“天基紅外系統(tǒng)”高軌衛(wèi)星構(gòu)型分析與啟示

姜云彬，趙 華，郝剛剛，陳恩濤，洪 斌，薛宏偉，周 輝

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094）

0 引言

“天基紅外系統(tǒng)”（Space-Based Infrared System,SBIRS）是美國(guó)空軍為取代“國(guó)防支援計(jì)劃”（Defense Support Program, DSP）預(yù)警衛(wèi)星而設(shè)計(jì)部署的后續(xù)新型衛(wèi)星系統(tǒng)。該系統(tǒng)由低軌道衛(wèi)星星座（SBIRS Low，后來(lái)被重新命名為空間目標(biāo)跟蹤和監(jiān)視系統(tǒng)，即STSS）及高軌道衛(wèi)星星座（SBIRS GEO 和SBIRS HEO）組成，并可聯(lián)動(dòng)“國(guó)防支援計(jì)劃”預(yù)警衛(wèi)星，以支持導(dǎo)彈預(yù)警、導(dǎo)彈防御、作戰(zhàn)空間感知和技術(shù)情報(bào)收集任務(wù)[1-3]。

SBIRS 的高軌衛(wèi)星系統(tǒng)由洛克希德·馬丁（洛馬）公司負(fù)責(zé)研制，衛(wèi)星平臺(tái)采用洛馬A2100M 平臺(tái)，有效載荷采用諾斯羅普·格魯曼公司的紅外相機(jī)。截至目前，SBIRS 高軌部分已發(fā)射布署了6 顆地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星和2 顆橢圓軌道（HEO）衛(wèi)星[3-5]，最后一顆GEO 衛(wèi)星于2022 年8 月24 日發(fā)射并入軌。其中，GEO 衛(wèi)星5 顆在用、1 顆為備份，HEO 衛(wèi)星2 顆在用。

本文在對(duì)SBIRS GEO-3 衛(wèi)星的任務(wù)、相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和總體能力進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)SBIRS 衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)與特點(diǎn)以及應(yīng)用的新技術(shù)等進(jìn)行分析和總結(jié)，以期為我國(guó)的高軌遙感衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)提供啟示。

1 SBIRS GEO-3 衛(wèi)星任務(wù)及主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 衛(wèi)星任務(wù)

高軌導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)用于對(duì)發(fā)射階段導(dǎo)彈的探測(cè)，對(duì)彈道導(dǎo)彈主動(dòng)段、高超武器助推段的探測(cè)和跟蹤，以及協(xié)同低軌導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)彈自由段進(jìn)行探測(cè)和跟蹤，并且可將探測(cè)到的信息傳輸至地面系統(tǒng)和天基預(yù)警系統(tǒng)低軌星座，以便協(xié)同將導(dǎo)彈的準(zhǔn)確飛行軌跡信息提供至地面雷達(dá)使至引導(dǎo)攔截系統(tǒng)[3,5-6]。作為導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，SBIRS的功能如圖1 所示。

圖1 SBIRS 高軌衛(wèi)星的任務(wù)功能Fig.1 Mission functions of high orbit satellite in the SBIRS

SBIRS 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時(shí)對(duì)全球進(jìn)行監(jiān)視和偵查[5,7]。其衛(wèi)星采用多波段探測(cè)技術(shù)與新型See-To-Ground 探測(cè)技術(shù)，通過(guò)配置掃描和凝視紅外相機(jī)來(lái)搜索、發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤目標(biāo)對(duì)象，具有紅外、可見(jiàn)光和紫外多譜段探測(cè)能力，可近于全天候監(jiān)視全球?qū)椇托l(wèi)星的發(fā)射，跟蹤多個(gè)目標(biāo)，提供飛行目標(biāo)的發(fā)射及助推段非成像信息，并估算出導(dǎo)彈的大致攻擊地點(diǎn)[6-7]。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

SBIRS 的GEO 衛(wèi)星所采用的洛馬A2100M 軍用型平臺(tái)[5]由A2100 平臺(tái)改進(jìn)而來(lái)，針對(duì)軍事用途進(jìn)行了加固與改進(jìn)[8-10]。A2100M 平臺(tái)采用三軸穩(wěn)定方式，姿態(tài)控制精度0.05°，配置了混合動(dòng)力推進(jìn)裝置框架推力器系統(tǒng)（包含BPT-5000 霍爾效應(yīng)推力器）[11]。

