現(xiàn)代衛(wèi)星結構技術研究進展

陳夜 彭海闊 孔祥森 張如變 趙發(fā)剛（上海衛(wèi)星工程研究所）

隨著軍用、民用領域對衛(wèi)星功能、性能需求的不斷提高，現(xiàn)代衛(wèi)星對結構的精度、集成度與輕量化提出了更高的要求。通過梳理近期國內(nèi)外航天領域的發(fā)展規(guī)劃，調研國內(nèi)外衛(wèi)星結構技術在實現(xiàn)高精度、高集成度與輕量化方面的進展，對比國內(nèi)外技術狀況，分析國內(nèi)在衛(wèi)星結構精度主動控制技術、多領域集成設計技術、小型結構平臺技術等方面的不足，為提高相關技術能力，比肩國際先進水平，提出技術發(fā)展著力點。

1 引言

近年來，國內(nèi)外衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。2018－2020年，全球衛(wèi)星發(fā)射次數(shù)連續(xù)三年破百，發(fā)射航天器數(shù)量屢創(chuàng)新高。其中，以“光學空間組件”（CSO）系列為代表的高分辨率對地觀測衛(wèi)星和以“星鏈”（Starlink）為代表的小衛(wèi)星星座約占發(fā)射數(shù)量的70%。高分辨率、多功能的衛(wèi)星與小型化、集成化的小衛(wèi)星星座是國內(nèi)外現(xiàn)代衛(wèi)星的重要發(fā)展方向。高分辨率衛(wèi)星對衛(wèi)星結構提出高精度的要求，以保證衛(wèi)星有效載荷的在軌工作；小衛(wèi)星的蓬勃發(fā)展則對衛(wèi)星結構提出了輕量化、高集成度、通用化的要求，以適應未來高密度、批量化的發(fā)射任務。

2 衛(wèi)星結構技術發(fā)展背景

隨著人類探索的太空腳步不斷深入，各航天大國相繼提出了航天發(fā)展規(guī)劃。2018年10月，美國公布了《國家太空探索活動報告》，提出了重返月球、登陸火星等探索計劃。日本于2020年6月修訂《宇宙基本計劃》，提出了建立小衛(wèi)星星座、探測并追蹤彈道導彈的方針，并計劃到21世紀30年代初將航天工業(yè)的規(guī)模增加一倍。我國2006年發(fā)布的《國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》將高分專項工程列為國家重大科技專項，自2013年發(fā)射高分一號衛(wèi)星開始，已成功發(fā)射了多型高分辨率遙感衛(wèi)星；在2019年發(fā)布的《衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)白皮書》中，提出組建通信小衛(wèi)星低軌星座的計劃，配合打造天地一體化信息網(wǎng)絡。高分辨率對地觀測、深空探測以及小衛(wèi)星星座將是未來國內(nèi)外航天技術發(fā)展的重要方向。

對高分辨率對地觀測衛(wèi)星而言，衛(wèi)星結構在軌的微變形將降低其成像質量，衛(wèi)星結構的型面精度、指向精度是保證對地觀測精度的關鍵因素。月球、火星等探測任務需要高穩(wěn)定的結構平臺，在太空復雜交變的溫度環(huán)境下，結構應具備足夠的精度保持能力。

小衛(wèi)星研制任務快速響應、短周期的特點要求衛(wèi)星結構具備高集成度、高通用性，以提高研制效率，快速適應不同載荷的需求。隨著“一箭多星”發(fā)射方式的推廣，輕量化、小型化的衛(wèi)星結構是提高火箭空間利用率、節(jié)約發(fā)射成本的關鍵。

3 國外相關技術研究進展

高精度衛(wèi)星結構技術

高精度衛(wèi)星結構主要體現(xiàn)在空間環(huán)境下，衛(wèi)星結構型面精度、指向精度的保持能力。

美國在高精度衛(wèi)星結構技術領域一直處于世界領先水平。自20世紀90年代起，美國一直推廣低變形碳纖維復合材料在衛(wèi)星結構上的應用。以“哈勃空間望遠鏡”（HST）、“世界觀測”（World View）系列遙感衛(wèi)星為例，以一體化結構設計、選用低膨脹材料等措施保證結構的精度，材料的熱膨脹系數(shù)較鋁合金、鎂合金等金屬材料低一個數(shù)量級。步入21世紀，為進一步提高衛(wèi)星結構的在軌精度保持能力，美國開展了在軌變形主動控制技術研究。美國國家航空航天局（NASA）研制的“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”（JWST）主鏡口徑為6.6m，由18塊六邊形子模塊組成，每個子模塊上均有一個六腳作動器與曲率調節(jié)系統(tǒng)。在-220℃的低溫環(huán)境下，主鏡型面精度可保持在183nm，達到世界頂尖水平。

