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美国Viasat公司最新型的Viasat-3卫星（ViaSat-3 Americas）于4月30日在美国佛罗里达州肯尼迪航天中心由SpaceX猎鹰重型火箭携带发射升空。卫星入轨正常，太阳帆板顺利展开。如该卫星在轨正常工作，将提供超过1,000 Gbps的数据传输能力。
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7月8日加拿大的业余天文学家Scott Tilley在推特上表示Viasat-3卫星可能发生了故障，当时该卫星停泊在美洲上空，发出的信号不断波动。7月12日，该卫星运营商Viasat公司官方公布，该卫星反射器部署过程中发生了意外事件，目前抢救工作仍在持续。如果Viasat公司宣布卫星全损，将获得4.2亿美元的保险赔付，这将是有史以来全球最大的卫星保险索赔。
Viasat公司并不是第一次应对此类问题，上一代通讯卫星Viasat-2就发生过天线在轨故障。2018年5月24日，公开消息披露天线故障导致Viasat-2通讯卫星的性能下降了约15%，该公司很快因该故障提出保险索赔。Viasat-2的天线故障导致卫星最大通信容量为每秒260Gbps，而不是最初设计的300Gbps或更高。
卫星技术特点介绍Viasat-3卫星的运营商为美国Viasat公司，总承包方为美国波音公司，天线及伸杆的承包方为美国诺斯罗普·格鲁曼公司旗下的Astro Aerospace公司。
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▲Viasat-3卫星收拢状态图片
▲Viasat-3卫星在轨部署状态
Viasat-3卫星采用了最新型的波音702MP+全电推卫星平台，可实现更持久的在轨位置保持能力。波音公司改进了平台结构，以支持Astro Aerospace的大型天线载荷。该平台还安装了波音子公司Spectrolab研制的全球最大的商业卫星太阳翼，每个太阳翼长度达43.9米，由8块基板组成，总发电功率超过30kW。
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▲Viasat-3卫星基本组成天线反射器是Viasat-3卫星最重要的部件之一，作为圆形抛物面天线，采用环形桁架展开结构和柔性网面成形技术。该天线由增强聚合物、石墨和碳纤维制成，结构中编织有镀金细线，以降低收拢尺寸并减轻重量。在发射过程中，天线折叠到卫星上，以满足运载整流罩包络要求。Viasat-3卫星的主天线口径50米左右，远超其他在轨的天线口径，仅小于美国国家侦察局“入侵者”系列卫星天线（直径可能达150米），是在轨最大口径的反射器之一。
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▲Astro Mesh天线反射器组成
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▲Astro Mesh天线反射器基本原理
天线伸杆是Viasat-3卫星主载荷的另一关键部件，长度25米左右。该伸杆采用了与詹姆斯韦伯太空望远镜遮光罩横向伸杆的相同技术，均由Astro Aerospace公司开发。该伸杆是一种轻质、可扩展、刚性的可伸缩桅杆。伸杆由一系列不同直径的碳纤维薄壁同心圆杆相互嵌套而成，这些圆杆相互套叠形成紧凑的堆叠结构。伸杆的动力源来自布置在伸杆底部中心的高输出力管状伸展器，利用管状伸展器的推拉力实现整个伸杆的展开或收拢。
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▲Astro Aerospace公司套筒式伸杆样机
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▲伸杆的套筒式结构
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▲管状伸展器
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故障分析截止当前，美国Viasat公司未公开天线故障的具体细节。根据目前可以确定的信息，进行故障分析：
1、加拿大业余天文学家能够接收到Viasat-3发回的波动信号，这表明天线具备一定的信号发送能力。按照环形网状天线的工作特点，天线反射面应该处于展开张紧状态，且达到了一定的型面精度，才能够实现信号传输。
2、美国CBS新闻在7月13日对Viasat-3卫星的报道中提到，“如果主天线不能同轴就位，则卫星无法按要求运行”。这说明主天线与星体间的相对位姿精度超差，不满足主载荷工作要求。
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▲美国CBS新闻的报道
由此推测，Viasat-3卫星天线故障可能为：天线反射面未部署到位，与星体上的通讯收发组件不同轴，导致主载荷无法正常工作，整星任务濒临失效。
天线反射面位置偏离、姿态偏离、型面特征偏离，或者上述多种偏离的叠加，都会导致主天线不同轴，进而造成天线故障现象发生。
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▲天线反射面多种偏离类型
根据Viasat公司官网上展示的Viasat-3在轨动作过程如下：
双侧大型太阳翼展开；
2套热辐射器展开；
天线伸杆携带着天线包伸展并锁定到位，天线反射面保持收拢状态；
天线反射面展开。
当卫星发生故障时，可以采取的常用应急措施包括远地点发动机点火、调整航天器姿态、命令机构上下往复转动、通过交替启动航天器推力器来摇晃卫星、启动推力器使航天器旋转等5种方式（阅读详情请点击：《航天器可展开部件故障研究》）。
通过分析，最大可能是第3步天线伸杆伸展时发生了故障，即执行伸杆在轨部署指令后，伸杆没有伸展到指定位置。
Astro Aerospace公司的公开信息显示，该公司套筒式伸杆产品的伸展长度大多在15米以下，提供的测试参数也集中针对3~15米长度的伸杆产品。
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▲Astro Aerospace伸杆产品能力介绍
而Viasat-3卫星采用的天线伸杆长度达到了25米，该伸杆在Astro Aerospace公司的产品手册中被列为“原型产品”，相关技术指标远超该公司之前的成熟产品，属于新研产品，成为该卫星的重大风险点。
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启 示
分析本次Viasat-3卫星在轨故障，对此类天线伸杆产品应从以下方面开展风险分析和控制工作：
1、必须开展新技术带来的风险分析，深入开展设计分析和校核，从源头降低风险。Astro Aerospace公司之前的网状天线均采用刚性折叠伸杆，尺寸短、刚度高、可靠性高。而Viasat-3卫星为满足应用需求，不仅显著增大了网状天线口径，同时采用了超长套筒式伸杆，在核心载荷上应用了大量新技术。但由此带来的技术风险，未能深入分析并采取控制措施，给整个在轨任务带来巨大的使用风险。
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2、必须开展新状态带来的风险分析，严格界定机构产品的技术继承性和成熟度，准确识别新状态，及时采取必要措施降低风险。Viasat-3卫星天线伸杆虽然继承了詹姆斯韦伯太空望远镜遮光罩伸杆（6米长）的成熟技术。但Viasat-3卫星伸杆长度25米，远超继承产品指标，且轻量化指标要求苛刻，导致全部套筒结构都必须进行优化设计，其核心设计要素已经发生了深刻变化。另外套筒间装配配合精密，任何稍大量级的热变形、力学振动均有可能造成伸杆套筒卡滞。针对此类机构类产品，为降低使用风险必须开展各类功能与可靠性试验，尤其是高低温环境下的展开试验、力学振动试验后的展开试验。
3、必须开展新环境带来的风险分析，对产品在新环境下使用所带来的风险进行充分识别和控制。Viasat-3卫星采用了全电推平台，能够使卫星具备更长的在轨寿命。根据以往卫星展开部件的抢救经验，远地点发动机等化学推力器点火是重要的抢救方式，但电推力器的推力远小于远地点发动机等化学推力器。因此在Viasat-3卫星在轨应急抢救中难以发挥作用。针对全电推平台，如何制定合理且有效的卫星展开部件抢救措施，值得进一步研究。
作者：王 萌 崔嘉豪
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