辛 強(qiáng)（中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 湖南 長(zhǎng)沙 410073）

0 前言

衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)是指對(duì)衛(wèi)星的外形、結(jié)構(gòu)型式、總體布局、質(zhì)量特性及與運(yùn)載接口關(guān)系等進(jìn)行設(shè)計(jì)和技術(shù)協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)過程。衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計(jì)專業(yè)屬于總體設(shè)計(jì)范疇，是總體方案設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)使所設(shè)計(jì)的衛(wèi)星具體化和實(shí)物化的設(shè)計(jì)工作，具體來說，總體設(shè)計(jì)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(yíng)的信息流、物質(zhì)流和能量流的過程之后，構(gòu)型設(shè)計(jì)將組成衛(wèi)星的各分系統(tǒng)的設(shè)備匯總成為一個(gè)外部和內(nèi)部關(guān)系協(xié)調(diào)的、能保證實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星功能的、有利于衛(wèi)星研制的和能促進(jìn)所設(shè)計(jì)衛(wèi)星發(fā)展的設(shè)計(jì)工作。

1 構(gòu)型設(shè)計(jì)專業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

小衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計(jì)專業(yè)已有成功發(fā)射20余顆衛(wèi)星的豐富經(jīng)驗(yàn)，并形成小衛(wèi)星多種成熟的構(gòu)型平臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)基于小衛(wèi)星構(gòu)型平臺(tái)的多顆衛(wèi)星已經(jīng)在軌穩(wěn)定運(yùn)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(jì)專業(yè)正在積極探索微型衛(wèi)星平臺(tái)等創(chuàng)新性構(gòu)型平臺(tái)。

2 專業(yè)發(fā)展面臨的形式

2.1 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

小衛(wèi)星因其“快、好、省”的特點(diǎn)，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(jì)的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面：

2.1.1 多外形設(shè)計(jì)適應(yīng)一箭多星并行發(fā)射

目前我國(guó)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(shí)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(yùn)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(huì)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(shí)，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(jì)

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(jìn)行柔性化設(shè)計(jì)。

美國(guó)的ORS-1等戰(zhàn)術(shù)型快速響應(yīng)小衛(wèi)星設(shè)計(jì)多圍繞任務(wù)載荷進(jìn)行，往往有效載荷的體積和重量占整星的比重很大，平臺(tái)艙進(jìn)行小型輕量化設(shè)計(jì)。

2.1.3 空間可展開構(gòu)型設(shè)計(jì)

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(yùn)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(jìn)行設(shè)計(jì)，制約了衛(wèi)星對(duì)地面的尺寸大小，對(duì)于需要較大對(duì)地面面積或較長(zhǎng)測(cè)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(zhǎng)與衛(wèi)星表面積的增長(zhǎng)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(jì)成利用展開機(jī)構(gòu)發(fā)射時(shí)收攏，滿足運(yùn)載整流罩空間的限制，在軌飛行時(shí)本體展開，擴(kuò)大衛(wèi)星對(duì)地面尺寸和星表面積的構(gòu)型。

從發(fā)達(dá)國(guó)家的航天技術(shù)發(fā)展情況來看，美國(guó)、日本等國(guó)家在近些年先后提出了空間可展開式衛(wèi)星的研究項(xiàng)目，通過這樣一種新穎的設(shè)計(jì)方式，有效的拓展了衛(wèi)星設(shè)計(jì)的思路，打破了運(yùn)載火箭尺寸的制約，大大提高了衛(wèi)星對(duì)各類任務(wù)的適應(yīng)能力。

國(guó)外采用了在軌展開式衛(wèi)星設(shè)計(jì)思路的有美國(guó)的HexPak、日本的PETSAT和歐洲的AstroSAR，其中前兩個(gè)項(xiàng)目是將模塊化快速響應(yīng)的設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)于傳統(tǒng)的衛(wèi)星構(gòu)型，這樣的設(shè)計(jì)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(shí)對(duì)地面的面積也可以達(dá)到運(yùn)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(gè)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(jì)方法

該方法在2005年8月在美國(guó)猶他大學(xué)舉行的第十九屆國(guó)際小衛(wèi)星會(huì)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(tái)設(shè)計(jì)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(jì)理念，例如采用通用接口、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)與部件。模塊化平臺(tái)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(jì)生產(chǎn)方式，性能一致性差，質(zhì)量檢測(cè)費(fèi)工費(fèi)時(shí)。通過采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)型布局，可以實(shí)現(xiàn)流水線的方式生產(chǎn)，不必對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)。

