一箭多星發(fā)射微小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)

劉芃 韓飛 曾惠忠 閆峰

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094) (2 深圳航天東方紅衛(wèi)星有限公司，深圳 518057)

衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)包括外形設(shè)計(jì)、主承力構(gòu)件類(lèi)型設(shè)計(jì)和質(zhì)量特性計(jì)算等工作，構(gòu)型設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是把各分系統(tǒng)及其儀器設(shè)備組合成一個(gè)內(nèi)外空間尺寸協(xié)調(diào)、保證航天器功能實(shí)現(xiàn)、滿足各設(shè)備安裝要求、能經(jīng)受運(yùn)載火箭發(fā)射過(guò)程的力學(xué)環(huán)境、有利于實(shí)現(xiàn)航天器研制和航天器有效載荷能力增長(zhǎng)的航天器整體[1]。隨著微小衛(wèi)星從技術(shù)驗(yàn)證階段向空間組網(wǎng)業(yè)務(wù)運(yùn)行階段的發(fā)展，一箭多星已成為微小衛(wèi)星星座發(fā)射的主流方式。目前，一箭多星發(fā)射衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計(jì)，其主要目標(biāo)是滿足星上設(shè)備安裝需求，以及運(yùn)載火箭整流罩布局和剛度約束，由于對(duì)其它影響整星性能的因素考慮較少，一定程度上增加了整星的研制難度。因此，一箭多星發(fā)射衛(wèi)星的構(gòu)型在滿足任務(wù)需求和運(yùn)載火箭約束條件的前提下，如何通過(guò)合理的設(shè)計(jì)為星上儀器設(shè)備提供良好的溫度和力學(xué)環(huán)境條件，并降低質(zhì)量和研制難度，是當(dāng)前急需解決的難點(diǎn)之一。

從20世紀(jì)90年代至今，一箭多星發(fā)射組網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，衛(wèi)星構(gòu)型也呈多樣化發(fā)展的趨勢(shì)。1993-1998年，美國(guó)摩托羅拉公司研制并陸續(xù)成功發(fā)射了銥星(Iridium)系統(tǒng)[2]，衛(wèi)星采用底部安裝的平面并行式布局進(jìn)行一箭多星發(fā)射。此構(gòu)型成功解決了多星在整流罩內(nèi)的布局問(wèn)題，但由于衛(wèi)星整體呈細(xì)長(zhǎng)型、質(zhì)心較高，將不可避免的增加星體上儀器的力學(xué)振動(dòng)響應(yīng)。氣象、電離層與氣候星座觀測(cè)系統(tǒng)(COSMIC)由美國(guó)與臺(tái)灣聯(lián)合研制，于2006年采用一箭六星方式發(fā)射成功，衛(wèi)星構(gòu)型呈圓盤(pán)狀，在整流罩內(nèi)采用堆疊式布局。此方式雖然使整星外形更加緊湊，但下部的衛(wèi)星需要承受上部衛(wèi)星的發(fā)射載荷，增加了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。同時(shí)太陽(yáng)翼需要單軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，不僅增加了整星的研制難度，還降低了可靠性，其中一顆星出現(xiàn)的太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)卡死故障也說(shuō)明了此問(wèn)題。另外，COSMIC衛(wèi)星的儀器設(shè)備大部分布置在±Y面，在軌運(yùn)行期間要經(jīng)受較為劇烈的外熱流變化，使這些設(shè)備的溫度波動(dòng)范圍較大，增加了整星熱設(shè)計(jì)難度。近期，隨著低軌寬帶通信衛(wèi)星星座的建設(shè)，二代銥星(Iridium Next)和一網(wǎng)(OneWeb)衛(wèi)星均采用整流罩內(nèi)壁掛式布局進(jìn)行一箭多星發(fā)射，整星基本構(gòu)型為梯形。此構(gòu)型使衛(wèi)星在發(fā)射時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)得到一定程度的降低，但由于其載荷設(shè)備安裝在遠(yuǎn)離運(yùn)載適配器的一側(cè)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性的加強(qiáng)設(shè)計(jì)，以保證整星的剛度和力學(xué)載荷的有效傳遞。國(guó)內(nèi)一箭多星發(fā)射微小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)研究也日益深入[3]，文獻(xiàn)[4]通過(guò)剛度可調(diào)和變截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅降低了發(fā)射過(guò)程中星箭界面的載荷、提高了衛(wèi)星空間利用率，還增加了衛(wèi)星對(duì)不同運(yùn)載的剛度適應(yīng)性。文獻(xiàn)[5]針對(duì)中、高軌道一箭多星發(fā)射直接入軌的需求，對(duì)多種衛(wèi)星構(gòu)型形式進(jìn)行了研究，通過(guò)在整星剛度、主結(jié)構(gòu)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)工藝性、設(shè)備布局面積等方面的綜合比較，選取了桁架式衛(wèi)星構(gòu)型。