“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”結構

俄羅斯光譜－M（Millimetron）紅外望遠鏡預計于2030年前后發(fā)射，用以探測行星系統(tǒng)的演變等天體物理學現(xiàn)象。望遠鏡主鏡口徑為10m，鏡面材料為復合材料，通過型面精度主動作動調節(jié)技術，主鏡的目標型面精度為10μm。目前，該項目已突破總裝集成、型面作動調節(jié)、基于激光光束與光電子的結構位形測量等關鍵技術。

日本“先進陸地觀測衛(wèi)星”（ALOS）系列通過精準的熱控措施與一體化星敏支架設計，星敏指向的熱穩(wěn)定性達到0.25″。該型衛(wèi)星還采用碳化硅材料作為載荷的基板，在保持良好導熱率的同時，熱膨脹率僅為2.2×10/℃。在大尺寸可展開結構領域，日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）先后研制了構架式天線與大型反射面結構。其中一種用于30m口徑大型天線的反射面結構，反射面背面采用碳纖維增強復合材料的徑向肋支撐，型面精度可達3mm；

俄羅斯光譜－M紅外望遠鏡結構

高集成度、通用性衛(wèi)星結構技術

衛(wèi)星結構的高集成度、通用性設計主要體現(xiàn)在擴大載荷安裝空間，構型布局優(yōu)化，接口標準化、模塊化等方面，以適應批量化的研制任務，降低研制周期與成本。

美國太空探索技術公司（SpaceX）的“星鏈”計劃預計到2024年完成約1.2萬顆“星鏈”衛(wèi)星的發(fā)射，并已于2019年完成首批60顆衛(wèi)星發(fā)射。衛(wèi)星打破了傳統(tǒng)的箱式構型，采用獨特的平板式構型以減少外包絡尺寸與質量，上面集成了豐富的機、電、熱接口。通過星箭一體化設計，可最大限度利用整流罩的包絡。

除美國外，歐洲航天局（ESA）的“小型地球靜止軌道”（SGEO）衛(wèi)星公用平臺—LUXOR平臺，通過模塊化設計降低系統(tǒng)復雜性，稍作適應性修改即可滿足不同用戶需求，可支持有效載荷質量在300kg以下的地球靜止軌道通信衛(wèi)星；俄羅斯的“集成空間系統(tǒng)”（EKS）導彈預警衛(wèi)星于2015年首發(fā)，衛(wèi)星采用約1.2t的“通用衛(wèi)星平臺”（GSP），其推進艙采用多種配置聯(lián)合技術，適用于電推進、液體推進與氣體推進等多種推進方式，載荷艙配置有兩種標準結構模式，可適應不同的有效載荷搭載需求，提升衛(wèi)星平臺的使用性能。

輕量化衛(wèi)星結構技術

結構輕量化是衛(wèi)星工程中一直追求的目標。在技術不斷進步的背景下，新材料、新結構不斷涌現(xiàn)。

美國“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”主鏡采用輕質、高強度的鈹合金材料，口徑約1.3m的單個六邊形鏡片質量僅為21kg。俄羅斯將格柵狀結構應用于柱形、錐形承力筒，發(fā)揮了復合材料各向異性的優(yōu)勢。

除了材料級與零部件級的輕量化設計，日本正推進合成孔徑雷達（SAR）衛(wèi)星平臺的小型化。日本合成視角公司（Synspective）著力研制100kg的小型SAR衛(wèi)星星座“長耳鷹”（Strix）系列，其衛(wèi)星分辨率約1～3m，搭載SAR載荷的小型衛(wèi)星平臺采用了微機械、微電子和輕型材料的設計思路，相比于傳統(tǒng)質量1000kg以上的SAR衛(wèi)星，具備顯著的輕量化優(yōu)勢，可使用小型運載火箭發(fā)射。

日本小型SAR衛(wèi)星構型

4 國內(nèi)相關技術研究進展

高精度衛(wèi)星結構技術

在高精度衛(wèi)星結構方面，碳纖維復合材料結構已普遍應用于衛(wèi)星結構，通過碳纖維鋪層的“零膨脹”設計，碳纖維桁架結構的熱膨脹系數(shù)可達0.2×10/℃左右。高分七號衛(wèi)星設計了一體化碳纖維載荷支架，載荷安裝面的指向角度熱穩(wěn)定性達到亞角秒級。

一體化碳纖維支架

對于大尺寸、可展開的高精度衛(wèi)星結構，國內(nèi)研究起步較晚，相關成果主要處于方案研究或地面樣機研制階段，比如哈爾濱工業(yè)大學研制出了1.5m口徑的折疊式反射面結構樣機，其形面精度達到0.2mm;南京航空航天大學分析了一種尺寸為11m×10m的拋物柱面可展開結構，通過采用低膨脹材料，熱載荷對結構型面精度的影響不足1mm。

折疊式反射面結構

在結構微變形測量與控制技術領域，上海衛(wèi)星工程研究所李奇等開展了星載固面天線結構的熱變形地面測試與仿真驗證，提出熱變形試驗與仿真一體化分析驗證方法，對口徑5m×3m的天線結構型面精度測量誤差優(yōu)于40μm；上海航天技術研究院董瑤海等提出了一種基于多點位移調節(jié)的微波天線在軌型面主動調節(jié)方法，型面精度控制目標達到30μm/m。