SBIRS GEO-3 衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。圖2 展示的是衛(wèi)星的在軌飛行狀態(tài)。

圖2 SBIRS GEO-3 衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)示意[13]Fig.2 Schematic diagram of SBIRS GEO-3 in orbit flight[13]

表1 SBIRS GEO-3 衛(wèi)星的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of SBIRS GEO-3 satellite

1.3 載荷配置

SBIRS GEO-3 衛(wèi)星配置高速掃描型和凝視型2 種紅外相機(jī)，掃描型紅外相機(jī)（線陣）負(fù)責(zé)快速搜索和識(shí)別特定紅外特征目標(biāo)，凝視型紅外相機(jī)（面陣）負(fù)責(zé)紅外目標(biāo)的精跟蹤。2 種相機(jī)的外形（地面調(diào)制階段）分別見(jiàn)圖3 和圖4，圖5 為凝視相機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和部分光路，圖6 為兩相機(jī)的組合體[8,14]。據(jù)現(xiàn)有公開(kāi)資料，SBIRS GEO-3 衛(wèi)星載荷的技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

圖3 掃描相機(jī)[8]Fig.3 Scanning camera[8]

圖4 凝視相機(jī)[8]Fig.4 Staring camera[8]

圖5 凝視相機(jī)內(nèi)部光學(xué)結(jié)構(gòu)[14]Fig.5 Internal optical structure of staring camera[14]

圖6 相機(jī)組合體[14]Fig.6 Camera assembly[14]

表2 SBIRS GEO-3 衛(wèi)星載荷的主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main indicators of payloads of SBIRS GEO-3 satellite

2 SBIRS GEO-3 衛(wèi)星總體能力分析

2.1 衛(wèi)星探測(cè)目標(biāo)種類

掃描相機(jī)的視場(chǎng)較寬，可對(duì)大范圍預(yù)警區(qū)域進(jìn)行掃描監(jiān)視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。凝視相機(jī)的視場(chǎng)相對(duì)較小、分辨率高，可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和確認(rèn)。

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)，衛(wèi)星探測(cè)波段為1.65～5.5 μm/STG。據(jù)推算，該紅外譜段可探測(cè)的溫度（峰值溫度）范圍在2000～600 K，實(shí)際可探測(cè)溫度范圍寬于該區(qū)間。導(dǎo)彈尾焰噴口附近的溫度約3000～1500 K，超聲速飛機(jī)氣動(dòng)摩擦致熱的蒙皮溫度約290～570 K，艦船煙囪的輻射波段約為3～5 μm。而大氣紅外窗口波段大致分為0.7～2.5 μm、3～5 μm 和8～14 μm。可見(jiàn)，衛(wèi)星的探測(cè)對(duì)象主要為各種類型的導(dǎo)彈、艦船等地面和空中目標(biāo)，相機(jī)光軸指向可能需要在空間目標(biāo)和地面目標(biāo)間轉(zhuǎn)換，因此衛(wèi)星應(yīng)具備一定的機(jī)動(dòng)能力。

2.2 衛(wèi)星探測(cè)能力

衛(wèi)星運(yùn)行軌道為小傾角GEO，軌道周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，年周期相對(duì)地球軌位變化情況見(jiàn)圖7，基本沿著相同經(jīng)度、在±2.6°緯度范圍內(nèi)移動(dòng)。衛(wèi)星相對(duì)太陽(yáng)每天周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，圖8 和圖9 所示分別為春分點(diǎn)和夏至點(diǎn)當(dāng)天衛(wèi)星+X面與太陽(yáng)矢量夾角以及衛(wèi)星表面太陽(yáng)外熱流密度的變化情況，圖10 和圖11 所示分別為春分點(diǎn)和夏至點(diǎn)當(dāng)天衛(wèi)星+Z面與太陽(yáng)矢量夾角以及衛(wèi)星表面太陽(yáng)外熱流密度的變化情況，衛(wèi)星軌道年周期β角變化曲線見(jiàn)圖12。

