曾惠忠，劉志全，閆 峰，劉 芃,

(1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094；2. 深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司，深圳 518054)

0 引 言

多顆大小基本相同的小衛(wèi)星共用一個(gè)運(yùn)載火箭的“一箭多星”發(fā)射模式對(duì)傳統(tǒng)的整流罩內(nèi)多星串聯(lián)布局模式提出了挑戰(zhàn)。多星串聯(lián)布局軸向尺寸大，發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)量受運(yùn)載火箭整流罩尺寸限制，此外，位于高層的衛(wèi)星因質(zhì)心位置高而遭受更加惡劣的發(fā)射力學(xué)環(huán)境。為了解決這一問(wèn)題，多星并聯(lián)布局“一箭多星”發(fā)射小衛(wèi)星的模式應(yīng)運(yùn)而生。多星并聯(lián)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與運(yùn)載火箭的連接通常有衛(wèi)星底部連接和衛(wèi)星側(cè)壁壁掛式連接兩種方式[1]。相對(duì)于側(cè)壁壁掛式連接方式，底部連接方式下的星箭連接界面一般承受更大的載荷。因此，國(guó)內(nèi)外更傾向于采用側(cè)壁壁掛式連接方式(后文簡(jiǎn)稱壁掛式)。壁掛式連接的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)一般通過(guò)火工裝置(如爆炸螺栓)將整星側(cè)壁連接到運(yùn)載火箭中心承力結(jié)構(gòu)(上面級(jí)結(jié)構(gòu))上。為適應(yīng)多星并聯(lián)布局“一箭多星”發(fā)射小衛(wèi)星模式下不同運(yùn)載火箭上面級(jí)結(jié)構(gòu)的剛度特性，避免衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與上面級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生頻率耦合，迫切需要設(shè)計(jì)壁掛式主頻可調(diào)的小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)并對(duì)該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

1993～1998年，美國(guó)摩托羅拉公司研制并陸續(xù)成功發(fā)射了銥星系統(tǒng)(Iridium)[2-3]，整星設(shè)計(jì)為三棱柱等截面結(jié)構(gòu)，采用“一箭五星”、“一箭七星”和“一箭雙星”[3- 4]等發(fā)射模式及多星并聯(lián)布局底部連接方式。該星結(jié)構(gòu)使得運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)部空間利用率(指衛(wèi)星體積占運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)部空間總體積的百分比)達(dá)到75.68%(“一箭五星”)。通常設(shè)備自身和對(duì)應(yīng)的安裝操作空間的總和是一個(gè)長(zhǎng)方體。長(zhǎng)方體放置在該衛(wèi)星三棱柱的內(nèi)部空間，會(huì)導(dǎo)致該衛(wèi)星的星內(nèi)設(shè)備安裝空間利用率(設(shè)備自身體積和安裝操作空間所占體積的總和占星內(nèi)空間總體積的百分比)較低。此外，該長(zhǎng)細(xì)形衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得在橫向過(guò)載情況下星箭連接界面承受較大的載荷。1991～1999年，美國(guó)勞拉公司和高通公司發(fā)起成立的全球星有限合伙公司成功研制出全球星(global-star)[3]，該衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為梯形等截面的棱柱形狀，梯形短邊所在側(cè)壁掛在運(yùn)載火箭上面級(jí)上，相對(duì)于底部連接方式的三棱柱等截面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)星箭連接界面受載有所減小。但該壁掛式連接容易導(dǎo)致整星與運(yùn)載火箭上面級(jí)中心承力結(jié)構(gòu)發(fā)生頻率耦合，同一結(jié)構(gòu)對(duì)于不同運(yùn)載火箭上面級(jí)適應(yīng)性較差。此外，等截面設(shè)計(jì)狀態(tài)下，橫截面尺寸由安裝空間大的設(shè)備決定，而安裝空間小的設(shè)備無(wú)法充分利用星內(nèi)空間，進(jìn)而導(dǎo)致星內(nèi)設(shè)備安裝空間利用率還比較低。文獻(xiàn)[5]雖然提出了將“一箭多星”底部連接方式改進(jìn)為壁掛式連接的建議，文獻(xiàn)[6]對(duì)壁掛式“一箭多星”發(fā)射的低地球軌道衛(wèi)星構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，但迄今為止未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道壁掛式“一箭多星”發(fā)射小衛(wèi)星的國(guó)內(nèi)應(yīng)用。2002年美國(guó)和德國(guó)聯(lián)合研制并用“一箭雙星”方式成功發(fā)射的地球引力試驗(yàn)衛(wèi)星Grace[7-8]；2011年ESA用“一箭雙星”成功發(fā)射的導(dǎo)航衛(wèi)星Galileo IOV[9]；2017年美國(guó)“一箭十星”成功發(fā)射了下一代銥星Iridium Next[10]。2002年以來(lái)發(fā)射的上述衛(wèi)星都采用了與全球星相類似的壁掛式結(jié)構(gòu)，所具備的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都與全球星的相類似。

