某型快速響應(yīng)微小衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)研制

王洪雨 劉 佳 劉 碩 崔志剛 陳 浩 關(guān) 鑫 盛 超

設(shè)計(jì)·工藝

某型快速響應(yīng)微小衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)研制

王洪雨 劉 佳 劉 碩 崔志剛 陳 浩 關(guān) 鑫 盛 超

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

針對快速響應(yīng)微小衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)快速研制的需求，通過模塊化設(shè)計(jì)微小衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)，預(yù)先制作標(biāo)準(zhǔn)化模塊化單元，根據(jù)任務(wù)載荷需要，適當(dāng)剪裁、拼接標(biāo)準(zhǔn)化模塊單元，能夠大大加快平臺結(jié)構(gòu)研制周期。通過某光學(xué)成像微小衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)研制實(shí)例，證明了模塊化設(shè)計(jì)、預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)化模塊單元的快速研制思路合理可行。

快速響應(yīng)；微小衛(wèi)星；平臺結(jié)構(gòu)；模塊化

1 引言

快速響應(yīng)空間體系具有時(shí)間快、操作易、功能簡、成本廉、任務(wù)專與效費(fèi)比高的特點(diǎn)[1]。為滿足我國軍事現(xiàn)代化和未來天基作戰(zhàn)基礎(chǔ)裝備的需求，需要基于單元模塊化和接口標(biāo)準(zhǔn)化的思想，實(shí)現(xiàn)軍事偵察、通信等戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星的快速制造、測試和發(fā)射。預(yù)期的目標(biāo)是從現(xiàn)有大型衛(wèi)星的平臺式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路上解放出來，將各分系統(tǒng)或功能單元模塊化，預(yù)先批量研制。同時(shí)各模塊之間形成標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)、熱、推進(jìn)管路等接口，根據(jù)戰(zhàn)場對衛(wèi)星的功能需要可以快速組合和總裝集成模塊功能[2]，滿足系統(tǒng)級測試、試驗(yàn)、發(fā)射入軌，以及快速形成戰(zhàn)斗力的需求。

微小衛(wèi)星具有體積小、研發(fā)周期短、成本低、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，近年來發(fā)展高度活躍，連續(xù)3年占比超過年度入軌航天器總數(shù)的30%，近兩年更是高于60%。微小衛(wèi)星已經(jīng)進(jìn)入裝備實(shí)用階段，國內(nèi)外多次報(bào)道成功案例，已成為世界航天活動的重要構(gòu)成部分[3～5]。微小衛(wèi)星正朝著模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、在軌組裝方向發(fā)展。通過開放式標(biāo)準(zhǔn)化接口，能夠?qū)⑽⑿⌒l(wèi)星各功能模塊快速組裝成整星[6～8]。隨著MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展，極大地降低了單機(jī)設(shè)備的體積、質(zhì)量、功耗，大大縮短衛(wèi)星研制周期[9～11]。批量生產(chǎn)的貨架式單機(jī)設(shè)備，使得微小衛(wèi)星快速集成成為可能。

基于快速響應(yīng)衛(wèi)星單元模塊化和接口標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思想，以某型可見光成像衛(wèi)星為例，模塊化設(shè)計(jì)衛(wèi)星的平臺結(jié)構(gòu)，包括結(jié)構(gòu)單元劃分、整星結(jié)構(gòu)集成、剛度設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、力學(xué)試驗(yàn)等，驗(yàn)證了在3個月之內(nèi)完成微小衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)研制的可行性。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)衛(wèi)星目標(biāo)任務(wù)及載荷需求，對衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)提出以下主要技術(shù)要求：

a. 滿足發(fā)射、入軌、在軌運(yùn)行各階段力學(xué)性能要求；

b. 整星重量要求≤100kg，結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)重量≤18kg；

c. 外包絡(luò)尺寸：發(fā)射包絡(luò)尺寸小于800mm×800mm×1000mm；

d. 基頻要求：為了避免衛(wèi)星和火箭的動態(tài)耦合，在衛(wèi)星固支狀態(tài)下，衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)的頻率應(yīng)滿足：一階橫向基頻≥25Hz；一階縱向基頻≥50Hz；一階扭轉(zhuǎn)基頻≥40Hz。

3 平臺結(jié)構(gòu)快速響應(yīng)研制

3.1 衛(wèi)星平臺組成

根據(jù)任務(wù)載荷需求，主要任務(wù)載荷為單臺光學(xué)相機(jī)，相機(jī)相對于其他單機(jī)設(shè)備體積、質(zhì)量較大。選取六棱柱框板桁架式主承力結(jié)構(gòu)能夠?yàn)榇笮椭鬏d荷提供主要安裝空間，且側(cè)板能夠滿足其他單機(jī)設(shè)備安裝需求。衛(wèi)星平臺組成如圖1所示，平臺結(jié)構(gòu)部分主要由集成各單機(jī)設(shè)備的艙板、桁架式主承力結(jié)構(gòu)、太陽翼基板、頂板、底板、加強(qiáng)板等組成。

