空間站在軌組裝的微納衛(wèi)星模塊化設(shè)計(jì)與集成方法

許永生 鄭靖 王濤 李春 黃維達(dá) 呂紅強(qiáng)

(1 深圳航天東方紅衛(wèi)星有限公司，廣東深圳 518057)(2 中國空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

近年來，微納衛(wèi)星發(fā)展備受矚目，在新技術(shù)驗(yàn)證、組網(wǎng)應(yīng)用等方面前景廣闊[1-3]。目前，模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化已成為微納衛(wèi)星設(shè)計(jì)的核心理念[4-9]。隨著我國空間站的規(guī)劃建設(shè)，將微納衛(wèi)星與空間站相結(jié)合，利用貨運(yùn)飛船上行微納衛(wèi)星的模塊化組件，由航天員在軌快速組裝不同功能的微型飛行器，并經(jīng)簡化測試后即時(shí)釋放部署，靈活開展各類新技術(shù)/新產(chǎn)品驗(yàn)證與升級(jí)迭代、提供快速響應(yīng)任務(wù)是微納衛(wèi)星開發(fā)新模式的發(fā)展方向。

空間站在軌組裝與地面常規(guī)微納衛(wèi)星研制部署存在著明顯差異：①可考慮采用更輕巧的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。貨運(yùn)飛船提供較好的上行力學(xué)環(huán)境，微納衛(wèi)星模塊化組件無需考慮發(fā)射段嚴(yán)苛的力學(xué)環(huán)境，承受的力學(xué)過載小，無需像常規(guī)衛(wèi)星設(shè)備一樣設(shè)計(jì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)，僅提供滿足在軌組裝、釋放沖擊、姿軌機(jī)動(dòng)等一定裕度的結(jié)構(gòu)支撐即可。②需采用面向人機(jī)工效學(xué)的功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)。空間站失重環(huán)境操控不便、組裝設(shè)備有限等，功能模塊應(yīng)具備滿足人機(jī)工效學(xué)要求的規(guī)則外形、簡潔的對外標(biāo)準(zhǔn)化接口，模塊設(shè)備應(yīng)避免銳邊、尖角，安裝接口布局設(shè)計(jì)應(yīng)有足夠的操作空間，且便于拆裝操作。③需考慮采用開放式組裝架構(gòu)設(shè)計(jì)，易于拆裝，擴(kuò)展性強(qiáng)，更快的組裝及部署。應(yīng)避免消耗體力的手動(dòng)操作，避免專用工具的使用，以適合空間站人員靈活便捷進(jìn)行模塊的裝配、連接、拆卸及更換，且考慮到任務(wù)的多樣性，微納衛(wèi)星采用開放式可擴(kuò)展體系架構(gòu)，具有良好的可擴(kuò)展性，快速站內(nèi)實(shí)現(xiàn)各功能模塊與不同載荷的柔性化集成，及快速釋放部署。

針對以上設(shè)計(jì)需求，本文提出了一種面向空間站在軌組裝的微納衛(wèi)星功能模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與集成方法，該方法提供了基于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)板與模塊定位銷的空間站內(nèi)微納衛(wèi)星裝配方案，具有快速拼裝、模塊增加、模塊去除、模塊替代等擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)，可有效降低空間站在軌組裝的難度和工作量。

1 微納衛(wèi)星模塊化設(shè)計(jì)與集成研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，國內(nèi)外針對微納航天器模塊化標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了大量研究，以適應(yīng)靈活多樣的任務(wù)、快速研制部署、在軌組裝與維護(hù)等需求。

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)發(fā)起的“即插即用衛(wèi)星”(PnPSat)計(jì)劃[8-9]旨在開發(fā)一款基于即插即用接口和模塊化組件設(shè)計(jì)的快速響應(yīng)衛(wèi)星平臺(tái)。PnPSat全面采用空間即插即用設(shè)備(SPA)技術(shù)，星載設(shè)備通過附加傳感器接口模塊(ASIM)提供的即插即用接口快速接入SPA網(wǎng)絡(luò)。PnPSat還采用集成了電子線路、SPA接口的多功能結(jié)構(gòu)板，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的快速總裝。PnPSat衛(wèi)星模塊化架構(gòu)如圖1所示。

美國AeroAstro公司提出的小型先進(jìn)研究與技術(shù)(SMART)衛(wèi)星[10-11]采用了智能模塊化結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，將星載設(shè)備進(jìn)行集成封裝成標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過“即插即感即用”(PSP)標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)各模塊的機(jī)電連接。各功能模塊為相同外包絡(luò)的正六棱柱體，如圖2所示，每個(gè)模塊的底部(母口)和頂部(公口)具有電中樞連接器，通過公口和母口配合實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星快速疊層組裝以及模塊替換、升級(jí)。

圖2 SMART衛(wèi)星模塊化架構(gòu)

