小衛星構型設計專業現狀及發展方向研究

辛 強（中國人民解放軍國防科學技術大學 湖南 長沙 410073）

0 前言

衛星構型設計是指對衛星的外形、結構型式、總體布局、質量特性及與運載接口關系等進行設計和技術協調的設計過程。衛星的構型設計專業屬于總體設計范疇，是總體方案設計中的一項使所設計的衛星具體化和實物化的設計工作，具體來說，總體設計方案根據研制總要求優選了衛星總體技術途徑，明確了衛星的組成和接口關系，描述了衛星所經營的信息流、物質流和能量流的過程之后，構型設計將組成衛星的各分系統的設備匯總成為一個外部和內部關系協調的、能保證實現衛星功能的、有利于衛星研制的和能促進所設計衛星發展的設計工作。

1 構型設計專業發展現狀

小衛星的構型設計專業已有成功發射20余顆衛星的豐富經驗，并形成小衛星多種成熟的構型平臺。目前國內基于小衛星構型平臺的多顆衛星已經在軌穩定運行，工作正常，甚至超壽命服役。

目前，小衛星的構型設計專業正在積極探索微型衛星平臺等創新性構型平臺。

2 專業發展面臨的形式

2.1 技術發展趨勢

小衛星因其“快、好、省”的特點，已經在航天領域得到了廣泛應用，隨著小衛星技術的快速發展，一些新的理念逐步應用在小衛星上，小衛星的構型設計的發展趨勢有以下幾個方面：

2.1.1 多外形設計適應一箭多星并行發射

目前我國發射的衛星的外形形狀多為立方體、圓柱體、球體，這種外形最多可以實現一箭三星串行發射，并不適合一箭多星并行發射。為滿足一箭多星發射的需求，衛星外形要有利于在運載火箭整流罩內的布置，充分利用整流罩的包絡空間，可選擇梯形或三角形截面，減少發射成本。

若衛星為梯形構型，會大大節省空間，可分別采用一箭四星、一箭八星、一箭十二星的發射方式。一箭四星發射時，四顆衛星在整流罩成90°均勻分布。

2.1.2 面向任務載荷的柔性化構型設計

有效載荷是衛星的核心部分，是衛星的專用系統，直接決定衛星的任務和用途，因此衛星的構型應直接服務載荷，以任務載荷為中心進行柔性化設計。

美國的ORS-1等戰術型快速響應小衛星設計多圍繞任務載荷進行，往往有效載荷的體積和重量占整星的比重很大，平臺艙進行小型輕量化設計。

2.1.3 空間可展開構型設計

傳統的衛星構型，采用固定的衛星本體，衛星的發射狀態尺寸受到運載火箭整流罩空間的限制，衛星本體的尺寸只能局限在一定范圍內進行設計，制約了衛星對地面的尺寸大小，對于需要較大對地面面積或較長測量基線等具有特定需求的任務，難以很好的適應任務需求；從衛星熱控需求角度來看，由于傳統的衛星整星設備功耗的增長與衛星表面積的增長為二次非線性關系，固定的衛星本體限制了衛星表面的散熱面積，隨著衛星體積重量的增加，其表面散熱面積將難以滿足整星散熱需求。

空間可展開構型，是將衛星本體設計成利用展開機構發射時收攏，滿足運載整流罩空間的限制，在軌飛行時本體展開，擴大衛星對地面尺寸和星表面積的構型。

從發達國家的航天技術發展情況來看，美國、日本等國家在近些年先后提出了空間可展開式衛星的研究項目，通過這樣一種新穎的設計方式，有效的拓展了衛星設計的思路，打破了運載火箭尺寸的制約，大大提高了衛星對各類任務的適應能力。

國外采用了在軌展開式衛星設計思路的有美國的HexPak、日本的PETSAT和歐洲的AstroSAR，其中前兩個項目是將模塊化快速響應的設計思想與可展開的方式結合在一起，探索了該類衛星的廣闊應用前景。

HexPak是洛克希德·馬丁公司在2006年提出的模塊化可展開衛星，主要面向未來大功率需求的軍用或民用GEO通信衛星，其結構由多個六邊形的模塊盒組成，發射狀態疊加成為自承重的堆棧結構，入軌后在空間展開成平面形式（展開過程見圖1）。相對于傳統的衛星構型，這樣的設計可以為大功率的通信衛星有效載荷提供足夠大的散熱面，同時對地面的面積也可以達到運載火箭整流罩截面的數倍。

圖1 HexPak衛星入軌后展開順序（以5個模塊組成的衛星為例）

2.1.4 標準化、模塊化的設計方法

該方法在2005年8月在美國猶他大學舉行的第十九屆國際小衛星會議上，做了專門的研究和討論。標準化模塊化是在多任務公共平臺設計方法的基礎上經過修改和提高而獲得的，并且加入了一些新的設計理念，例如采用通用接口、模塊化、標準化平臺與部件。模塊化平臺也是由一些更小的模塊部件組合起來的。采用批生產、模塊化還可以降低成本、縮短周期。按照傳統的單星設計生產方式，性能一致性差，質量檢測費工費時。通過采用模塊化、標準化的構型布局，可以實現流水線的方式生產，不必對衛星進行長時間檢測。

