一種適合組批部署的小衛星構型與結構設計

劉江 田宗軍 徐欣 扈勇強 劉質加

(1 南京航空航天大學,南京 210016)

(2 航天東方紅衛星有限公司,北京 100094)

隨著星座衛星的發展,小衛星以其獨特的優勢發揮著越來越重要的作用[1-2],尤其質量在150～300kg的小衛星已經成為星座衛星研制的重點[3-5],要求衛星構型與結構設計從定制化向強適應性的平臺化轉變,同時具備多種載荷布局適應能力、多型運載火箭發射環境適應能力、組批快速部署能力[6]。

針對組批部署的小衛星,國內外研究聚焦的衛星構型結構以立方體、圓柱體、六棱柱體居多,其適應載荷布局能力強,分離裝置安裝在衛星底部,可實現多顆主星串聯發射或自串聯發射[7-8],但受制于整流罩包絡與力學環境,發射主星數量一般不超過3個,不適用于衛星的組批快速部署。文獻[9]中提到的第一代星座“銥星”為細長三棱柱體構型,采用多星直立并聯發射,但其星內空間利用率很低,很難大規模應用;文獻[10]中提到的“星鏈”衛星采用堆疊式串聯發射的平板構型與結構,顯著地提高了單箭發射衛星數量,但衛星層間距離限制了配套設備與載荷狀態,適合定制化載荷,適應范圍有限;文獻[11-13]中提到的“銥星”二代等衛星均采用壁掛式梯形截面構型與結構,較適合多種載荷小衛星批量部署的需求[14],但是它們均針對800千克量級的通信或導航衛星設計,當衛星體積和質量減小后,內部空間利用率會極大降低,面向低質量小衛星的適應能力不足;文獻[15]中提出了適合一箭八星壁掛式主頻可調節的衛星結構,解決了衛星環境適應性的問題,但結構過于復雜、布局空間小,只適用于120kg以內且載荷較簡單的微小衛星。綜上所述,目前針對質量在150～300kg小衛星可供選擇的構型與結構設計普遍存在面向特定載荷、特定運載器的定制化設計,同時面向多種載荷布局、多型運載火箭發射環境、組批快速部署的適應能力不強。

本文基于壁掛式一箭多星發射方式,設計了一種雙隔板四點連接式小衛星構型與結構,開展了構型結構分析與優化,可適應質量在150～300kg小衛星的組批部署需求。

1 構型與結構設計

針對本文所研究衛星的特點,較傳統衛星,提出了以下幾點設計約束:①能夠提供較大的布局空間,以適應多種載荷的布局;②具有標準化的主承力結構設計,能實現不同功能配置衛星設備的快速布局;③具有一定的剛度與強度,在承載范圍內可以適應多型運載的發射環境。本文以可變衛星構型截面、標準主承力結構作為設計思路,從構型與結構總體設計、主承力接頭及位置可調設計、截面形狀變化設計三方面出發,設計了一種雙隔板四點連接式小衛星構型與結構。

1.1 總體設計

為了充分利用運載整流罩內部空間,衛星采用中心多星承力支架、周邊壁掛布置數層數顆衛星的一箭多星發射方案,每顆衛星占用的扇形區域包絡體積一致,實際一箭發射的衛星數量由中心多星承力支架直徑及整流罩尺寸確定。衛星主承力接頭與運載之間采用四點式分離裝置連接,較傳統對接環包帶式分離裝置,布局設計靈活,對衛星連接面占用空間更小。艙內設備一般以方箱類為主,為了充分利用星內空間,衛星本體基礎構型設計為矩形截面,內部設計可布置設備的雙長、短隔板結構,此狀態星內可用布局空間理論上可達到100%;載荷安裝板提供大面積載荷布置區域,通過調整載荷安裝板尺寸,衛星構型截面可由矩形變化為梯形,既能適應多種載荷的布局需求,又能充分利用整流罩內空間。構型結構設計如圖1、圖2所示,由壁掛面安裝板、載荷安裝板、±Y主承力長隔板、±X短隔板、±Y側板和±X側板組成,4個主承力接頭設置在主承力長隔板、短隔板與壁掛面安裝板相交的位置;衛星截面形狀與主承力接頭X向間距設計為可調,以滿足各種衛星配置的布局需求。在發射過程中,衛星X方向與整流罩軸向方向一致,發射方向為正方向;衛星Z方向與整流罩徑向方向一致,中心指向周邊方向為正方向。