日本東京大學(xué)提出的細(xì)胞衛(wèi)星(CellSat)[12-14]由比傳統(tǒng)“模塊”更小的多個(gè)細(xì)胞單元組成，具有可重構(gòu)的體系架構(gòu)。細(xì)胞單元為邊長60 mm的立方體，各面具有同樣的結(jié)構(gòu)和接口，由在軌服務(wù)機(jī)器人使用連接器通過插入和旋轉(zhuǎn)2項(xiàng)簡單操作完成與其他單元的機(jī)械、供電及通信連接，如圖3所示。圖4給出了細(xì)胞單元構(gòu)建對地觀測CellSat衛(wèi)星示意。

圖3 細(xì)胞單元與連接操作

圖4 對地觀測CellSat衛(wèi)星

美國NovaWurks公司基于美國國防先進(jìn)研究計(jì)劃局(DARPA)提出的多細(xì)胞衛(wèi)星(Satlet)[15]概念研制了細(xì)胞單元衛(wèi)星(Hisat)，每顆Hisat具有供電、通信、姿態(tài)控制等基本衛(wèi)星功能，并擁有與其他Hisat、有效載荷實(shí)現(xiàn)裝配的機(jī)械和電氣接口。2017年10月，Hisat搭載進(jìn)入“國際空間站”，由宇航員組裝完成由6個(gè)Hisat和2個(gè)太陽電池陣組成的為“衛(wèi)星模塊初始任務(wù)驗(yàn)證及經(jīng)驗(yàn)”(Satlet Initial-Mission Proofs and Lessons，SIMPL)衛(wèi)星，并實(shí)現(xiàn)了在軌部署。

德國“衛(wèi)星智能模塊在軌組裝項(xiàng)目”(intelli-gent Building Blocks for On-orbit Satellite Servicing，iBOSS)項(xiàng)目[16-17]將衛(wèi)星平臺(tái)描述為由多個(gè)模塊化的智能建造塊裝配而成，建造塊包括結(jié)構(gòu)建造塊和系統(tǒng)建造塊兩種類型，如圖5所示。每個(gè)智能建造塊采用相同的立方體結(jié)構(gòu)以及相同的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械、電源、數(shù)據(jù)接口，建造塊采用的接口如圖6所示。iBOSS衛(wèi)星主要面向在軌服務(wù)任務(wù)，由空間機(jī)器人完成空間系統(tǒng)的在軌組裝與維護(hù)、重構(gòu)。

圖5 iBOSS衛(wèi)星與建造塊

圖6 iBOSS建造塊機(jī)械、電源、數(shù)據(jù)接口

國內(nèi)高校、航天院所在微納衛(wèi)星模塊化設(shè)計(jì)與集成方面也開展了較多研究。文獻(xiàn)[4]提出了面向微型航天器簇的微型航天器模塊化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的靈活、快速配置以適應(yīng)任務(wù)多樣性的需求。文獻(xiàn)[5]提出了一種“單機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)模塊化、整星二度集成化”的精致微納衛(wèi)星理念，實(shí)現(xiàn)微納衛(wèi)星“高承載、高精度、高速率、高功率”設(shè)計(jì)，并通過“精致微納技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[18]通過對傳統(tǒng)衛(wèi)星分系統(tǒng)進(jìn)行拆分、整合，結(jié)合即插即用標(biāo)準(zhǔn)接口技術(shù)，提出了即插即用模塊化衛(wèi)星功能模塊劃分方案。文獻(xiàn)[19]提出了一種軟件定義衛(wèi)星模塊化設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)對衛(wèi)星結(jié)構(gòu)模塊、電子學(xué)模塊進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)，為軟件定義衛(wèi)星提供快速響應(yīng)的硬件支撐。

綜合以上國內(nèi)外調(diào)研，現(xiàn)有微納衛(wèi)星模塊化與集成研究呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：①設(shè)計(jì)理念上，以規(guī)則化的形狀、尺寸定義不同功能類型的模塊，嘗試設(shè)計(jì)各種類型的標(biāo)準(zhǔn)化、即插即用接口來實(shí)現(xiàn)模塊間的快速組裝集成、測試；②裝配方案上，采用了基于獨(dú)立主結(jié)構(gòu)+功能模塊、功能模塊直接拼裝、子結(jié)構(gòu)模塊+功能模塊等幾種形式的裝配集成方式，其中，功能模塊直接拼裝、子結(jié)構(gòu)模塊+功能模塊的兩種裝配方案具備模塊更換、增加能力，可擴(kuò)展性較好；③背景應(yīng)用上，現(xiàn)有研究主要面向兩種應(yīng)用，一種是基于地面裝配，主要實(shí)現(xiàn)微納衛(wèi)星批量化快速研制與發(fā)射部署，另一種是基于空間機(jī)器人的航天器在軌維護(hù)，實(shí)現(xiàn)未來在軌航天器的模塊設(shè)備再利用、模塊更替以及功能性能升級(jí)。

