首次採用了LIPS-300電推進系統，其具有三檔工作模式，如同汽車變速箱，每檔輸出的動力不同，這樣就可以更好的滿足衞星變軌、軌道位置保持和動量輪卸載等多任務需求。該技術將巨量化學燃料用特殊氣體——“氙氣”替換，通過將氙氣電離，並在電場作用下產生高速離子流形成推力，其效率達到傳統化學推進技術的十倍左右。這意味着只需要傳統化學推進劑的十分之一重量，就可以實現衞星的軌道位置保持，從而大幅提升衞星有效載荷的攜帶量 ^[7]  。

實踐二十號衞星採用混合推進系統，由化學推進和電推進提供混合動力。化學推進系統使用了最新的板式貯箱等產品和技術，確保一滴推進劑都不浪費 ^{[5]  [8]}  。

實踐二十號上裝備了一個“降温神器”——基於單相流體迴路的可展開式熱輻射器 ^[11]  。

實踐二十號衞星順利開展了太陽電池片標定子系統GEO軌道標定試驗，成功獲取了多種類型太陽電池片的性能參數，為建立中國首個標準太陽光的太陽電池標準提供了客觀數據，填補了中國在太陽電池標定領域的技術空白 ^[7]  。

實踐二十號衞星已經成功完成了包括超高速激光通信技術、太赫茲技術在內的多項核心關鍵技術首次在軌驗證。多個空間技術領域的新產品也通過了在軌測試，標誌着中國航天領域多項關鍵技術、材料和產品達到了國際領先水平 ^{[1]  [8]}  。

實踐二十號衞星在軌運行並使東方紅五號平台技術得到充分驗證，所有試驗載荷開機狀態良好，核心試驗全部完成 ^[9]  。

實踐二十號衞星的成功發射，標誌着東五平台成熟度向前邁進了一步，為東五平台的全面推廣與應用奠定了堅實基礎。尤其在當下，隨着商業化衞星直播、應急通信、移動通信、物聯網等業務的開展，以及常規固定衞星通信事業的穩步發展，為衞星通信產業提供了豐富的需求和廣闊的市場。未來，以寬帶通信衞星為代表的新興業務需求日益迫切，而實踐二十號-東五平台的成功發射，可用於研製大噸位寬帶通信衞星，有助增強中國在這一領域上的國際競爭力 ^[3]  。