注:L為矩形截面狀態Y方向尺寸;B為主承力長隔板Z方向尺寸;La為梯形截面狀態載荷安裝板Y方向尺寸;Lb為梯形截面狀態壁掛面安裝板Y方向尺寸;θ為載荷安裝板與±Y側板之間的角度。圖1 衛星構型截面示意圖Fig.1 Satellite configuration cross section

注:Dxd為主承力接頭X向間距(即±X短隔板間距);Dyd為主承力接頭Y向間距;H為主承力長隔板X方向尺寸。圖2 主承力接頭分布示意圖Fig.2 Distribution of the main load-bearing joints

1.2 位置可調式主承力接頭設計

星上各設備的慣性過載通過長、短隔板傳到4個主承力接頭(星箭接頭)上。衛星4個主承力接頭采用相同設計,分別由1個星箭接頭埋塊、1個隔板加強埋塊、1個大外貼角盒和2個小外貼角盒組成,均采用鋁合金材料,其中星箭接頭埋塊埋置于壁掛面安裝板內,隔板加強埋塊埋置于主承力長隔板內,結構板內部相應位置填充發泡膠補強處理。單個主承力接頭結構示意見圖3。各結構板均選用質量及經濟性較好的鋁蜂窩夾層結構,其中衛星主承力長隔板、短隔板與壁掛面安裝板的厚度為25.6mm,其余結構板根據其承載和應力情況可選厚度為25.6mm或16mm。

綜合考慮小衛星星內設備配套狀態、平均布局密度、裝配可操作性,衛星本體結構尺寸H為1000mm,B為500mm,L為1000mm;Dyd取400mm,此時±Y側板分別與±Y主承力長隔板之間的距離為300mm;Dxd設計為可調整,初步設計為400～700mm,具體尺寸范圍由下文主承力接頭位置對衛星結構剛度與強度的影響分析確定。

1.3 截面形狀變化設計

矩形和梯形兩種截面狀態星內可提供的設備安裝空間應一致,即星內容積一定,但梯形截面狀態星內空間利用率會適當降低,得

(1)

式中:η為梯形截面狀態星內空間利用率系數。

由梯形尺寸關系可得

(2)

η取0.9,將H=1000mm,B=500mm代入式(1)、(2),可得

(3)

根據主承力接頭設計狀態及Y向間距,Lb的尺寸可調范圍初步確定為600～1000mm,具體尺寸范圍由下文截面形狀對衛星結構剛度的影響分析確定。僅當Lb為1000mm時,衛星為矩形截面;其余情況下,為梯形截面。

2 構型結構分析與優化設計

衛星結構剛度與強度是結構設計的重要指標,本文所設計衛星結構的剛度受到衛星隔板間距、截面形狀、結構承載、結構參數等變化的影響,其強度受到運載火箭發射環境、結構承載、結構參數等影響,下面對其剛度和強度特性分別開展詳細分析與優化設計。

2.1 結構剛度分析與優化設計

各結構板采用殼單元模擬,其上質量根據承載情況按均布考慮,以矩形截面為例,分別在整星承載150kg與300kg、結構側板鋁蜂窩夾層結構厚度25.6mm與16.0mm不同組合4種狀態下開展有限元建模與分析,得到整星結構一階固有頻率隨Dxd變化關系,如圖4所示。

圖4 結構一階固有頻率隨Dxd變化關系Fig.4 Structure first-order natural frequency trend with Dxd

由圖4可以看出:4種狀態下的整星結構一階固有頻率表現出了相同的規律,當Dxd在400～450mm時,隨著間距增大,整星結構一階固有頻率急劇增大,增加了約6Hz,頻率變化率平均達到了13.2%;但間距在450～700mm時,整星結構一階固有頻率增速緩慢,頻率變化值平均約2Hz,頻率變化率平均約4%,Dxd變化對結構一階固有頻率影響較小;結構側板厚度改變時,整星結構一階固有頻率在承載150kg狀態下平均變化率為1.1%,在承載300kg狀態下平均變化率為0.5%,側板厚度變化對結構一階固有頻率影響較小,其設計應優先滿足局部強度要求。

由于Dxd與側板厚度對結構一階固有頻率影響較小,選取Dxd為500mm,整星結構承載300kg,結構側板鋁蜂窩夾層結構厚度16.0mm,對衛星結構進行有限元建模與分析,得到整星結構一階固有頻率隨Lb變化(即截面形狀變化)關系如圖5所示。