高集成度、通用性衛(wèi)星結構技術

通過布局優(yōu)化、集成化設計等方式，小衛(wèi)星的集成度較傳統(tǒng)的大衛(wèi)星有大幅提高。國內(nèi)科研院所、高校、商業(yè)衛(wèi)星公司均具備成熟的研制經(jīng)驗，已部分實現(xiàn)了衛(wèi)星機熱集成設計與制造。南京理工大學使用高模量、低熱膨脹系數(shù)的碳纖維復合材料代替金屬材料，在衛(wèi)星布局設計中考慮傳熱要求，采用機熱一體化設計思路，具備模塊化、開敞性的特點。蘭州空間技術物理研究所、上?？臻g推進研究所開展了微推進系統(tǒng)研究，以場致發(fā)射電推進為代表的微型推進系統(tǒng)可集成到小衛(wèi)星上，用于小衛(wèi)星的軌道調整。

在加強衛(wèi)星結構通用性方面，北京衛(wèi)星制造廠有限公司通過模塊化設計小型衛(wèi)星平臺結構，預先制作標準化、模塊化單元，通過剪裁、拼接標準化的模塊單元迅速適應載荷需要，節(jié)約了平臺結構研制周期，并通過某光學成像小衛(wèi)星平臺的研制得到了驗證。

相比于美國、歐洲等國家的最新技術，國內(nèi)衛(wèi)星的集成度尚有待進一步提高，對機、電、熱多領域的一體化集成設計尚處于研究階段。

輕量化衛(wèi)星結構技術

在輕量化結構方面，輕質復合材料、蜂窩夾層結構已廣泛應用于國內(nèi)衛(wèi)星。近年來，國內(nèi)高校又相繼提出了點陣式、格柵式等新形式的衛(wèi)星結構。

復合材料點陣結構

哈爾濱工業(yè)大學開展了碳纖維三維格柵結構、金字塔點陣結構、增強型點陣結構、輕質金字塔點陣曲面殼的研制與力學性能的研究工作。碳纖維復合材料格柵結構和點陣結構兼具輕量化和多功能化特點，對實現(xiàn)衛(wèi)星結構的輕量化、高強度設計有重要應用價值。

國防科技大學提出了一種多層格柵承力筒，格柵承力筒內(nèi)外結構通透，輕量化優(yōu)勢顯著，是下一代承力筒結構發(fā)展的方向，相比于蜂窩夾層殼承力筒，質量預計減輕20%左右。

多層格柵承力筒

5 國內(nèi)外技術狀況對比

對比國內(nèi)外衛(wèi)星結構在高精度、高穩(wěn)定、集成化、輕量化等方面的研究成果，不難發(fā)現(xiàn)：

1）高精度、高穩(wěn)定結構方面。國內(nèi)外均已普遍采用低變形的碳纖維材料，衛(wèi)星結構件的熱穩(wěn)定性能相當。但通過主動調節(jié)與控制，國外以“詹姆斯-韋伯空間望遠鏡”為代表的結構精度保持能力達到了亞微米級的超高水平，國內(nèi)的技術指標為幾十微米級，且多處于理論與樣機研制階段，尚存在一定差距。

2）在高集成度結構方面。以美國的“星鏈”、歐洲的LUXOR為代表的高集成度、通用性衛(wèi)星平臺，實現(xiàn)了機、電、熱等多領域集成設計技術，具有低成本、快速響應的優(yōu)勢。國內(nèi)目前實現(xiàn)了衛(wèi)星的機、熱集成化設計，小衛(wèi)星領域以立方星的箱式構型為主，結構的集成度有待進一步提高。

3）在輕量化結構方面。國內(nèi)積極推廣新材料、新形式結構在衛(wèi)星上的應用，實現(xiàn)了良好的減重效果。而國外在實現(xiàn)零部件輕量化設計的基礎上，還借助微機械、微電子技術積極推進整個結構平臺的小型化，具有更顯著的輕量化優(yōu)勢。

6 結束語

綜合國內(nèi)外在高精度、高集成度與輕量化衛(wèi)星結構技術領域的技術狀況，國內(nèi)衛(wèi)星結構在主動調節(jié)與控制技術、多領域集成設計技術、小型結構平臺等方面還存在一定差距。

展望未來，對標國際先進水平，國內(nèi)衛(wèi)星結構技術的發(fā)展有以下著力點：①為提高結構精度主動調節(jié)與控制能力，開展高精度在軌變形測量、精密作動調節(jié)等相關技術的研究；②為打造高集成度的衛(wèi)星平臺，需要突破衛(wèi)星機、電、熱一體化設計與制造技術，推進接口標準化與模塊化；③為推進結構輕量化，一方面要強化基于新材料、3D打印技術的結構件優(yōu)化設計，另一方面還要推動基于微電子、微機械技術的小型衛(wèi)星平臺研發(fā)。