可以看出，現(xiàn)有微納衛(wèi)星模塊化設(shè)計(jì)與集成方法并不能有效適應(yīng)空間站資源有限、人機(jī)工效學(xué)、拆裝便捷等站內(nèi)人員組裝需求，且功能模塊設(shè)計(jì)多是考慮惡劣的上升段力學(xué)環(huán)境，導(dǎo)致模塊結(jié)構(gòu)及接口連接過設(shè)計(jì)。因此，需要提出適用于空間站在軌組裝的微納衛(wèi)星模塊化設(shè)計(jì)與集成方法，以實(shí)現(xiàn)宇航員在失重環(huán)境、無輔助工具條件下快速便捷地完成微納衛(wèi)星站內(nèi)組裝。

2 面向空間站在軌組裝的微納衛(wèi)星模塊化集成設(shè)計(jì)

從微納衛(wèi)星模塊化體系框架設(shè)計(jì)出發(fā)，重點(diǎn)對適用于空間站在軌組裝的微納衛(wèi)星結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、功能模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行研究。模塊化體系框架設(shè)計(jì)主要對空間站組裝微納衛(wèi)星從軟硬件、接口等方面進(jìn)行頂層劃分，以明確衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化研究主要是設(shè)計(jì)符合人機(jī)工效學(xué)且有利于模塊靈活拆裝的支撐結(jié)構(gòu)，為衛(wèi)星各功能模塊拼裝提供力學(xué)承載條件；功能模塊接口標(biāo)準(zhǔn)化研究主要是精簡、統(tǒng)一模塊間的機(jī)械與電氣連接形式，有助于空間站內(nèi)人員對功能模塊的便捷組裝、拆卸、接口插拔等操作。

2.1 模塊化體系框架設(shè)計(jì)

空間站組裝微納衛(wèi)星模塊化體系框架主要包括衛(wèi)星功能模塊、標(biāo)準(zhǔn)支撐結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)接口(含機(jī)械接口和電氣接口)、星上網(wǎng)絡(luò)等4部分，如圖7所示。

圖7 空間站在軌組裝微納衛(wèi)星模塊化體系結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星功能模塊主要是通過對具有相同或相似功能的單機(jī)部件集成得到，如將衛(wèi)星主要電子線路以板卡形式集成在一起的綜合電子模塊、由敏感器與姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的控制模塊、由單體電芯拼裝成一體的蓄電池組模塊等。

星上網(wǎng)絡(luò)采用面向多任務(wù)的軟件定義衛(wèi)星架構(gòu)，通過預(yù)設(shè)軟件接口來配置星載軟件功能，星務(wù)軟件自動(dòng)識(shí)別基于標(biāo)準(zhǔn)化信息接口設(shè)計(jì)的模塊單機(jī)產(chǎn)品，自主完成星上模塊設(shè)備數(shù)據(jù)通信及衛(wèi)星基本功能測試。

2.2 衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星支撐結(jié)構(gòu)由兩類標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)板構(gòu)成，其中，一類結(jié)構(gòu)板帶有標(biāo)準(zhǔn)安裝孔位，另一類結(jié)構(gòu)板帶有標(biāo)準(zhǔn)安裝孔位和安裝定位銷，如圖8所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)板

兩類標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)板可組成基本衛(wèi)星結(jié)構(gòu)單元，并可根據(jù)衛(wèi)星任務(wù)和模塊配置需求進(jìn)行橫向和縱向擴(kuò)展組成多種衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)型，如圖9所示。

圖9 不同組裝形式的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)型

2.3 模塊標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)

1)模塊標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口

各模塊的機(jī)械接口僅需提供滿足上行1gn過載、在軌釋放沖擊及在軌機(jī)動(dòng)等一定裕度的結(jié)構(gòu)支撐即可。結(jié)合上述標(biāo)準(zhǔn)支撐結(jié)構(gòu)，綜合電子、控制、推進(jìn)、蓄電池組、數(shù)傳等塊狀模塊以及太陽翼片狀模塊均采用與支撐結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)安裝孔位相匹配的固定銷形式的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口，天線、星敏感器等小型設(shè)備配置具有定位銷的固定板以方便在軌安裝，如圖10所示。

圖10 模塊標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械接口

2)模塊標(biāo)準(zhǔn)電氣接口

將各模塊內(nèi)部設(shè)備的接口進(jìn)行歸攏集成，利用J30等標(biāo)準(zhǔn)接插件實(shí)現(xiàn)模塊對外的信息、指令、供電、加熱線路等接口的標(biāo)準(zhǔn)化，如圖11所示。