在一箭多星發(fā)射的模式下，對(duì)降低整星質(zhì)量有著更為迫切的需求，單星質(zhì)量的降低意味著可以搭載更多顆衛(wèi)星、實(shí)現(xiàn)更低的發(fā)射成本。衛(wèi)星構(gòu)型直接決定結(jié)構(gòu)的配置，構(gòu)型設(shè)計(jì)結(jié)果是影響衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量的主要因素。國(guó)內(nèi)目前百千克級(jí)的微小衛(wèi)星，結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比較高，通常達(dá)到整星質(zhì)量的15%以上，甚至25%。例如，根據(jù)文獻(xiàn)[6]推算，某對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星在經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，主結(jié)構(gòu)質(zhì)量預(yù)計(jì)約10.5～11.5 kg，占整星質(zhì)量比為15.4%～16.9%；某敏捷小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量12.6 kg[7]，占整星質(zhì)量比達(dá)到了22.9%；某搭載小衛(wèi)星采用剛架和箱板組合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)質(zhì)量占用整星質(zhì)量比例達(dá)到22%[8]。

基于對(duì)國(guó)內(nèi)外一箭多星發(fā)射微小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題的分析，本文提出一種微小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)示例進(jìn)行設(shè)計(jì)演示。該構(gòu)型設(shè)計(jì)方法在優(yōu)先滿足各部件對(duì)構(gòu)型要求和運(yùn)載火箭約束條件的同時(shí)，還對(duì)整星熱環(huán)境保證、部件力學(xué)邊界、主結(jié)構(gòu)質(zhì)量、機(jī)構(gòu)配置等方面的影響要素進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，使構(gòu)型設(shè)計(jì)結(jié)果可最大程度有利于飛行任務(wù)的完成，且降低了研制難度。

1 衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)方法

1.1 設(shè)計(jì)流程

相比傳統(tǒng)衛(wèi)星，微小衛(wèi)星一般要求采用以載荷為中心、簡(jiǎn)單可靠的構(gòu)型設(shè)計(jì)方案，并且一箭多星發(fā)射的微小衛(wèi)星構(gòu)型還要重點(diǎn)解決多星與運(yùn)載火箭的匹配性問(wèn)題。本文所述的微小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)方法，旨在滿足任務(wù)需求的同時(shí)，通過(guò)對(duì)多星在整流罩內(nèi)的布局優(yōu)化，使衛(wèi)星構(gòu)型能夠有利于為星上設(shè)備提供較好的力熱環(huán)境，同時(shí)減少機(jī)構(gòu)部件配置、降低結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)重量。在上述設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，確定的一箭多星發(fā)射微小衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計(jì)分為在軌構(gòu)型設(shè)計(jì)、發(fā)射構(gòu)型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化3個(gè)階段，設(shè)計(jì)過(guò)程見(jiàn)圖1。

1.2 在軌構(gòu)型設(shè)計(jì)

衛(wèi)星在軌構(gòu)型設(shè)計(jì)在完成需求分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行，為了能夠使整星更有效地完成飛行任務(wù)，分析的順序一般遵循先載荷后平臺(tái)、先星外后星內(nèi)、先大后小的原則。

首先確定星上載荷和平臺(tái)各部件對(duì)構(gòu)型的要求，主要包括以下內(nèi)容。

(1)確定相關(guān)部件在軌期間的指向、尺寸、遮擋等方面對(duì)構(gòu)型的要求，例如天線一般要求指向信號(hào)傳輸方向，在波束區(qū)內(nèi)無(wú)遮擋。

(2)確定部件的安裝要求，具體包括部件尺寸、質(zhì)量、安裝面積、功耗等。

(3)根據(jù)整星各部件的尺寸和相互間的電纜連接關(guān)系，對(duì)衛(wèi)星本體體積需求進(jìn)行分析。

為給設(shè)備提供良好的溫度環(huán)境，需對(duì)整星的散熱需求和熱控能力進(jìn)行估算。估算在衛(wèi)星軌道外熱流計(jì)算的結(jié)果上進(jìn)行，假設(shè)整星所有散熱面均在同一面，計(jì)算此面散熱面積的方法為