圖1 衛(wèi)星組成示意圖

3.2 衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)

3.2.1 艙板模塊

艙板為星上單機(jī)設(shè)備、電纜網(wǎng)、太陽翼提供支撐和安裝接口，除滿足結(jié)構(gòu)自身剛度、強(qiáng)度要求外，還要具備一定的熱控能力。基于結(jié)構(gòu)單元化和標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思路，艙板設(shè)計(jì)為鋁蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，并且預(yù)埋一定傳熱能力的熱管，如圖2、圖3所示。艙板鋁蒙皮厚度為0.5mm，蜂窩芯為0.03mm×5mm，蜂窩芯高度為25mm，蜂窩芯體密度為44kg/m3。預(yù)先生產(chǎn)出一定面積的艙板，可根據(jù)具體需要裁剪。因此，基于上述要求，艙板所有連接接口均通過后埋實(shí)現(xiàn)。

圖2 預(yù)制艙板結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 結(jié)構(gòu)板與熱管集成實(shí)物圖

3.2.2 桁架結(jié)構(gòu)

中心桁架為整星主承力結(jié)構(gòu)，同時(shí)為艙板、頂板以及底板提供安裝接口。因此，中心桁架不僅要滿足整體剛度、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性的要求，還要滿足與其余結(jié)構(gòu)的接口要求，且盡量減輕重量。同時(shí)桁架結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)單元化、型譜化以及接口的標(biāo)準(zhǔn)化方面相對容易。

基于以上原則，桁架桿件設(shè)計(jì)為碳纖維復(fù)合材料管件，并綜合測試其力學(xué)性能；接頭設(shè)計(jì)成鋁合金材料，一方面易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)可以有效降低成本；此外，采用模塊化、集成化設(shè)計(jì)思路，一體化設(shè)計(jì)鋁合金卡子與復(fù)合材料桿件，減少了總裝集成時(shí)間。中心桁架基本構(gòu)型及組成零件如圖4、圖5所示。復(fù)合材料桿件外徑為25mm，壁厚為2mm，材料為M55J/環(huán)氧樹脂。卡子材料為2A12T4，連接孔為M5并安裝鋼絲螺套，卡子厚度為10mm。復(fù)合材料桿件與卡子預(yù)先實(shí)現(xiàn)膠接，并根據(jù)整星構(gòu)型實(shí)現(xiàn)快速桿單元的快速截取所需尺寸。接頭為鍛鋁 2A14 H112，加工過程中需要穩(wěn)定化處理，并保證最終為T6狀態(tài)。與復(fù)合材料桿件連接段內(nèi)徑為25mm，接頭壁厚為3mm，膠接長度為50mm。

圖4 中心桁架

圖5 預(yù)制的桁架桿件

3.2.3 太陽翼基板

如圖6所示，太陽翼基板預(yù)先制成標(biāo)準(zhǔn)化模塊單元，每塊太陽翼基板尺寸600mm×600mm，基板面板材料為M40JB/環(huán)氧復(fù)合材料，蜂窩芯為3/8-5056-.0007p-1.0T24鋁合金。根據(jù)整星需求確定配置太陽翼基板數(shù)量。標(biāo)準(zhǔn)化的太陽翼基板采用雙鉸鏈，兩處壓緊點(diǎn)設(shè)計(jì)。太陽翼壓緊狀態(tài)下彎曲基頻不低于80Hz，展開鎖定狀態(tài)下基頻不低于5Hz。展開機(jī)構(gòu)、壓緊釋放機(jī)構(gòu)繼承現(xiàn)有成熟產(chǎn)品。

圖6 太陽翼基板

3.2.4 底板

底板是快響衛(wèi)星平臺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，所有載荷均通過底板組件傳遞給火箭，因此底板設(shè)計(jì)不僅要考慮剛度，更重要的是對各承力接口進(jìn)行強(qiáng)度校核。底板組件包括對接框、底板、與相機(jī)支架的安裝接口、與桁架的安裝接口、與推進(jìn)系統(tǒng)的安裝接口。

如圖7所示，底板采用碳蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，蒙皮為M55J/環(huán)氧復(fù)合材料，總厚度為0.5mm。蜂窩芯為0.05mm×3mm的加密蜂窩芯，蜂窩高度為29mm。與對接框、桁架結(jié)構(gòu)接口通過預(yù)埋件實(shí)現(xiàn)，其余連接接口均通過后埋實(shí)現(xiàn)，以適應(yīng)連接接口變化。

圖7 底板

3.2.5 頂板及加強(qiáng)板

頂板設(shè)計(jì)主要為了增加快響衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)的整體剛度，尤其是提高繞軸向扭轉(zhuǎn)基頻，同時(shí)頂板將提供少數(shù)天線的安裝接口。頂板采用鋁蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，蒙皮厚度為0.5mm，蜂窩芯為0.03mm×5mm，蜂窩芯高度25mm，設(shè)備安裝孔及與桁架的安裝孔全部采用后埋。