圖7 衛(wèi)星年周期軌位變化情況Fig.7 Annual periodic orbit position change of the satellite

圖8 衛(wèi)星+X 面與太陽(yáng)矢量夾角和太陽(yáng)外熱流密度變化曲線（春分點(diǎn)）Fig.8 Curve of included angle of satellite +X plane and solar vector varies with solar external heat flux at spring equinox

圖9 衛(wèi)星+X 面與太陽(yáng)矢量夾角和太陽(yáng)外熱流密度變化曲線（夏至點(diǎn)）Fig.9 Curve of included angle of satellite +X plane and solar vector varies with solar external heat flux at summer solstice

圖10 衛(wèi)星+Z 面與太陽(yáng)矢量夾角和太陽(yáng)外熱流密度變化曲線（春分點(diǎn)）Fig.10 Curve of included angle of satellite +Z plane and solar vector varies with solar external heat flux at spring equinox

圖11 衛(wèi)星+Z 面與太陽(yáng)矢量夾角和太陽(yáng)外熱流密度變化曲線（夏至點(diǎn)）Fig.11 Curve of included angle of satellite +Z plane and solar vector varies with solar external heat flux at summer solstice

圖12 衛(wèi)星軌道年周期β 角變化曲線Fig.12 Variation of satellite orbital β angel in annual period

可以看到，衛(wèi)星6 面受曬，南北面受曬程度相對(duì)較弱，因此熱耗大的設(shè)備一般布置在衛(wèi)星的南北面；太陽(yáng)電池陣的旋轉(zhuǎn)軸垂直于軌道面，以與軌道相同的平均角速度旋轉(zhuǎn)。

GEO 衛(wèi)星的地球視角為17°。根據(jù)星上2 種紅外相機(jī)的視場(chǎng)角，經(jīng)STK 軟件仿真，掃描相機(jī)的視場(chǎng)為10°×20°，經(jīng)1 次機(jī)動(dòng)2 次掃描即可完成對(duì)地搜索；凝視相機(jī)的視場(chǎng)為1°×2°，星下點(diǎn)的覆蓋范圍約630 km×1260 km（見(jiàn)圖13）。而導(dǎo)彈飛越此等范圍區(qū)域的最短時(shí)間為min 級(jí)別，因此衛(wèi)星需要具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力去跟蹤目標(biāo)。相機(jī)工作模式見(jiàn)圖14。

圖13 相機(jī)工作視場(chǎng)Fig.13 Camera working field of view

圖14 凝視相機(jī)與掃描相機(jī)工作模式Fig.14 Operating modes of staring and scanning cameras

2.3 衛(wèi)星探測(cè)精度與模式

參數(shù)取1650～5500 μm 波段，相機(jī)口徑0.28 m，軌道高度35 800 km，像元尺寸18 μm，焦距0.56 m（F=2）進(jìn)行計(jì)算。如不考慮像元大小，分辨率約為260～860 m，鄰斑中心間距約4～13 μm；如按像元尺寸反算，則分辨率約為1160 m，與公開(kāi)數(shù)據(jù)基本相符。可見(jiàn)該分辨率已遠(yuǎn)大于目標(biāo)尺度，因此衛(wèi)星不采用成像探測(cè)模式，而采用將目標(biāo)對(duì)象視為點(diǎn)目標(biāo)的雷達(dá)搜索和跟蹤模式。

對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)，為保證像點(diǎn)信噪比，積分時(shí)間內(nèi)衛(wèi)星擾動(dòng)所引起的像點(diǎn)移動(dòng)不應(yīng)超出像元范圍。如按100 ms 積分時(shí)間估計(jì)，則衛(wèi)星低頻擾動(dòng)的平均角速度應(yīng)控制在1.3×10-3(°)/s 以內(nèi)，指向精度(′)級(jí)即可，高頻擾動(dòng)角位移幅值同樣應(yīng)控制在(′)級(jí)。