(1)

式中：S為所需散熱面積；qwmax是衛(wèi)星在軌工作周期內(nèi)的最大外熱流；α為散熱面表面吸收率；Qi為星內(nèi)平均熱耗；ε為散熱面表面發(fā)射率；σ為玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/(m2K)；Tmax為散熱面最高熱控目標(biāo)。在估算完所需散熱面積后，可帶入衛(wèi)星在軌工作周期內(nèi)的最小外熱流，即可計(jì)算出在無(wú)主動(dòng)熱控情況下的散熱面最低溫度Tmin，以及散熱面在軌溫度波動(dòng)范圍ΔT=Tmax-Tmin。計(jì)算完各面的散熱需求和熱控能力后，結(jié)合星外部件對(duì)星體各面的遮擋情況，選取S或ΔT最小面作為星內(nèi)部件的主安裝面，以降低整星熱控難度和部件在軌的溫度波動(dòng)范圍。

衛(wèi)星在軌構(gòu)型需求分析除對(duì)星體外大部件的安裝方位和面積進(jìn)行分析外，重點(diǎn)對(duì)星體各安裝面所需的面積進(jìn)行分析。安裝面面積需求分析在滿足部件安裝極性的基礎(chǔ)上計(jì)算，基本原則是將無(wú)安裝極性要求的部件布置在主安裝面。

衛(wèi)星在軌構(gòu)型依據(jù)需求分析的結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終的構(gòu)型為形狀簡(jiǎn)單的立方形本體+星外大部件即可。對(duì)于衛(wèi)星本體，其尺寸設(shè)計(jì)的初始條件包括：星內(nèi)設(shè)備主安裝面面積大于散熱面面積和設(shè)備安裝需求面積；非主安裝面面積大于設(shè)備安裝需求面積，且盡量??；衛(wèi)星本體體積大于需求；星體各面滿足星外大部件在軌狀態(tài)下的構(gòu)型需求。在軌構(gòu)型設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)給出衛(wèi)星的本體尺寸和在軌包絡(luò)尺寸。

1.3 發(fā)射構(gòu)型設(shè)計(jì)

發(fā)射構(gòu)型設(shè)計(jì)階段的主要工作是通過(guò)多星在整流罩內(nèi)的布局設(shè)計(jì)和發(fā)射構(gòu)型設(shè)計(jì)，使多星滿足整流罩的空間約束條件，并確定衛(wèi)星的機(jī)構(gòu)部件配置。發(fā)射構(gòu)型設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)重要內(nèi)容是整星發(fā)射狀態(tài)下的總體布局設(shè)計(jì)和星箭對(duì)接界面設(shè)計(jì)，目的是通過(guò)合理的質(zhì)量分布和安裝邊界降低整星抗力學(xué)環(huán)境的設(shè)計(jì)難度。

運(yùn)載火箭約束條件主要包括發(fā)射質(zhì)量約束、整流罩內(nèi)包絡(luò)空間約束、剛度約束等。

多星在整流罩內(nèi)布局方案主要依據(jù)衛(wèi)星在軌構(gòu)型、發(fā)射數(shù)量和整流罩包絡(luò)空間進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于多顆狀態(tài)基本相同的衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，整流罩內(nèi)常用的布局形式如圖2所示。

圖2 多星在整流罩內(nèi)布局示意Fig.2 Multi-satellite layout in the fairing

整流罩內(nèi)多星布局方案依據(jù)發(fā)射數(shù)量、衛(wèi)星在軌構(gòu)型的幾何特征，結(jié)合圖2進(jìn)行選取，其中串行式布局適用2～3顆衛(wèi)星，平面并行式布局適用2～6顆衛(wèi)星，多層壁掛式布局適用4顆以上衛(wèi)星，堆疊式布局適用10顆以上衛(wèi)星。

多星布局的可行性通過(guò)整流罩凈空間使用率進(jìn)行評(píng)估，所謂凈空間使用率，是指多星的總體積與整流罩凈使用空間的比值。發(fā)射時(shí)為了使衛(wèi)星滿足整流罩的空間約束，星外大部件通常采用展開(kāi)機(jī)構(gòu)進(jìn)行收攏，以使減小整星的體積。對(duì)于單星而言，發(fā)射狀態(tài)的最小體積預(yù)估方法為

