實踐十三號的意義-王宇波
【文/觀察者網專欄作者 王宇波】
本週三，我國航天工作者們又把一顆衞星順利的送上了天，那就是實踐十三號通信衞星。不過它還有另外一個名字，那就是中星16號。實踐十三號是我國首顆高通量通信衞星，首次應用Ka頻段多波束寬帶通信系統。在完成試驗驗證以後，衞星將納入“中星”系列，命名為“中星16號”。
實踐十三號衞星工程由國防科工局組織實施。衞星、運載火箭分別由中國航天科技集團公司中國空間技術研究院、中國運載火箭技術研究院研製，地面測控系統由西安衞星測控中心負責，運控和試驗應用系統由中國衞通集團有限公司負責。
中國衞通運營並管理着十多顆在軌通信衞星，而中星十六號將成為其首顆具備ka頻段通信能力的通信衞星
對於中國航天來説，實踐十三號確實創下了多個第一，亮點頗多，那麼這些亮點都有些什麼特別之處呢？
首先來説説電推
所謂衞星電推，其實應該叫離子推進器。其原理是先將氣體電離，然後用電場力將帶電的離子加速後噴出，以其反作用力推動航天器。由於帶電離子在推進器中會被加到10~18千米/秒的超高速度，因而工質的使用效率非常高，帶來的直接好處就是高達3000秒比衝。
離子推進器
2015年，SpaceX的就一次發射了兩枚全電推進的通信衞星，其中一顆是中國香港亞洲通信公司的ABS-3A，一顆是歐洲的Eutelsat 115 West B。這兩顆衞星都是基於波音BSS-702SP平台，安裝了四台XIPS-25離子推進器，比衝達3500秒，推力則只有165mN。由於SpaceX的Falocon9只是把衞星送入了地球同步轉移軌道（GTO），也就是遠地點達到地球同步軌道高度35786千米的橢圓形軌道。
ABS-3A（上）和Eutelsat 115 West B（下），可以看到每個衞星一側都安裝了2台離子推進器，每個衞星總計4台
以ABS-3A為例，其軌道定位為西經3度的地球同步軌道（GEO），即便是安裝了四台離子推進器，其加速度也低到可憐，因而從GTO轉移到GEO將會花費6-8個月的時間才能完成軌道圓化和軌道定點。當然這樣操作也是有好處的，就是能夠最大限度的利用火箭載荷能力，從而降低衞星單位重量的發射成本。對於一顆使用壽命長達15年的通信衞星來説，花上半年時間來緩慢定軌來換取更低的發射成本是非常划算的。
702sp平台的軌道發射及圓化過程，整個週期可能長達8個月
而且在工質攜帶足夠的情況下，離子推進器能夠提供極長的加速時間，NASA的離子推進動力樣機曾持續工作48000小時，超過五年半。在達到這個工作時間之後，該推進器被關閉，在整個實驗過程中，這台推進器消耗了870公斤的氙推進劑。如果這套動力使用到深空探測器上，那麼至少可以將探測器加速到每秒40公里的速度。如果使用傳統的化學燃料推進器，至少需要消耗10噸的燃料，這不僅將極大的擠佔探測器的有效載荷空間，對於發射探測器的火箭來説，要求也高了不少。
離子推進器原理示意圖
而此次實踐十三號衞星安裝了四台200毫米口徑的LIPS-200離子推進器。LIPS-200是由中國航天科技集團公司五院510所自主研製的中國首個衞星用200毫米離子電推進系統，地面壽命及可靠性試驗累計工作時間達到6000小時，開關機3000次。單台推進器的額定推力40mN，比衝達3000s，相比之下化學火箭發動機中比衝最高的氫氧發動機也只有400多秒。
中國航天200毫米離子電推進系統
航天科技在此基礎上開發了又LIPS-200+、LIPS-100、LIPS-300系列離子電推進系統。這些推進器的功率大多在1千瓦至5千瓦量級。中國空間技術研究院計劃在2020年完成50千瓦量級大功率推力器的關鍵技術攻關。如果將40個這樣的推力器組成陣列，可讓300噸量級的飛船在200天左右到達火星。
從短期內考慮，我國自行研發的離子推進器在通信衞星等地球圈內航天器上使用成熟之後，必將會應用到以後的深空探測器上，來滿足長時間加速和不斷變軌的需求。
中國的通信衞星到底達到什麼水準
實踐十三號衞星是我國首顆高通量，通信總容量為20Gbps，通信總容量超過了之前我國研製的所有通信衞星容量的總和。這樣的帶寬水平，放到國際上並不是太出彩，和國際上許多80Gbps甚至100Gpbs帶寬的通信衞星相比，實踐十三號的通信容量並不算多。但是相比我國之前在軌的通信衞星普遍不超過2Gbps的通信容量，實踐十三號確實又是“質的突破”。
實踐十三號衞星CG圖
實踐十三號不止通信容量有限，覆蓋範圍也相對不足。不過這一切都將在實踐十八號上天之後成為歷史。實踐十八號不光在通信容量上達到70Gbps，基本趕上國際先進水平，和實踐十三號形成組網之後可以覆蓋中國所有陸地和海上疆域，包括南海。
而實踐十三號採用的Ka頻段對於中國航天在通信衞星上也是首次突破，如果説原先的ku頻段和C頻段是30座的大巴，那麼ka頻段就是8節的高鐵列車。由於ka頻段的頻率範圍更廣，就能容納下更多的無線通信線路。
不止性能參數比實踐十三號大幅提升，實踐十八號衞星還將採用全新的大容量衞星公用平台——東方紅五號平台，作為我國第五代通信衞星平台，它的整星輸出功率將達28千瓦，有效載荷重量1500千克，載荷能力是實踐十三號的東方紅3B平台的三倍。
除了都採用新一代的平台之外，實踐十三號和實踐十八號都採用了國產通信衞星轉發器，雖然在出口型號上可以選裝法國泰利斯公司的轉發器，不過那更多是為了滿足國際客户的需求。目前我國已經出口的多顆通信衞星上，大多是國產轉發器和法國轉發器各佔一半。
由於帶寬容量的不足，多年以來，我國的通信衞星服務大多隻是面向特地行業服務比如銀行金融，又或者只是提供衞星電視的轉發，實踐十三和實踐十八最重要的意義，是其具備的帶寬容量能滿足向民用行業開放。不過算算實踐十三號和十八號都到位之後能夠提供的總帶寬和我國民用衞星通信市場的需求，似乎還是無法滿足人民羣眾的需求。高鐵上的乘客可以還通過普通4G網絡來滿足旅途中上網的需求，而航空公司如果想要在民航客機上普及WIFI，那麼就只能依賴高容量的通信衞星了，中國航天在這條路上還是需要快馬加鞭才行。
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