2.4 衛(wèi)星散熱能力

衛(wèi)星采用被動(dòng)成像方式，對(duì)功率的需求較小，故其太陽(yáng)電池陣的尺寸和面積都不大。

衛(wèi)星工作在近紅外和中紅外波段，故探測(cè)器有制冷需求，并需要考慮相機(jī)載荷的散熱。

從圖11 可以看出，每天都有一段時(shí)間太陽(yáng)與相機(jī)光軸的夾角較小，陽(yáng)光會(huì)射入光學(xué)系統(tǒng)，影響其成像質(zhì)量（見(jiàn)圖15），故相機(jī)需要采取遮光措施。根據(jù)STK 軟件仿真，遮光罩長(zhǎng)度方向沿Z向、寬度方向沿Y軸方向布置的效果較好。遮光罩同時(shí)具有隔熱效果。

圖15 遮光罩對(duì)相機(jī)光照的影響Fig.15 Influence of lens hood on camera illumination

2.5 其他

衛(wèi)星攜帶約2000 kg 燃料，用于GTO 變軌和軌道保持。燃料較重，需要考慮貯箱布局和傳力問(wèn)題。

3 SBIRS GEO-3 衛(wèi)星構(gòu)型及特點(diǎn)分析

3.1 采用A2100M 平臺(tái)

A2100M 平臺(tái)是在A2100 平臺(tái)基礎(chǔ)上針對(duì)具體應(yīng)用開(kāi)發(fā)的系列平臺(tái)之一。A2100 平臺(tái)于1996 年首次經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)證，此后不斷融入新的技術(shù)元素，例如霍爾推力器、鋰離子電池、多結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池等，逐步提高了衛(wèi)星平臺(tái)的性能[11]。

A2100M 平臺(tái)的主要參數(shù)如表3 所示。

表3 A2100M 平臺(tái)主要參數(shù)Table 3 Main parameters of A2100M satellite bus

A2100M 平臺(tái)構(gòu)型的主要特點(diǎn)如下：

1）較高的承載和運(yùn)送能力

平臺(tái)可提供高達(dá)4700 kg 的衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量，變軌燃料最多可達(dá)2000 kg。

2）采用分艙和模塊化設(shè)計(jì)

平臺(tái)主體分為平臺(tái)艙和載荷艙兩部分，見(jiàn)圖16。

圖16 A2100M 平臺(tái)組成Fig.16 Composition of A2100M satellite bus

分艙和模塊化設(shè)計(jì)可提高研制效率，洛馬公司宣稱收到訂單后可以在18 個(gè)月內(nèi)交付產(chǎn)品。分艙設(shè)計(jì)也可降低載荷與衛(wèi)星平臺(tái)之間的相關(guān)度，使得平臺(tái)艙和載荷艙可并行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、測(cè)試等；平臺(tái)艙標(biāo)準(zhǔn)化程度高，批生產(chǎn)保障條件好，研制周期短；模塊化/通用化/標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備和太陽(yáng)電池陣等的研制和總裝流程成熟。

3）箱板承力筒復(fù)合主傳力體系

A2100M 平臺(tái)承力結(jié)構(gòu)繼承A2100 平臺(tái)，總體上為分布式傳力結(jié)構(gòu)，其構(gòu)型與組成見(jiàn)圖17，采用箱板和承力筒構(gòu)成的串聯(lián)傳力體系，箱板式框架結(jié)構(gòu)位于承力筒上方，箱板框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部安裝燃箱。承力筒除承載平臺(tái)箱板結(jié)構(gòu)、分系統(tǒng)設(shè)備以及有效載荷艙的力載外，還承擔(dān)與運(yùn)載對(duì)接的任務(wù)。箱板結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造簡(jiǎn)單，部裝/總裝方便。

圖17 A2100M 平臺(tái)承力結(jié)構(gòu)構(gòu)型與組成Fig.17 Load-bearing structure configuration and composition of A2100M satellite bus

箱板承力筒復(fù)合主承力結(jié)構(gòu)需要重點(diǎn)處理方圓過(guò)渡問(wèn)題。據(jù)圖18 初步推測(cè)，上端方梁（框）與承力筒端框通過(guò)板加筋（或梁）結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方圓過(guò)渡，以減小集中載荷等問(wèn)題。來(lái)自相機(jī)等設(shè)備的載荷均通過(guò)艙板結(jié)構(gòu)以分布方式傳遞到星箭對(duì)接面上，艙體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力分散分布、相對(duì)平均。