(2)

式中：Vb為每個(gè)衛(wèi)星本體的體積；Vi為每個(gè)星外大部件的包絡(luò)體積；ki為體積收攏放大系數(shù)，是指部件利用展開(kāi)機(jī)構(gòu)收攏后的包絡(luò)體積，ki一般根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定，例如根據(jù)太陽(yáng)翼收攏時(shí)的折疊次數(shù)，其體積放大系數(shù)可取2～3。此外，發(fā)射狀態(tài)的最大體積即為在軌狀態(tài)的包絡(luò)體積。考慮到星間安全距離和多星適配器占用空間等因素，各種布局方式的最大凈空間使用率建議串行布局為50%，多層壁掛式布局為60%，平面并行式布局為70%，堆疊式布局為85%。

衛(wèi)星發(fā)射構(gòu)型設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是以在軌構(gòu)型為基礎(chǔ)，根據(jù)多星在整流罩內(nèi)的布局方案進(jìn)行尺寸適應(yīng)性優(yōu)化、星箭對(duì)接面設(shè)計(jì)、總體布局及質(zhì)量特性優(yōu)化。上述工作具有較強(qiáng)的耦合性，可采用如下方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)利用多面體外形提高整流罩的空間利用率，減少展開(kāi)機(jī)構(gòu)的配置。

(2)適當(dāng)增加星箭對(duì)接面的尺寸，將星內(nèi)質(zhì)量大的設(shè)備布置在距離對(duì)接面近的結(jié)構(gòu)板上，以降低整星的質(zhì)心。

適當(dāng)增加星箭接口尺寸和降低質(zhì)心對(duì)整星的承載和降低設(shè)備動(dòng)響應(yīng)有重要的意義。一方面，根據(jù)大量的力學(xué)分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，星上距離安裝邊界越近的設(shè)備，其在整星振動(dòng)試驗(yàn)中的響應(yīng)放大越小。另一方面，根據(jù)式(3)，對(duì)于通過(guò)對(duì)接環(huán)和包帶與運(yùn)載連接的衛(wèi)星，降低質(zhì)心可降低星箭連接處的軸向承載。

φ=MaL/(2πR)+MaTh/(πR2)

(3)

式中：φ為等效軸向載荷，單位N/mm；M為整星質(zhì)量；aL為縱向準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)載加速度；h為質(zhì)心高度；aT為橫向準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)載加速度；R為對(duì)接環(huán)半徑。

1.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

衛(wèi)星構(gòu)型可基本確定結(jié)構(gòu)的外形，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是保證在發(fā)射過(guò)程中，星上所有部件的力學(xué)載荷能夠順利傳遞到星箭接口，同時(shí)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的配置、降低質(zhì)量。

首先進(jìn)行大部件承載能力分析，對(duì)于具備承載能力的部件，可以與相應(yīng)的結(jié)構(gòu)支撐部件進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，共同承受、傳遞發(fā)射載荷。

其次進(jìn)行傳力優(yōu)化設(shè)計(jì)，此工作是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中最重要的原則是力流連續(xù)性原理和直接的最短路徑傳力原理[9]。傳力設(shè)計(jì)在結(jié)合各結(jié)構(gòu)部件上的設(shè)備重量的基礎(chǔ)上進(jìn)行，對(duì)于大質(zhì)量分布的結(jié)構(gòu)件，可在其與星箭對(duì)接面之間增加支撐部件，以便于載荷的直接傳遞。為減少結(jié)構(gòu)配置，在傳力設(shè)計(jì)時(shí)可采取以下兩種方法。

(1)一體化設(shè)計(jì)法，指對(duì)于具備承載能力的非結(jié)構(gòu)部件，可在傳力設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)一分析，使其在主傳力路徑上替代傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件。

(2)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)法，即取消非主傳力路徑上且無(wú)構(gòu)型布局需求的結(jié)構(gòu)件。

