批量生產小衛星設計標準研究

李超 侯穎輝 劉峰 曹偉 馬赫

（航天科工空間工程發展有限公司， 北京， 100854）

隨著航天產業快速發展， 低軌通信衛星成為國際互聯網領域的新興地帶。 低軌衛星互聯網作為衛星通信技術與互聯網相融合的新型通信網絡， 利用低軌衛星為地面、 海上、 空中等各類用戶提供互聯網接入服務， 成為重塑國家經濟、 政治、 軍事、 文化新格局的重要力量。 近兩年， 全球低軌衛星互聯網發展呈現加速態勢， 以SpaceX、 OneWeb 為代表的國外衛星研制企業紛紛發布低軌通信衛星星座計劃， SpaceX 的“Starlink” 星座包含 41927 顆衛星， OneWeb 衛星星座包含4.8 萬顆衛星。

星座系統一般要求在很短的時間內在軌道上布置大量同樣的衛星， 伴隨互聯網衛星星座批量發射和快速部署的新需求， 衛星生產模式已由單件定制、 小批量試制， 轉變為批量化、 定制化生產模式。 為適應以衛星互聯網工程為代表的低軌星座生產與應用任務需求， 國內外航天企業相繼開展了小衛星批量化生產線的建設， 目前國內外均已具備一定的小衛星批量化生產能力。

隨著小衛星的新型研制生產AIT （總裝集成測試） 產線的投入使用， 傳統衛星設計已難以適應衛星的批量化快速生產需要， 需持續開展批量化生產小衛星設計標準研究。 依據 “可生產性”設計， 確保制造階段能夠滿足易操作、 易維修、易組裝和集成、 易測試的要求， 推動產品集成化、 標準化、 模塊化， 建立系統等多層次型譜，實現衛星批量化生產， 滿足衛星星座部署需求。

1 小衛星批量生產面臨的主要問題

從小衛星生產的未來發展方向看， 小衛星自動化、 批量化生產是主要的發展趨勢， 通過建立小衛星自動化生產線， 采用自動化、 智能化設備及生產線管控系統， 實現衛星批量化生產。 但是， 受衛星傳統研制模式的影響， 現有衛星的設計與生產線的適配程度還處于較低的水平， 導致小衛星批量生產面臨以下問題。

1.1 生產效率降低

小衛星具有裝配零件多、 裝配空間狹小等特點， 多數星載設備外形并不規則， 無法進行夾取或吸附， 零部件自動化裝配難度大， 批量化生產后仍然存在人機協同的工序， 且人機交互頻繁， 導致自動化設備運行不連續， 從而降低了生產效率。

1.2 生產工藝難度大

小衛星批量化生產， 主要采用以機器人為主的自動化設備進行裝配， 但是目前小衛星設計的集成化程度較低， 很多工序如異形設備、 平墊、彈墊的安裝等工序很難由機器人完成， 因此采用自動化裝配后， 需要額外進行工藝工裝的設計與調試， 增加了產品裝配的工藝難度。

1.3 生產成本增加

小衛星星載設備外形各異， 且裝配精度要求高， 采用以機器人為主的自動化設備進行衛星裝配時， 需要配備多種設備夾持機構和定位工裝，將額外增加夾持機構及定位工裝設計及調試工作， 增加衛星生產成本。

綜上， 小衛星進行批量生產后， 需要對傳統的、 以人工裝配為主的衛星設計方法進行研究優化， 形成面向批量生產的小衛星設計方法及標準， 進而提升小衛星批生產效率， 降低生產成本， 為小衛星星座快速部署奠定基礎。

2 國內外現狀及發展趨勢

在航空航天領域， 以美國、 歐洲為代表的西方發達國家具有一定技術優勢。 NASA、 ESA 等航天組織機構在航天器技術研發、 項目管理方面具有先進的水平。 以SpaceX、 OneWeb 等為代表的企業在航天器快速研制、 批量制造以及生產管理等方面有著豐富的經驗和先進的技術水平。 這些國外先進宇航企業廣泛應用自動化生產技術，大幅提升了生產效率和產品質量， 實現了不同類型衛星的快速批量化生產[1]。

國外低軌衛星星座建設步伐領先于國內， 批量化自動衛星生產線已經進入到實際生產應用階段，從衛星設計、 AIT 流程等方面進行了較大的革新，運用模塊化設計、 大數據分析、 自動裝配檢測和自動測試等技術， 提高衛星產能和質量， 降低生產成本， 目前已經具備了批量生產衛星的能力。

SpaceX 小衛星采用平板式設計， 降低了衛星總裝集成難度， 已經實現衛星流水線生產。 據公開報道， SpaceX 小衛星生產能力約為每月120顆， 單顆衛星制造成本低于50 萬美元。

OneWeb 公司開創了利用自動生產、 組裝流水線進行大規模、 低成本衛星生產的全球先例，在衛星設計階段充分貫徹面向制造的設計理念，進行大規模模塊化設計， 各模塊間結構耦合程度低。 對于特殊設備， 將接插件預埋至衛星結構的夾層板內， 通過這些插入件將儀器、 傳感器等設備牢固附接到衛星結構上， 降低衛星在總裝集成環節的工作復雜程度， 大大簡化裝配操作， 有利于總裝集成環節的自動化。 OneWeb 公司衛星生產線具備每天生產2 顆～4 顆衛星的能力， 單顆衛星的造價低于100 萬美元。