2.1.5 布局優化和無纜化設計

布局的設計和總裝設計的關系非常密切，布局的合理程度將關系到總裝與安裝設計的品質：只以質量特性作為布局的約束條件，可能會造成儀器設備布局分散，給電纜和管路的安裝造成很大的困難，如果在布局時就將艙內空間劃分成幾個區，各分系統的儀器盡可能的集中在一個區域內，這樣會減少和縮短電纜的長度，減少質量；在條件許可的情況下，分系統的儀器應盡可能的組合在一起形成一個功能組件；公用分系統和有效載荷相對集中到各自的艙段，這樣，在衛星技術狀態發生變化時，安裝、電纜網、熱控等設計的改動量相對小，這樣可以縮短研制時間，減少科研經費。

無電纜連接是隨著多功能結構的發展而出現的。目前已經在芯片模塊內部和多芯片模塊之間進行了試驗，將逐步推廣到儀器、設備之間，最終使整個衛星成為沒有電纜的衛星。

2.1.6 DMU模裝技術和數字化驗證仿真技術

DMU技術是通過計算機的手段用數字來表示衛星的結構和星上儀器設備，通過對虛擬零部件的配置和布局，完成衛星的總體構型。衛星構型是一種創造性勞動，主要靠設計師通過人—機交互的方式一步步完成，而且需要多次的迭代與反復才能最后完成。利用CAD的手段來進行構型設計的最大優點是投資省、時間少、精度高；構型一旦完成，立即可以輸出相應的圖紙文檔，并且可以保留衛星構型設計的發展過程，便于修改和參考。波音777飛機是全數字化產品設計的典型案例。

驗證與仿真平臺將仿真作為航天器數字化設計的一個重要環節，為航天器數字化設計提供驗證手段。

仿真驗證技術分為3個層次，即數學仿真驗證、半物理仿真驗證和全物理仿真驗證，它們之間有良好的接口關系。數學模型可以直接用力學或電性產品實物代替，能夠實現由數學仿真到半物理乃至全物理仿真的快速、靈活、準確和無縫連接。

圖2 仿真驗證示意

2.2 國際技術水平對標

表1 構型布局專業國際技術水平對標情況匯總表

目前國際上許多公司生產的小衛星已經實現了構型布局方面實現標準化、模塊化。如美國軌道科學公司生產的“全球星”小衛星全球通信系統，該任務總共由48顆小衛星組成星座來實現全球實時通信。衛星采用模塊化組裝，每顆衛星分為4個主要模塊：有效載荷、太陽帆板、電池、結構。衛星采用流水生產線方式生產，生產線分為兩級，一級是分系統模塊生產線，分別設立15個工作站，組裝模塊，然后將模塊送入整星總載線裝星。在部件生產中，保證批量相同部件均有互換性，大大減少了部件的生產數量。用傳統的方式一年生產一顆，改進后，在初期只用90天，并逐步縮短生產時間，從第17顆衛星開始，每顆星的生產周期將穩定在21天左右。并且只對頭兩顆發射正樣星進行嚴格的測試和設計質量檢驗，后面的衛星只要經檢查與這顆星的質量完全相同就可以出廠。

還有國外很多大學、研究機構生產的CubeSat小衛星，除有效載荷外，其他設備、部件均采用標準化設計，部件之間可以互換，通用化，大大降低了成本和研制時間。

2.3 主要問題與差距

2.3.1 創新性構型平臺建設不足，衛星外形設計形式單調。

2.3.2 目前的小衛星平臺僅適用于特定載荷，圍繞載荷進行構型的柔性設計積累還不夠，對國外先進的構型技術調研還不夠充分。

2.3.3 采用可展開式構型的小衛星還處于研究階段，沒有成功發射的經驗，空間可展開機構的研究為滿足高可靠性設計僅限于簡單的解鎖、展開結構，還沒有設計復雜機構的能力。

2.3.4 模塊化程度不夠。

2.3.5 無纜化技術仍處于原理概念研究階段，沒有工程應用。

2.3.6 計算機輔助建模方式還不健全。

3 專業發展方向

3.1 衛星外形多樣化

調研國內外航天器的外形結構，分析其原理及可行性，開展針對一箭多星并行發射模型的衛星構型設計研究，確定關鍵技術及技術途徑，制定構型設計方案。

3.2 面向任務載荷的柔性構型設計

總結歸納現有小衛星任務載荷的類型、用途、安裝方式，分析其工作模式和對衛星構型的要求，開展對現有載荷的衛星構型的優化，積累經驗，提出面向任務載荷的柔性構型設計方案。

3.3 空間可展開構型設計

分析空間可展開式衛星的特點，針對目前的衛星任務領域進行梳理，探索其適用范圍；結合我國目前的航天產品研制能力，對展開機構、發射狀態鎖緊機構、星箭接口等主要設計內容進行研究，并進行動力學分析。

3.4 衛星模塊化構型設計

模塊化構型設計思想是將衛星設計成標準化的獨立模塊，再根據特定的任務需求選配不同載荷和平臺的功能模塊組裝；發展模塊化構型設計需要從機、電、熱標準一體化設計入手，采用標準單元的方法進行設計。

4 結束語

構型設計是關乎衛星成敗的關鍵，目前國內小衛星的構型設計已經形成系列化平臺型譜，較以往衛星單一、局限的構型設計已經有了長足的進步，但是對標國外先進的小衛星構型設計，我們還有很大的差距，只有以“多樣化構型、面向載荷的柔性構型、可展開構型、模塊化構型設計”為專業發展方向，才能發展小衛星的構型設計專業，實現更大的跨越。