加強(qiáng)板主要用于增大平臺結(jié)構(gòu)的剛度，僅加強(qiáng)桁架角部。加強(qiáng)板采用鋁蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，蜂窩規(guī)格與頂板相同（考慮到直接裁剪的需要），連接埋件通過后埋實(shí)現(xiàn)。頂板和加強(qiáng)板為標(biāo)準(zhǔn)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板，通過機(jī)加外形和后埋件實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)。

3.3 衛(wèi)星平臺快速裝配集成

衛(wèi)星平臺裝配集成可分為三個階段。第一階段：推進(jìn)艙模塊、姿控艙模塊、數(shù)傳艙模塊、綜電艙模塊以及中心桁架模塊并行裝配，推進(jìn)艙與管路系統(tǒng)、相機(jī)支架、對接框裝配完畢，太陽翼及單機(jī)模擬件與姿控艙、數(shù)傳艙以及綜電艙裝配完成；第二階段：在部裝支架上進(jìn)行推進(jìn)艙、其余三艙與中心桁架的裝配；第三階段：相機(jī)模擬件與快響衛(wèi)星平臺的裝配集成。

圖8 裝配集成完成

裝配集成完成實(shí)物如圖8所示。整星外包絡(luò)尺寸為750mm×650mm×900mm，整星質(zhì)量91kg，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 力學(xué)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 整星模態(tài)分析

圖9 有限元模型

表1 整星前8階頻率

圖10 整星1階振型

整星模態(tài)分析中，對接框下表面采用固支邊界條件，建立有限元模型如圖9所示。計(jì)算分析得到的整星的前8階頻率如表1所示，整星基頻為21.408Hz，1階振型為橫向彎曲振型（見圖10）。整星2階振型為整星橫向彎曲振型；3階、4階振型以相機(jī)支座的彎曲振型為主；5階振型以呼吸變形為主；6、7、8階振型以整星扭轉(zhuǎn)為主。可以看出：整星結(jié)構(gòu)前8階未出現(xiàn)縱向振型，因此1階縱向基頻大于52.991Hz，綜上分析，平臺結(jié)構(gòu)基頻滿足要求。

4.2 頻率響應(yīng)分析及強(qiáng)度校核

將火箭提供的正弦激勵條件施加在對接框上，從整星模型、、三個方向分析頻率響應(yīng)。提取加速度響應(yīng)最大的點(diǎn)處加速度響應(yīng)曲線如圖11所示，方向最大響應(yīng)加速度8.6g，方向最大響應(yīng)加速度7.4g，方向最大響應(yīng)加速度8.9g。據(jù)此最大響應(yīng)加速度，校核平臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、連接處強(qiáng)度，計(jì)算安全裕度均滿足大于0.25的要求。

為了驗(yàn)證衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，暴露衛(wèi)星平臺制造過程中的缺陷，獲取衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)相關(guān)參數(shù)，為有限元模型修正提供參考依據(jù)，低量級掃頻試驗(yàn)整星衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)現(xiàn)場圖片如圖12所示。

整星低量級掃頻試驗(yàn)結(jié)果表明：方向掃頻整星一階基頻23Hz，方向掃頻整星一階基頻22Hz，/向?yàn)閺澢B(tài)，與計(jì)算分析結(jié)果基本一致，誤差在1Hz以內(nèi)。

5 結(jié)束語

a. 通過模塊化設(shè)計(jì)快速響應(yīng)微小衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)，預(yù)先制作標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)板、桿件、連接接頭、太陽翼基板等模塊化單元，根據(jù)任務(wù)載荷需要，適當(dāng)剪裁標(biāo)準(zhǔn)單元，獲得合適結(jié)構(gòu)外形尺寸，通過后埋提供單機(jī)設(shè)備安裝接口，能夠大大加快平臺結(jié)構(gòu)研制周期。

b. 對整星平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行低量級掃頻試驗(yàn)結(jié)果與有限元仿真分析結(jié)果誤差在1Hz以內(nèi)，說明所述衛(wèi)星平臺結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)預(yù)期，采用該研制方法能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

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Research and Development of Rapid Response Micro Satellite Platform Structure

Wang Hongyu Liu Jia Liu Shuo Cui Zhigang Chen Hao Guan Xin Sheng Chao

(Beijing Spacecrafts, Beijing 100094)

In order to reduce development time of micro satellite platform structure, modular design method was applied. Structure of the micro satellite was divided into several standardized module units, and those units were prefabricated. Them can be cut and connected into different sizes as required. One micro optical satellite structure development access was put forward, demonstrating that this method above-mentioned is reasonable and achievable.

rapid response；micro satellite；platform structure；modular

載人航天領(lǐng)域預(yù)先研究項(xiàng)目（030301）。

王洪雨（1988），碩士，高級工程師，航空宇航制造工程專業(yè)；研究方向：飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2020-08-28