辛 強（中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 湖南 長沙 410073）

0 前言

衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計是指對衛(wèi)星的外形、結(jié)構(gòu)型式、總體布局、質(zhì)量特性及與運載接口關(guān)系等進行設(shè)計和技術(shù)協(xié)調(diào)的設(shè)計過程。衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計專業(yè)屬于總體設(shè)計范疇，是總體方案設(shè)計中的一項使所設(shè)計的衛(wèi)星具體化和實物化的設(shè)計工作，具體來說，總體設(shè)計方案根據(jù)研制總要求優(yōu)選了衛(wèi)星總體技術(shù)途徑，明確了衛(wèi)星的組成和接口關(guān)系，描述了衛(wèi)星所經(jīng)營的信息流、物質(zhì)流和能量流的過程之后，構(gòu)型設(shè)計將組成衛(wèi)星的各分系統(tǒng)的設(shè)備匯總成為一個外部和內(nèi)部關(guān)系協(xié)調(diào)的、能保證實現(xiàn)衛(wèi)星功能的、有利于衛(wèi)星研制的和能促進所設(shè)計衛(wèi)星發(fā)展的設(shè)計工作。

1 構(gòu)型設(shè)計專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

小衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計專業(yè)已有成功發(fā)射20余顆衛(wèi)星的豐富經(jīng)驗，并形成小衛(wèi)星多種成熟的構(gòu)型平臺。目前國內(nèi)基于小衛(wèi)星構(gòu)型平臺的多顆衛(wèi)星已經(jīng)在軌穩(wěn)定運行，工作正常，甚至超壽命服役。

目前，小衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計專業(yè)正在積極探索微型衛(wèi)星平臺等創(chuàng)新性構(gòu)型平臺。

2 專業(yè)發(fā)展面臨的形式

2.1 技術(shù)發(fā)展趨勢

小衛(wèi)星因其“快、好、省”的特點，已經(jīng)在航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，隨著小衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，一些新的理念逐步應(yīng)用在小衛(wèi)星上，小衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計的發(fā)展趨勢有以下幾個方面：

2.1.1 多外形設(shè)計適應(yīng)一箭多星并行發(fā)射

目前我國發(fā)射的衛(wèi)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(xiàn)一箭三星串行發(fā)射，并不適合一箭多星并行發(fā)射。為滿足一箭多星發(fā)射的需求，衛(wèi)星外形要有利于在運載火箭整流罩內(nèi)的布置，充分利用整流罩的包絡(luò)空間，可選擇梯形或三角形截面，減少發(fā)射成本。

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

2.1.2 面向任務(wù)載荷的柔性化構(gòu)型設(shè)計

有效載荷是衛(wèi)星的核心部分，是衛(wèi)星的專用系統(tǒng)，直接決定衛(wèi)星的任務(wù)和用途，因此衛(wèi)星的構(gòu)型應(yīng)直接服務(wù)載荷，以任務(wù)載荷為中心進行柔性化設(shè)計。

美國的ORS-1等戰(zhàn)術(shù)型快速響應(yīng)小衛(wèi)星設(shè)計多圍繞任務(wù)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(shè)計。

2.1.3 空間可展開構(gòu)型設(shè)計

傳統(tǒng)的衛(wèi)星構(gòu)型，采用固定的衛(wèi)星本體，衛(wèi)星的發(fā)射狀態(tài)尺寸受到運載火箭整流罩空間的限制，衛(wèi)星本體的尺寸只能局限在一定范圍內(nèi)進行設(shè)計，制約了衛(wèi)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(wù)，難以很好的適應(yīng)任務(wù)需求；從衛(wèi)星熱控需求角度來看，由于傳統(tǒng)的衛(wèi)星整星設(shè)備功耗的增長與衛(wèi)星表面積的增長為二次非線性關(guān)系，固定的衛(wèi)星本體限制了衛(wèi)星表面的散熱面積，隨著衛(wèi)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(gòu)型，是將衛(wèi)星本體設(shè)計成利用展開機構(gòu)發(fā)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(wèi)星對地面尺寸和星表面積的構(gòu)型。

從發(fā)達國家的航天技術(shù)發(fā)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(wèi)星的研究項目，通過這樣一種新穎的設(shè)計方式，有效的拓展了衛(wèi)星設(shè)計的思路，打破了運載火箭尺寸的制約，大大提高了衛(wèi)星對各類任務(wù)的適應(yīng)能力。