再次開(kāi)展星箭接口設(shè)計(jì)，主要是確定接口分布圓半徑和接口形式。通常星箭連接方式有對(duì)接環(huán)結(jié)合包帶連接、點(diǎn)式結(jié)合分離螺母連接。對(duì)接環(huán)結(jié)合包帶連接方式具有整體剛度好、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，適用于尺寸、質(zhì)量大的航天器，但存在對(duì)接環(huán)以及包帶自身質(zhì)量較大、會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星構(gòu)型及星箭接口可設(shè)計(jì)性較差的缺點(diǎn)。點(diǎn)式結(jié)合分離螺母連接方式具有質(zhì)量輕、可依據(jù)衛(wèi)星構(gòu)型及星箭接口進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但整體剛度和強(qiáng)度不如對(duì)接環(huán)結(jié)合包帶連接方式，適用于質(zhì)量、尺寸較小的衛(wèi)星。

最后進(jìn)行整星力學(xué)特性分析，內(nèi)容包括模態(tài)分析、靜強(qiáng)度分析、動(dòng)響應(yīng)分析等。

2 構(gòu)型效能對(duì)比評(píng)價(jià)方法

對(duì)于一箭多星發(fā)射的微小衛(wèi)星，衛(wèi)星構(gòu)型根據(jù)不同的整流罩布局方案，設(shè)計(jì)結(jié)果會(huì)有較大的差異，即具有設(shè)計(jì)多樣性的特點(diǎn)。在滿足星上部件的構(gòu)型要求和運(yùn)載火箭約束條件的前提下，衛(wèi)星構(gòu)型同時(shí)會(huì)對(duì)整星性能產(chǎn)生一定的影響。針對(duì)上述特點(diǎn)，本文提出采用構(gòu)型效能評(píng)價(jià)法對(duì)同一任務(wù)的多種構(gòu)型進(jìn)行評(píng)價(jià)。所謂構(gòu)型效能，是指衛(wèi)星構(gòu)型在滿足任務(wù)要求和大系統(tǒng)約束條件的前提下，對(duì)整星研制難度、力熱環(huán)境保證能力、質(zhì)量等方面的綜合影響程度。

對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)有多種方法，具體到航天領(lǐng)域，目前得到應(yīng)用的評(píng)價(jià)方法包括專(zhuān)家定性評(píng)價(jià)方法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等[10-12]。結(jié)合衛(wèi)星構(gòu)型的特點(diǎn)，本文采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)構(gòu)型效能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立

根據(jù)構(gòu)型設(shè)計(jì)對(duì)整星性能的影響因素，確定圍繞以下7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)：①X1為主結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比；②X2為散熱面積；③X3為散熱面穩(wěn)態(tài)溫度波動(dòng)范圍；④X4為需進(jìn)行結(jié)構(gòu)板間導(dǎo)熱的次數(shù)；⑤X5為整星質(zhì)心高度；⑥X6為衛(wèi)星本體體積；⑦X7為機(jī)構(gòu)復(fù)雜性，需考慮數(shù)量、自身復(fù)雜程度和成熟度等因素確定。

上述指標(biāo)中，衛(wèi)星本體體積X6可一定程度反應(yīng)設(shè)備布局靈活性和總裝操作方便性，所以數(shù)值越大對(duì)提升衛(wèi)星的整體性能越有利，其余指標(biāo)則相反。

2)建立指標(biāo)隸屬度關(guān)系矩陣

指標(biāo)關(guān)系隸屬度矩陣用式(4)表示為

(4)

式中：cij表示第i項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)在第j個(gè)方案中的隸屬度，采用指標(biāo)最小化方法計(jì)算。對(duì)于指標(biāo)X6，其隸屬度為所有方案的平均數(shù)值與本方案的比值，其余指標(biāo)的隸屬度計(jì)算則相反。

3)確定指標(biāo)的權(quán)重

參照文獻(xiàn)[11]分析各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，首先進(jìn)行指標(biāo)相關(guān)性分析，見(jiàn)表1。

表1 指標(biāo)相關(guān)性示意表Table 1 Indicator correlation

表1中，Wij表示指標(biāo)Xi與指標(biāo)Xj的重要性比值，此值采用目前應(yīng)用比較廣泛的1～9標(biāo)度方法設(shè)定。

在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，利用式(5)計(jì)算各指標(biāo)的初始權(quán)重為

(5)

對(duì)各指標(biāo)的初始權(quán)重進(jìn)行歸一化處理，即形成權(quán)重矩陣為

U=[u1u2…u7]

(6)

3)構(gòu)型效能計(jì)算分析

構(gòu)型效能系數(shù)矩陣計(jì)算為

B=UC=[b1b2…bn]

(7)