圖18 衛(wèi)星縱向載荷傳力路徑Fig.18 Longitudinal load transmission path of satellite

4）推進(jìn)系統(tǒng)貯箱布局

平臺(tái)攜帶燃料較多（約2000 kg），因此貯箱是衛(wèi)星構(gòu)型和布局中的重點(diǎn)，需著重考慮的因素包括貯箱（帶燃料）的傳力效率、局部強(qiáng)度以及空間利用效率等。A2100M 燃箱和氧箱采用的是并置方式布局（見(jiàn)圖17），燃箱布置在結(jié)構(gòu)中心位置，氧箱布置在側(cè)面（承力筒外部），2 個(gè)氣瓶安裝在承力筒下方。本文對(duì)A2100M 平臺(tái)燃燒劑和氧化劑質(zhì)量進(jìn)行初步預(yù)計(jì)，如推進(jìn)劑總重2000 kg，混合比為1.65，則燃燒劑重約754 kg，氧化劑重約1246 kg，每個(gè)氧箱攜帶623 kg，即3 個(gè)貯箱的質(zhì)量近似相等。

為比較貯箱三箱并置和兩箱串聯(lián)布局方案，本文假定結(jié)構(gòu)質(zhì)量、推進(jìn)劑質(zhì)量、載荷質(zhì)量、材料特性以及邊界條件相同，對(duì)兩布局方案的基頻進(jìn)行分析計(jì)算，有限元模型和計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)圖19、圖20和表4。結(jié)果表明，三箱并置方案不僅質(zhì)心低，整星高度也低，而且橫向基頻也高于兩箱串聯(lián)方案。

圖20 三貯箱并置布局板式結(jié)構(gòu)有限元模型及模態(tài)振型Fig.20 Finite element model and modal vibration shape of plate structure with parallel layout of three tanks

表4 貯箱三箱并置和兩箱串聯(lián)布局方案的基頻對(duì)比Table 4 Fundamental frequency comparison between threetank juxtaposition and two-tank serial layout schemes

載荷安裝部位的傳遞函數(shù)為

式中：φxr和φf(shuō)r分別表示響應(yīng)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)某模態(tài)的振型矢量值；Kr表示根軌跡增益；ξr表示阻尼比；ω表示無(wú)阻尼振蕩頻率；ωr表示阻尼自然振蕩頻率。通常，衛(wèi)星質(zhì)心越低、尺寸越小，φxr則更小些。因此，對(duì)于相同的激勵(lì)，載荷部位的響應(yīng)越小，力學(xué)環(huán)境越好。顯然，相比兩箱串聯(lián)，三箱并置布局方案可改善載荷的力學(xué)條件。

5）設(shè)備布局

GEO-3 衛(wèi)星的設(shè)備布局參見(jiàn)圖21，2 組太陽(yáng)電池陣對(duì)稱布置在衛(wèi)星兩側(cè)（Y向/南北向），2 臺(tái)相機(jī)安裝在衛(wèi)星上部艙內(nèi)，2 幅雙波段萬(wàn)向波束天線對(duì)稱布置在衛(wèi)星兩側(cè)（Y向/南北向），蓄電池外掛在衛(wèi)星-X面，可展開(kāi)式遮光罩安裝在衛(wèi)星對(duì)地面（+Z）的-X向[4-5,12]。太陽(yáng)電池陣采用三角連接架與太陽(yáng)電池板串聯(lián)結(jié)構(gòu)方式，整體剛度和根部剛度較弱，基頻估計(jì)較低。遮光罩為可展開(kāi)式結(jié)構(gòu)，發(fā)射段收攏，入軌后展開(kāi)，其展開(kāi)剛度估計(jì)較弱。故初步推斷，整星控制頻率可能較低。2 幅數(shù)傳天線發(fā)射段收攏在相機(jī)鏡筒部位（凹下部分），以桁架結(jié)構(gòu)（3 根桿件）支撐固定。電池以模塊形式安裝在衛(wèi)星平臺(tái)基座上，安裝方便，也有利于熱隔離。這種蓄電池外掛方式也見(jiàn)于WV3 平臺(tái)。衛(wèi)星采用動(dòng)量輪作為控制系統(tǒng)的力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)，布置安裝在艙體中部Y向側(cè)面的豎直板上。