2.1.5 布局優(yōu)化和無纜化設(shè)計(jì)

布局的設(shè)計(jì)和總裝設(shè)計(jì)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(jì)的品質(zhì)：只以質(zhì)量特性作為布局的約束條件，可能會(huì)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(shí)就將艙內(nèi)空間劃分成幾個(gè)區(qū)，各分系統(tǒng)的儀器盡可能的集中在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，這樣會(huì)減少和縮短電纜的長(zhǎng)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(gè)功能組件；公用分系統(tǒng)和有效載荷相對(duì)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(shí)，安裝、電纜網(wǎng)、熱控等設(shè)計(jì)的改動(dòng)量相對(duì)小，這樣可以縮短研制時(shí)間，減少科研經(jīng)費(fèi)。

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(jìn)行了試驗(yàn)，將逐步推廣到儀器、設(shè)備之間，最終使整個(gè)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(yàn)證仿真技術(shù)

DMU技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)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(duì)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(dòng)，主要靠設(shè)計(jì)師通過人—機(jī)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(jìn)行構(gòu)型設(shè)計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是投資省、時(shí)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(jì)的發(fā)展過程，便于修改和參考。波音777飛機(jī)是全數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的典型案例。

驗(yàn)證與仿真平臺(tái)將仿真作為航天器數(shù)字化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，為航天器數(shù)字化設(shè)計(jì)提供驗(yàn)證手段。

仿真驗(yàn)證技術(shù)分為3個(gè)層次，即數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證、半物理仿真驗(yàn)證和全物理仿真驗(yàn)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(shí)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(yàn)證示意

2.2 國(guó)際技術(shù)水平對(duì)標(biāo)

表1 構(gòu)型布局專業(yè)國(guó)際技術(shù)水平對(duì)標(biāo)情況匯總表

目前國(guó)際上許多公司生產(chǎn)的小衛(wèi)星已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了構(gòu)型布局方面實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。如美國(guó)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(shí)現(xiàn)全球?qū)崟r(shí)通信。衛(wèi)星采用模塊化組裝，每顆衛(wèi)星分為4個(gè)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(jí)，一級(jí)是分系統(tǒng)模塊生產(chǎn)線，分別設(shè)立15個(gè)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(jìn)后，在初期只用90天，并逐步縮短生產(chǎn)時(shí)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(duì)頭兩顆發(fā)射正樣星進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試和設(shè)計(jì)質(zhì)量檢驗(yàn)，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(guó)外很多大學(xué)、研究機(jī)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(jì)，部件之間可以互換，通用化，大大降低了成本和研制時(shí)間。

2.3 主要問題與差距

2.3.1 創(chuàng)新性構(gòu)型平臺(tái)建設(shè)不足，衛(wèi)星外形設(shè)計(jì)形式單調(diào)。

2.3.2 目前的小衛(wèi)星平臺(tái)僅適用于特定載荷，圍繞載荷進(jìn)行構(gòu)型的柔性設(shè)計(jì)積累還不夠，對(duì)國(guó)外先進(jìn)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(yàn)，空間可展開機(jī)構(gòu)的研究為滿足高可靠性設(shè)計(jì)僅限于簡(jiǎn)單的解鎖、展開結(jié)構(gòu)，還沒有設(shè)計(jì)復(fù)雜機(jī)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(jì)算機(jī)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(guó)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(duì)一箭多星并行發(fā)射模型的衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)研究，確定關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)途徑，制定構(gòu)型設(shè)計(jì)方案。

3.2 面向任務(wù)載荷的柔性構(gòu)型設(shè)計(jì)

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(duì)衛(wèi)星構(gòu)型的要求，開展對(duì)現(xiàn)有載荷的衛(wèi)星構(gòu)型的優(yōu)化，積累經(jīng)驗(yàn)，提出面向任務(wù)載荷的柔性構(gòu)型設(shè)計(jì)方案。

3.3 空間可展開構(gòu)型設(shè)計(jì)

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

3.4 衛(wèi)星模塊化構(gòu)型設(shè)計(jì)

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

4 結(jié)束語

構(gòu)型設(shè)計(jì)是關(guān)乎衛(wèi)星成敗的關(guān)鍵，目前國(guó)內(nèi)小衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計(jì)已經(jīng)形成系列化平臺(tái)型譜，較以往衛(wèi)星單一、局限的構(gòu)型設(shè)計(jì)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是對(duì)標(biāo)國(guó)外先進(jìn)的小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)，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(jì)”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(jì)專業(yè)，實(shí)現(xiàn)更大的跨越。