式中：bj即為第j個(gè)方案的構(gòu)型效能系數(shù)，此值越小，說(shuō)明構(gòu)型對(duì)提升整星綜合性能的貢獻(xiàn)越大。

3 驗(yàn)證分析

本節(jié)以采用一箭六星方式發(fā)射的某星座衛(wèi)星為背景，利用上述方法開(kāi)展衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)。

根據(jù)構(gòu)型需求分析結(jié)果(其中熱控能力評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表2)，衛(wèi)星在軌構(gòu)型如圖3所示。

表2 熱控能力評(píng)估結(jié)果Table 2 Results of the temperature control capability evaluation

圖3 衛(wèi)星在軌構(gòu)型設(shè)計(jì)方案Fig.3 On-orbit configuration design of the satellite

在軌狀態(tài)下，衛(wèi)星本體尺寸為900 mm×500 mm×840 mm，最大包括尺寸為1700 mm×2920 mm×960 mm。星外主要部件為2副載荷天線和2副太陽(yáng)翼。衛(wèi)星本體體積為0.378 m3，滿足大于0.3 m3的體積需求。由于載荷天線對(duì)±X面有遮擋情況，根據(jù)表1的分析結(jié)果，選取±Z面為散熱面，使整星有較好的熱控能力。

運(yùn)載火箭采用Φ3800 mm整流罩，內(nèi)部可用空間的凈包絡(luò)尺寸為Φ3800 mm×2800 mm(整流罩柱段)，體積約25.4 m3。根據(jù)在軌構(gòu)型，整星發(fā)射狀態(tài)下的最大體積約2.6 m3，最小體積約0.68 m3，其中太陽(yáng)翼和載荷天線的體積收攏放大系數(shù)取2.5。

根據(jù)一箭六星的發(fā)射需求，整流罩的凈空間使用率約為16%～61%，可采用平面并行式布局或多層壁掛式布局方式進(jìn)行發(fā)射構(gòu)型設(shè)計(jì)。對(duì)兩種方式進(jìn)行了發(fā)射構(gòu)型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)均采用了多面體外形法則，以減少展開(kāi)機(jī)構(gòu)的配置。同時(shí)，衛(wèi)星本體的外形尺寸根據(jù)整流罩尺寸約束進(jìn)行了優(yōu)化，并考慮了降低整星質(zhì)心的總體布局方案。具體的整流罩布局和發(fā)射構(gòu)型方案如圖4、圖5所示。

圖4 傳統(tǒng)構(gòu)型方案Fig.4 Traditional configuration scheme

圖5 多面體構(gòu)型方案Fig.5 Polyhedron configuration scheme

圖5為適用于單層壁掛式布局的多面體構(gòu)型方案。衛(wèi)星本體呈梯形體，±Y側(cè)設(shè)置兩塊固定式太陽(yáng)電池板，本體尺寸為1400 mm(X)×2695 mm(Y)×817 mm(Z)，通過(guò)+Z板與運(yùn)載火箭連接，整星質(zhì)心高度約170 mm。在軌飛行時(shí)，選取+Z面為散熱面。

本文僅對(duì)多面體構(gòu)型方案的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行說(shuō)明，經(jīng)部件承載能力分析和傳力優(yōu)化設(shè)計(jì)后，整星最終構(gòu)型如圖6所示。

圖6 整星最終構(gòu)型方案Fig.6 Final configuration scheme

衛(wèi)星構(gòu)型的主體包括由7塊蜂窩板組成的主結(jié)構(gòu)，以及3塊太陽(yáng)翼和2副載荷天線。此構(gòu)型的特點(diǎn)是主結(jié)構(gòu)采用開(kāi)敞形式，同時(shí)將太陽(yáng)翼、載荷天線與主結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)。星內(nèi)主要部件布置均布置在+Z板，在降低質(zhì)心和縮短傳力路線的同時(shí)，又有利于整星熱控。

星箭接口采用4處點(diǎn)式連接方案，設(shè)置在衛(wèi)星底板的±X邊外側(cè)。對(duì)于星箭接口X向的間距，主要以傳力路徑最短為設(shè)計(jì)原則，因此取允許的最小值，為560 mm。由于衛(wèi)星底板Y向尺寸較大，達(dá)到1856 mm，星箭接口Y向的間距，主要根據(jù)剛度匹配原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧考慮減小橫向彎矩。在設(shè)計(jì)星箭連接點(diǎn)Y向間距時(shí)，將星體簡(jiǎn)化為一等截面勻質(zhì)梁，星箭連接點(diǎn)為梁的固支點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 星體簡(jiǎn)化示意圖Fig.7 Simplified sketch of the satellite