3.2 雙相機(jī)一體化構(gòu)型、布局設(shè)計(jì)

GEO-3 衛(wèi)星的2 臺(tái)相機(jī)采用一體化構(gòu)型布局設(shè)計(jì)和總裝操作。2 臺(tái)相機(jī)的成像機(jī)制和成像模式不同，其光機(jī)結(jié)構(gòu)也必然有差別。根據(jù)圖6 分析推斷，2 臺(tái)相機(jī)采用了一體化設(shè)計(jì)思路，從空間利用率、總裝、散熱、力學(xué)、測(cè)試、與平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸匹配及數(shù)傳天線布局等方面進(jìn)行了綜合考慮和優(yōu)化，具有布局緊湊、空間利用率高、共用/同結(jié)構(gòu)最大化、與衛(wèi)星平臺(tái)尺寸匹配性好、可單機(jī)裝配/調(diào)試/檢測(cè)、組合體裝星等特點(diǎn)，能有效減小載荷質(zhì)量，提高加工和裝調(diào)效率。

從圖22 看，相機(jī)一體化構(gòu)型布局同時(shí)解決了數(shù)傳天線發(fā)射段壓緊空間的問(wèn)題。而且，星敏安裝在相機(jī)結(jié)構(gòu)上，可縮短姿態(tài)測(cè)量基準(zhǔn)與目標(biāo)探測(cè)基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)尺寸，以減小結(jié)構(gòu)形變、振動(dòng)等引起的誤差，提高目標(biāo)預(yù)報(bào)的精度。

圖22 相機(jī)及數(shù)傳天線安裝Fig.22 Installation of camera and data transmission antenna

3.3 遮光罩設(shè)計(jì)

GEO-3 衛(wèi)星相機(jī)的遮光罩設(shè)計(jì)為可展開(kāi)式結(jié)構(gòu)，發(fā)射段收攏壓緊在衛(wèi)星側(cè)面（+Z面），入軌后垂直+Z面展開(kāi)，收攏和壓緊狀態(tài)見(jiàn)圖23[14]。外遮光罩主要由3 部分組成，板1、板2 為外遮光罩主體；板3 為輔助板，可相對(duì)于板2 翻轉(zhuǎn)，如圖24[14]所示。

圖23 遮光罩構(gòu)型及布局[14]Fig.23 Configuration and layout of lens hood[14]

圖24 遮光罩組成[14]Fig.24 Composition of lens hood[14]

遮光罩的遮光原理如圖25[14]所示，其中α、β為太陽(yáng)光入射角（α＞β），當(dāng)太陽(yáng)處于地球圓盤(pán)邊緣的午夜時(shí)刻，可以進(jìn)一步限制視場(chǎng)；輔助板的翻轉(zhuǎn)可以有效防止太陽(yáng)雜散輻射進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，大大減少太陽(yáng)直射造成的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部及周圍的熱流，達(dá)到保護(hù)光學(xué)系統(tǒng)的目的。這種可展開(kāi)式遮光罩設(shè)計(jì)的不足之處在于，遮光罩的隨動(dòng)功能需要衛(wèi)星姿控設(shè)備和相應(yīng)的地面控制單元予以配合，增大了衛(wèi)星在軌運(yùn)行的不穩(wěn)定概率和相關(guān)后續(xù)圖像處理單元的成本和復(fù)雜度[14]。

圖25 遮光罩遮光原理示意[14]Fig.25 Schematic diagram of light shielding principle of lens hood[14]

3.4 技術(shù)特點(diǎn)總結(jié)

根據(jù)以上分析，GEO-3 衛(wèi)星構(gòu)型布局具有以下特點(diǎn)：

1）平臺(tái)采用承力筒艙板組合承力體系，衛(wèi)星總體上為分布式傳力結(jié)構(gòu)。并采用板加筋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方圓過(guò)渡和解決應(yīng)力集中問(wèn)題。

2）貯箱采用水平并置方式布局，燃箱和氧箱分別安裝在承力筒的兩側(cè)，可降低整星質(zhì)心，同時(shí)減小貯箱支撐結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)力。

3）蓄電池采用較為少見(jiàn)的外掛布局，相比于通常所用的內(nèi)置布局（將蓄電池安裝在外艙板的艙內(nèi)表面），外掛布局受到的約束較少，空間利用率更高。