圖11 模塊標(biāo)準(zhǔn)化電氣接口

3 面向空間站在軌組裝的微納衛(wèi)星模塊化集成方法驗(yàn)證

對30 kg級(jí)微納遙感衛(wèi)星進(jìn)行空間站在軌組裝的模塊化集成方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)合目前微納單機(jī)產(chǎn)品體系情況，將微納衛(wèi)星配套單機(jī)按照其功能任務(wù)劃分歸攏在8個(gè)基本功能模塊，包括標(biāo)準(zhǔn)支撐結(jié)構(gòu)、綜合電子模塊、姿控模塊、電源模塊、天線模塊、推進(jìn)模塊、數(shù)傳模塊、熱控模塊以及光學(xué)載荷模塊，如圖12所示。

圖12 微納遙感衛(wèi)星模塊組成

衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)支撐結(jié)構(gòu)采用兩類標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)板組成的基本箱式結(jié)構(gòu)單元形式，為在軌組裝各模塊設(shè)備提供良好的安裝邊界、接口及力學(xué)條件；綜合電子模塊為衛(wèi)星綜合信息處理中樞，將平臺(tái)的主要電子線路以板卡堆疊形式組成模塊單機(jī)，集成了星載計(jì)算機(jī)、測控、GNSS導(dǎo)航、電源控制等電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星星務(wù)管理、遙控遙測、姿軌控制計(jì)算與管理、供配電控制與管理、熱控管理等功能，監(jiān)視整星狀態(tài)；姿控模塊集成了太陽敏感器、星敏感器、陀螺、磁強(qiáng)計(jì)、磁力矩器、動(dòng)量輪等，主要完成衛(wèi)星姿態(tài)確定與姿態(tài)控制，提供衛(wèi)星所需的姿態(tài)條件；電源模塊包括蓄電池組和太陽電池陣兩個(gè)獨(dú)立子模塊，為各模塊提供能源供給和功率保障；天線模塊包括測控天線、GNSS天線、數(shù)傳天線等，提供相關(guān)射頻信號(hào)輻射/接收；熱控模塊主要是用于外層包覆的模塊化多層等，保障設(shè)備維持在規(guī)定溫度范圍，衛(wèi)星熱控以被動(dòng)熱控為主、主動(dòng)熱控為輔，模塊或單機(jī)設(shè)備的熱控涂層在地面完成噴涂，蓄電池組等工作溫度范圍窄或有加熱需求的設(shè)備在地面完成溫度敏感器(如熱敏電阻、單總線Onewire等)、加熱片的設(shè)置。數(shù)傳模塊、推進(jìn)模塊均為獨(dú)立單機(jī)，分別負(fù)責(zé)星上載荷數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分發(fā)，衛(wèi)星軌道機(jī)動(dòng)與維持。

空間站在軌組裝微納遙感衛(wèi)星的完整過程如圖13所示。

圖13 微納遙感衛(wèi)星在軌組裝過程

首先，各模塊通過自身定位銷實(shí)現(xiàn)在4塊支撐結(jié)構(gòu)板上的安裝；之后，利用支撐結(jié)構(gòu)板間的安裝孔位和定位銷裝配關(guān)系完成衛(wèi)星主體部分的組裝；最后，安裝兩塊模塊化太陽電池陣，實(shí)現(xiàn)整星的組裝集成。

針對組裝后衛(wèi)星功能模塊的拆除或更換問題，設(shè)計(jì)一款解鎖銷，將其放入標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)板的安裝孔內(nèi)，對齊要拆除或更換模塊的定位銷，通過按壓解除模塊安裝，如圖14所示。

圖14 微納衛(wèi)星模塊在軌更換/拆除

4 結(jié)束語

針對空間站在軌組裝微納衛(wèi)星的特點(diǎn)，本文提出了一種微納衛(wèi)星模塊標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與集成方法，此方法提供了基于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)板與模塊定位銷的空間站內(nèi)微納衛(wèi)星裝配方案，與現(xiàn)有模塊化集成設(shè)計(jì)技術(shù)相比，得益于良好的上行力學(xué)環(huán)境，其特點(diǎn)如下。

(1)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、功能模塊無需高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，組裝的衛(wèi)星更輕巧；

(2)具有在空間站空間與工具有限、失重環(huán)境下宇航員簡便快速地完成模塊裝配、連接、去除、增加、更換等不同手動(dòng)操作的優(yōu)點(diǎn)；

(3)采用開放式組裝架構(gòu)，擴(kuò)展性強(qiáng)，可根據(jù)任務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)不同功能微納衛(wèi)星的快速在軌組裝、部署。

空間站在軌組裝微納衛(wèi)星變革了衛(wèi)星研制部署模式，為新技術(shù)快速驗(yàn)證和快速任務(wù)響應(yīng)提供了新手段、新途徑，是一個(gè)有前景的微納衛(wèi)星發(fā)展方向。