從圖7中可以看出，星箭連接點(diǎn)將梁分為3段，分別是兩段的懸臂梁l2和中間的兩端固支梁l1。為了防止共振現(xiàn)象發(fā)生，在設(shè)計(jì)星箭連接點(diǎn)Y向間距時(shí)，主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是固支梁與懸臂梁的一階彎曲頻率比值大于1.4。假設(shè)梁各部分的彎曲剛度相同，根據(jù)相關(guān)梁的頻率計(jì)算公式推導(dǎo)出此頻率比值的估算方法為

(8)

式中：β為頻率比值，m1和m2為各段梁上的均布質(zhì)量。計(jì)算得出，當(dāng)l1=960 mm、m1=65 kg、l2=450 mm、m2=30 kg時(shí)，β約為1.51，滿足大于1.4的設(shè)計(jì)目標(biāo)。因此，星箭連接點(diǎn)在Y向的間距設(shè)計(jì)為960 mm。

經(jīng)有限元分析，多面體構(gòu)型方案的整星力學(xué)特性滿足要求，本文不再贅述。

采用第3節(jié)的方法，兩個(gè)方案構(gòu)型效能的對(duì)比情況見(jiàn)表3。

表3 構(gòu)型評(píng)價(jià)指標(biāo)及隸屬度分析Table 3 Analysis of configuration evaluation and membership degree

經(jīng)評(píng)議和分析，各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度和權(quán)重見(jiàn)表4。

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度和權(quán)重分析結(jié)果，計(jì)算得出2個(gè)方案的構(gòu)型效能系數(shù)矩陣為

B=[b1b2]=[12.359 63 7.208 267]

(9)

式中：b1、b2分別為2個(gè)方案的構(gòu)型效能系數(shù)。

通過(guò)對(duì)比，多面體構(gòu)型方案的構(gòu)型效能系數(shù)較傳統(tǒng)構(gòu)型方案小，說(shuō)明此方案對(duì)于整星的力熱環(huán)境保證、減重、降低研制難度3個(gè)方面的綜合貢獻(xiàn)更加明顯。從各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)對(duì)比情況看，傳統(tǒng)構(gòu)型僅散熱面積一項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于多面體構(gòu)型，而多面體構(gòu)型采用+Z面作為散熱面，在軌全周期穩(wěn)態(tài)溫度波動(dòng)僅4.8 K，比其它面減少25%以上。整星在采取了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，減重效果明顯，多面體構(gòu)型的主結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)H占整星的12.4%，達(dá)到了較先進(jìn)的水平。另外，從整星頻響對(duì)比分析結(jié)果來(lái)看，多面體構(gòu)型中，除貯箱外的星內(nèi)主要設(shè)備的最大加速度響應(yīng)比傳統(tǒng)構(gòu)型降低了25%～40%，更加有利于星上設(shè)備的抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)。

表4 指標(biāo)關(guān)聯(lián)度及權(quán)重分析結(jié)果Table 4 Indicator correlation and weight analysis

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)一箭多星發(fā)射微小衛(wèi)星，提出了一種分階段、分層次的構(gòu)型設(shè)計(jì)方法，將復(fù)雜的多約束設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了分解，在滿足各部件對(duì)構(gòu)型要求和多星發(fā)射約束條件的同時(shí)，還可對(duì)整星散熱、力學(xué)特性、主結(jié)構(gòu)質(zhì)量、機(jī)構(gòu)配置等影響衛(wèi)星整體性能和研制難度的因素進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。同時(shí)，提出采用構(gòu)型效能系數(shù)對(duì)同一任務(wù)的多種構(gòu)型進(jìn)行量化比較，建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和具體的評(píng)價(jià)方法。通過(guò)實(shí)例的驗(yàn)證分析表明：本文描述的一箭多星發(fā)射微小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)方法合理可行，能夠提高構(gòu)型設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)飛行任務(wù)的總體保證能力，可適用于一箭多星發(fā)射的微小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)。本文提出構(gòu)型效能評(píng)價(jià)方法，以滿足載荷需求為基本條件，未考慮不同構(gòu)型對(duì)載荷性能的影響，相關(guān)深化研究工作還有待進(jìn)一步開(kāi)展。