4）2 臺(tái)相機(jī)采用一體化構(gòu)型布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，使整星結(jié)構(gòu)布局緊湊，提高了平臺(tái)的空間利用率和傳力效率，減小了載荷質(zhì)量，簡(jiǎn)化總裝操作，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)散熱統(tǒng)一管理。

5）衛(wèi)星采用可展開(kāi)式遮光罩來(lái)減小太陽(yáng)光照對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)間和質(zhì)量的影響。

4 新技術(shù)應(yīng)用

隨著技術(shù)的進(jìn)步，SBIRS 衛(wèi)星也在不斷更新其技術(shù)，下面主要對(duì)其中涉及新材料、新工藝等方面的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

1）石墨烯材料應(yīng)用

為了降低成本、減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提升比剛度，洛馬公司為SBIRS 衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣展開(kāi)臂開(kāi)發(fā)了一種新型石墨桅桿和展開(kāi)系統(tǒng)。圖26 為帶有桅桿的柔性太陽(yáng)電池陣渲染圖[12]。

圖26 帶有桅桿的柔性太陽(yáng)電池陣渲染圖[12]Fig.26 Rendering of flexible solar array with mast[12]

2）分裂線軸釋放裝置應(yīng)用

太陽(yáng)電池陣展開(kāi)機(jī)構(gòu)使用了分裂線軸釋放裝置（見(jiàn)圖27[11]），通過(guò)緩慢釋放發(fā)射約束機(jī)構(gòu)中的機(jī)械應(yīng)變能來(lái)展開(kāi)太陽(yáng)電池陣。整套機(jī)構(gòu)沒(méi)有火工品起爆步驟，消除了火工品起爆帶來(lái)的高頻沖擊。

圖27 分裂線軸釋放裝置[11]Fig.27 Split spool release device[11]

3）燃料貯箱3D 打印技術(shù)應(yīng)用

燃料貯箱采用3D 打印技術(shù)進(jìn)行制造，可有效降低制造成本、縮短研制周期。圖28 為3D 打印制造的貯箱構(gòu)件。

圖28 3D 打印的貯箱構(gòu)件Fig.28 3D printed storage tank

4）電推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

SBIRS 衛(wèi)星采用BPT-4000 霍爾推力器以及一款全新的雙軸萬(wàn)向框架推力組件，搭配MR-510 電弧推力器來(lái)實(shí)現(xiàn)在軌衛(wèi)星的全方位推進(jìn)，可以根據(jù)需求改變推力方向。相比于傳統(tǒng)的燃料推進(jìn)，電推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用可大幅減小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，但其推力較小，取得相同的速度增量需要的時(shí)間較長(zhǎng)[11]。

5 借鑒與啟示

綜合上述對(duì)SBIRS GEO-3 衛(wèi)星構(gòu)型及技術(shù)特點(diǎn)的分析，可以得到以下啟示：

1）用少量結(jié)構(gòu)板和小尺度承力筒組合搭構(gòu)成封閉的承力結(jié)構(gòu)，其組成簡(jiǎn)單、傳力路徑清晰，可降低設(shè)計(jì)和制造難度，有效縮減成本，提高研制效率，尤其是對(duì)于批量產(chǎn)品效果更為顯著。

2）貯箱采用并置方式，可降低整星質(zhì)心、提高整星動(dòng)態(tài)剛度和改善星上產(chǎn)品的力學(xué)環(huán)境；同時(shí)，三貯箱并置的球冠圓柱貯箱，僅需適當(dāng)增加貯箱柱段和平臺(tái)高度，便可增加平臺(tái)的燃料攜帶量、擴(kuò)展艙容，從而適應(yīng)平臺(tái)能力擴(kuò)展需求。

3）采用蓄電池外掛布局、相機(jī)一體化構(gòu)型和可展開(kāi)式遮光罩，有助于提高衛(wèi)星平臺(tái)的空間利用率和探測(cè)效能。

4）應(yīng)用第4 章所述有關(guān)新技術(shù)，有望提升研制效率，以及減小衛(wèi)星（特別是高軌衛(wèi)星的）發(fā)射質(zhì)量。