泰雷茲公司設計制造的 “下一代銥星” 采用模塊化設計思路， 通過標準化接口實現不同載荷模塊的選配， 達到降低研制難度的目的。 為實現低成本和快速生產， 采取了面向生產的設計， 所有衛星上線時狀態完全一致， 各單機或模塊裝配簡單、 可達性好， 充分發揮自動化生產線的優勢。

國內以航天科工集團、 航天科技集團、 吉利集團為代表的多家單位開展了衛星批量化生產線建設， 但針對批量化生產的小衛星設計尚處于起步論證和研究階段。 國內其他行業在適應裝配的設計[2-4]， 適應自動化設計[5-6]， 智能化生產設計[7-8]等方面已有一定的研究。 但是， 受衛星傳統研制模式影響， 小衛星設計主要以面向人工生產的方式為主， 未充分考慮批量化生產適配性。

3 適應批量生產的小衛星設計標準研究

針對目前小衛星設計與批量自動化生產線適配性差的問題， 開展小衛星總體構型設計、 星載設備結構設計、 總裝設計、 集成化設計、 標識設計等方面的設計研究[9-10]， 并依托航天科工集團小衛星智能生產線， 驗證相關設計的可行性。 結果表明， 采用適應批量生產的小衛星設計， 結合小衛星智能生產線進行生產， 小衛星生產效率提升75%以上。

3.1 總體構型設計

在衛星構型布局設計中， 采用模塊化設計思路， 采用 “框架+艙板” 式或 “箱板” 式的衛星構型布局方案， 各個艙板分別安裝不同模塊的星上設備， 便于衛星批量化生產過程中各個艙板并行總裝， 最后在總裝工位統一集成為整星。

此外， 衛星構型布局設計中還可以采取分艙段設計， 如劃分為推進艙、 平臺艙、 載荷艙等多艙段模塊， 并與 “框架+艙板” 設計相結合。 典型 “框架+艙板” 衛星構型布局設計方案如圖1所示。

主框架上設置與總裝工裝的對接接口結構，便于主結構與總裝工裝對接。 可采用螺釘+定位銷的方式實現工裝與主框架的定位與固定。 艙板上設置工藝定位孔， 用于與工裝定位。 衛星、 主框架與艙板等大型結構件提供吊裝孔， 用于產品吊裝。

3.2 星載設備結構設計

星載設備設計時， 設備上應有供機器人夾持的結構特征， 可采用平面夾持或卡扣式夾持， 若夾持區域為平面， 則夾持區域尺寸不小于設備夾爪尺寸， 且夾持區域能夠承受一定的夾持力。 若夾持區域設計為卡扣式， 則卡扣處設計應便于夾持， 且能夠承受設備重力。 卡扣式夾持位置如圖2所示。

采用支架安裝的設備， 設備支架與單機采用一體化設計， 便于設備安裝。 單機機械安裝孔孔內顏色應與孔口平面顏色有明顯色差， 方便采用視覺輔助定位。

3.3 總裝設計

衛星艙板之間的線纜插接， 應將線纜接插件接頭設計在艙板的邊緣， 并靠近艙板拐角處， 便于線纜插接， 位置示意如圖3 所示。 艙板對合時， 要留有電纜連接與安裝空間， 并預留電纜長度。 最后對合的艙板建議選取設備最少的艙板，盡量減少整星合艙時的電纜連接操作。

艙板上設備安裝時， 各設備間留有設備安裝間距， 用于末端執行器夾持與釋放。

3.4 集成化設計

衛星設計過程中， 充分考慮集成化設計， 通過功能合并、 功能替代等方式， 將多個設備的通用功能進行整合， 進而將多個設備集成為一個設備， 降低整星所需單機產品的種類與數量， 降低系統復雜度。

衛星總體與分系統設計時， 打破原有設計關系， 將總體設計與分系統產品設計緊密結合， 形成整體最優。 例如， 隔熱墊與設備等集成設計，將隔熱墊固定到設備上； 星載設備安裝支架與設備聯合設計， 作為整體交付， 總裝現場無需二次安裝。

單機設備設計時， 將單個設備的多個電氣接口集成為單個電氣接口， 以減少星上電纜數量，簡化板間設備的電纜連接方式。 將熱控產品電氣接口與設備自身電氣接口集成化設計， 將熱敏電阻、 加熱回路等設備上熱控器件的電氣接口集成到設備自身電氣接口上， 簡化整星AIT 操作。

當需要采用螺釘緊固、 平墊、 彈墊防松時，優先采用平彈墊一體的螺釘組合； 螺釘規格盡量統一， 減少同一塊艙板上螺釘的規格種類。

3.5 標識設計

衛星及設備設計時， 在設備本體上和產品質量文件上， 采用包含二維碼的產品標識進行物品標識， 便于自動化生產過程中產品的自動化流轉與識別， 產品標識示意如圖4 所示， 當產品尺寸較小時， 可以在產品表面只制作產品標識中的二維碼。

4 結論

本文以批量生產的小衛星為研究對象， 針對批量化生產小衛星應用需求， 從設計源頭出發，開展適應批量化生產的小衛星設計標準研究， 闡述了目前小衛星批量生產面臨的主要問題， 從小衛星總體構型設計、 星載設備結構設計、 總裝設計、 集成化設計、 標識設計等方面， 提出了若干適應批量化生產的小衛星設計方法并進行了驗證， 以指導批量化生產小衛星設計， 解決目前小衛星設計與批量化生產線適配性差的問題， 提升小衛星生產效率， 為小衛星批量化生產奠定基礎， 也可為其他面向批量化生產的航天產品設計提供借鑒。