國外采用了在軌展開式衛(wèi)星設(shè)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(yīng)的設(shè)計思想與可展開的方式結(jié)合在一起，探索了該類衛(wèi)星的廣闊應(yīng)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(wèi)星，主要面向未來大功率需求的軍用或民用GEO通信衛(wèi)星，其結(jié)構(gòu)由多個六邊形的模塊盒組成，發(fā)射狀態(tài)疊加成為自承重的堆棧結(jié)構(gòu)，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(tǒng)的衛(wèi)星構(gòu)型，這樣的設(shè)計可以為大功率的通信衛(wèi)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(shù)倍。

圖1 HexPak衛(wèi)星入軌后展開順序（以5個模塊組成的衛(wèi)星為例）

2.1.4 標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計方法

該方法在2005年8月在美國猶他大學(xué)舉行的第十九屆國際小衛(wèi)星會議上，做了專門的研究和討論。標(biāo)準(zhǔn)化模塊化是在多任務(wù)公共平臺設(shè)計方法的基礎(chǔ)上經(jīng)過修改和提高而獲得的，并且加入了一些新的設(shè)計理念，例如采用通用接口、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)、模塊化還可以降低成本、縮短周期。按照傳統(tǒng)的單星設(shè)計生產(chǎn)方式，性能一致性差，質(zhì)量檢測費工費時。通過采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)型布局，可以實現(xiàn)流水線的方式生產(chǎn)，不必對衛(wèi)星進行長時間檢測。

2.1.5 布局優(yōu)化和無纜化設(shè)計

布局的設(shè)計和總裝設(shè)計的關(guān)系非常密切，布局的合理程度將關(guān)系到總裝與安裝設(shè)計的品質(zhì)：只以質(zhì)量特性作為布局的約束條件，可能會造成儀器設(shè)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(nèi)空間劃分成幾個區(qū)，各分系統(tǒng)的儀器盡可能的集中在一個區(qū)域內(nèi)，這樣會減少和縮短電纜的長度，減少質(zhì)量；在條件許可的情況下，分系統(tǒng)的儀器應(yīng)盡可能的組合在一起形成一個功能組件；公用分系統(tǒng)和有效載荷相對集中到各自的艙段，這樣，在衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)發(fā)生變化時，安裝、電纜網(wǎng)、熱控等設(shè)計的改動量相對小，這樣可以縮短研制時間，減少科研經(jīng)費。

無電纜連接是隨著多功能結(jié)構(gòu)的發(fā)展而出現(xiàn)的。目前已經(jīng)在芯片模塊內(nèi)部和多芯片模塊之間進行了試驗，將逐步推廣到儀器、設(shè)備之間，最終使整個衛(wèi)星成為沒有電纜的衛(wèi)星。

2.1.6 DMU模裝技術(shù)和數(shù)字化驗證仿真技術(shù)

DMU技術(shù)是通過計算機的手段用數(shù)字來表示衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)和星上儀器設(shè)備，通過對虛擬零部件的配置和布局，完成衛(wèi)星的總體構(gòu)型。衛(wèi)星構(gòu)型是一種創(chuàng)造性勞動，主要靠設(shè)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(fù)才能最后完成。利用CAD的手段來進行構(gòu)型設(shè)計的最大優(yōu)點是投資省、時間少、精度高；構(gòu)型一旦完成，立即可以輸出相應(yīng)的圖紙文檔，并且可以保留衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計的發(fā)展過程，便于修改和參考。波音777飛機是全數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計的典型案例。

驗證與仿真平臺將仿真作為航天器數(shù)字化設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，為航天器數(shù)字化設(shè)計提供驗證手段。

仿真驗證技術(shù)分為3個層次，即數(shù)學(xué)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(guān)系。數(shù)學(xué)模型可以直接用力學(xué)或電性產(chǎn)品實物代替，能夠?qū)崿F(xiàn)由數(shù)學(xué)仿真到半物理乃至全物理仿真的快速、靈活、準(zhǔn)確和無縫連接。

圖2 仿真驗證示意

2.2 國際技術(shù)水平對標(biāo)