圖5 結構一階固有頻率隨Lb變化關系Fig.5 Structure first-order natural frequency trend with Lb

由圖5可知:整星結構一階固有頻率隨Lb的增大而升高,Lb在600～1000mm范圍調整時結構一階固有頻率變化不到4Hz,在700～1000mm范圍調整時結構一階固有頻率變化不到2Hz,截面形狀變化對剛度影響較小。

綜上所述,衛星承載150～300kg,根據布局需要,整星結構主承力接頭X方向間距Dxd可調整范圍為450～700mm,壁掛面安裝板Y方向尺寸Lb可調整范圍為700～1000mm,其變化對結構一階固有頻率影響較小;當整星結構承載300kg、Dxd為450mm、Lb為700mm、側板鋁蜂窩夾層結構厚度為16.0mm時,構型為梯形截面,衛星結構一階固有頻率最小,為40.8Hz;衛星結構一階固有頻率均大于30Hz,滿足多型常用運載火箭對衛星剛度要求。

2.2 結構強度分析與優化設計

在上述多型運載火箭提供的準靜態過載系數條件基礎上,取最大包絡,同時選取橫向最大載荷、軸向最大載荷組合工況,并乘以安全系數1.5后作為輸入載荷,得到主結構準靜態分析工況(見表1)。按照式(4)計算衛星主承力接頭最大拉拔力為

表1 主結構準靜態分析工況Table 1 Static analysis conditions of the main structure g

F=mgn(αxHb/Dxd+αyHb/Dyd+|αz|/2)/2

(4)

式中:m為衛星質量;αx、αy、αz為3個方向的過載;Hb為質心到四點連接底面的距離。

按照表1的準靜態分析工況,將m為150kg和300kg,Dxd為400～700mm,Dyd為400mm,Hb為300mm,分別代入式(4),計算得到衛星主承力接頭最大拉拔力與Dxd的關系圖(見圖6)。

圖6 主承力接頭最大拉拔力與Dxd關系Fig.6 The max force trend with Dxd

由圖6可知:承載越低,Dxd越大,拉拔力F越小;結構承載300kg,Dxd為400mm時,拉拔力F最大,為17.9kN。

為了獲取設計的主承力接頭最大承載力,進行了主承力接頭的靜力承載試驗。試驗結果表明:主承力接頭最大承載拉拔力達到了23kN,相對于各承載狀態的主承力接頭最大拉拔力,對應主承力結構最低安全裕度為0.28,主承力結構設計強度滿足多型運載火箭環境要求。

3 在軌應用

為了進一步說明本文所設計結構的應用效果,將所設計的小衛星構型與結構應用于某組批部署衛星。衛星采用矩形截面構型與結構,質量為160kg,主承力接頭X向間距為500mm,衛星在整流罩內分為下層3顆、上層2顆壁掛在中心多星承力支架上。衛星分兩次以一箭五星發射入軌,成功經歷了實際運載火箭發射環境和在軌穩定運行的飛行試驗考核,進一步驗證了此構型與結構設計的合理性。

4 結論

本文設計了一種適用于150～300kg、組批部署的雙隔板四點連接式小衛星構型與結構,克服了構型與結構針對特定載荷及運載火箭定制化設計的缺點,滿足了多種載荷布局、多型運載火箭發射環境、組批快速部署的需求,基于仿真分析及試驗驗證得到如下結論。

(1)本文所設計的衛星構型與結構采用雙隔板箱板式主承力結構,通過改變結構主承力接頭X向間距(調整范圍為450～700mm)、載荷安裝板Y方向尺寸(調整范圍為700～1000mm),可調整星內外布局空間與截面形狀,且在調整范圍內相同承載下結構一階固有頻率變化均不到2Hz,穩定性好,能適應多種載荷與設備布局。

(2)衛星結構一階固有頻率不低于40.8Hz,均大于多型運載火箭不低于30Hz的要求,主承力接頭最大承載拉拔力實測達到了23kN,對應主承力結構使用最低安全裕度為0.28,衛星主承力結構的剛度和強度能夠滿足國內多型運載火箭的要求。

(3)衛星構型能充分利用運載火箭整流罩,靈活采用多層、每層3～5顆衛星的一箭多星壁掛式發射方式,組批快速部署適應性強。