表1 構(gòu)型布局專業(yè)國際技術(shù)水平對標(biāo)情況匯總表

目前國際上許多公司生產(chǎn)的小衛(wèi)星已經(jīng)實現(xiàn)了構(gòu)型布局方面實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。如美國軌道科學(xué)公司生產(chǎn)的“全球星”小衛(wèi)星全球通信系統(tǒng)，該任務(wù)總共由48顆小衛(wèi)星組成星座來實現(xiàn)全球?qū)崟r通信。衛(wèi)星采用模塊化組裝，每顆衛(wèi)星分為4個主要模塊：有效載荷、太陽帆板、電池、結(jié)構(gòu)。衛(wèi)星采用流水生產(chǎn)線方式生產(chǎn)，生產(chǎn)線分為兩級，一級是分系統(tǒng)模塊生產(chǎn)線，分別設(shè)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(chǎn)中，保證批量相同部件均有互換性，大大減少了部件的生產(chǎn)數(shù)量。用傳統(tǒng)的方式一年生產(chǎn)一顆，改進后，在初期只用90天，并逐步縮短生產(chǎn)時間，從第17顆衛(wèi)星開始，每顆星的生產(chǎn)周期將穩(wěn)定在21天左右。并且只對頭兩顆發(fā)射正樣星進行嚴(yán)格的測試和設(shè)計質(zhì)量檢驗，后面的衛(wèi)星只要經(jīng)檢查與這顆星的質(zhì)量完全相同就可以出廠。

還有國外很多大學(xué)、研究機構(gòu)生產(chǎn)的CubeSat小衛(wèi)星，除有效載荷外，其他設(shè)備、部件均采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)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(chuàng)新性構(gòu)型平臺建設(shè)不足，衛(wèi)星外形設(shè)計形式單調(diào)。

2.3.2 目前的小衛(wèi)星平臺僅適用于特定載荷，圍繞載荷進行構(gòu)型的柔性設(shè)計積累還不夠，對國外先進的構(gòu)型技術(shù)調(diào)研還不夠充分。

2.3.3 采用可展開式構(gòu)型的小衛(wèi)星還處于研究階段，沒有成功發(fā)射的經(jīng)驗，空間可展開機構(gòu)的研究為滿足高可靠性設(shè)計僅限于簡單的解鎖、展開結(jié)構(gòu)，還沒有設(shè)計復(fù)雜機構(gòu)的能力。

2.3.4 模塊化程度不夠。

2.3.5 無纜化技術(shù)仍處于原理概念研究階段，沒有工程應(yīng)用。

2.3.6 計算機輔助建模方式還不健全。

3 專業(yè)發(fā)展方向

3.1 衛(wèi)星外形多樣化

調(diào)研國內(nèi)外航天器的外形結(jié)構(gòu)，分析其原理及可行性，開展針對一箭多星并行發(fā)射模型的衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計研究，確定關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)途徑，制定構(gòu)型設(shè)計方案。

3.2 面向任務(wù)載荷的柔性構(gòu)型設(shè)計

總結(jié)歸納現(xiàn)有小衛(wèi)星任務(wù)載荷的類型、用途、安裝方式，分析其工作模式和對衛(wèi)星構(gòu)型的要求，開展對現(xiàn)有載荷的衛(wèi)星構(gòu)型的優(yōu)化，積累經(jīng)驗，提出面向任務(wù)載荷的柔性構(gòu)型設(shè)計方案。

3.3 空間可展開構(gòu)型設(shè)計

分析空間可展開式衛(wèi)星的特點，針對目前的衛(wèi)星任務(wù)領(lǐng)域進行梳理，探索其適用范圍；結(jié)合我國目前的航天產(chǎn)品研制能力，對展開機構(gòu)、發(fā)射狀態(tài)鎖緊機構(gòu)、星箭接口等主要設(shè)計內(nèi)容進行研究，并進行動力學(xué)分析。

3.4 衛(wèi)星模塊化構(gòu)型設(shè)計

模塊化構(gòu)型設(shè)計思想是將衛(wèi)星設(shè)計成標(biāo)準(zhǔn)化的獨立模塊，再根據(jù)特定的任務(wù)需求選配不同載荷和平臺的功能模塊組裝；發(fā)展模塊化構(gòu)型設(shè)計需要從機、電、熱標(biāo)準(zhǔn)一體化設(shè)計入手，采用標(biāo)準(zhǔn)單元的方法進行設(shè)計。

4 結(jié)束語

構(gòu)型設(shè)計是關(guān)乎衛(wèi)星成敗的關(guān)鍵，目前國內(nèi)小衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計已經(jīng)形成系列化平臺型譜，較以往衛(wèi)星單一、局限的構(gòu)型設(shè)計已經(jīng)有了長足的進步，但是對標(biāo)國外先進的小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計，我們還有很大的差距，只有以“多樣化構(gòu)型、面向載荷的柔性構(gòu)型、可展開構(gòu)型、模塊化構(gòu)型設(shè)計”為專業(yè)發(fā)展方向，才能發(fā)展小衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計專業(yè)，實現(xiàn)更大的跨越。