在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)主頻可調(diào)研究方面，文獻(xiàn)[11]提出了“通過(guò)改變模塊底板局部剛度和適配器支撐剛度可以提高結(jié)構(gòu)的固有頻率”。文獻(xiàn)[11]中的具體措施是在有限元模型中改變衛(wèi)星底板材料和增加適配器的約束。而改變底板材料相當(dāng)于改變了底板設(shè)計(jì)狀態(tài)，增加適配器約束相當(dāng)于改變了與運(yùn)載火箭的接口。對(duì)于大多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)星箭接口的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)狀態(tài)確定后，底板設(shè)計(jì)狀態(tài)和星箭接口一般是不允許改變的。因此，實(shí)際工程中很難采用文獻(xiàn)[11]的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的主頻可調(diào)。此外，在文獻(xiàn)[11]中，衛(wèi)星是通過(guò)錐形適配器與運(yùn)載火箭連接的，對(duì)應(yīng)的主頻調(diào)整措施基本不適用于本文所述的壁掛式連接的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。

基于對(duì)國(guó)內(nèi)外多星并聯(lián)布局“一箭多星”發(fā)射模式下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及存在問(wèn)題的分析，本文提出一種壁掛式主頻可調(diào)變截面小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并開(kāi)展分析驗(yàn)證和試驗(yàn)驗(yàn)證。該衛(wèi)星結(jié)構(gòu)在不改變衛(wèi)星底板等主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀態(tài)和星箭接口的前提下可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)主頻可調(diào)，旨在增強(qiáng)衛(wèi)星對(duì)不同運(yùn)載火箭上面級(jí)的主頻適應(yīng)性。同時(shí)，減小星箭連接界面結(jié)構(gòu)受力，提高星內(nèi)設(shè)備安裝空間利用率。

1 壁掛式主頻可調(diào)變截面小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 壁掛式結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的某壁掛式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由底板、+Y電池板、-Y電池板、-Z電池板、+X+Y熱控板、+X-Y熱控板、-X+Y熱控板、-X-Y熱控板、+Y側(cè)板、-Y側(cè)板、天線板組成。

圖1 某壁掛式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)組成

為提高結(jié)構(gòu)剛度并減輕重量，除天線板之外，其余結(jié)構(gòu)都設(shè)計(jì)為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板。+Y電池板、-Y電池板和-Z電池板為滿足太陽(yáng)電池片絕緣安裝要求，采用碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂面板鋁蜂窩芯子夾層結(jié)構(gòu)板。其余蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板均有導(dǎo)熱和變形匹配需求，設(shè)計(jì)為鋁面板鋁蜂窩芯子夾層結(jié)構(gòu)板。天線板采用結(jié)構(gòu)與載荷功能一體化設(shè)計(jì)。

為充分利用運(yùn)載火箭整流罩內(nèi)部空間，采用“一箭多星”發(fā)射的布局方案，衛(wèi)星具體數(shù)量可以根據(jù)整流罩和上面級(jí)結(jié)構(gòu)的具體尺寸以及任務(wù)需求進(jìn)行調(diào)整，圖2給出了其中一種“一箭八星”的布局方案示例。圖2中的X1向(即運(yùn)載火箭飛行方向)與圖1衛(wèi)星的Y方向平行。衛(wèi)星通過(guò)底板上的星箭接頭與運(yùn)載火箭上面級(jí)連接。

圖2 “一箭八星”布局

在衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程，安裝在底板的設(shè)備載荷直接傳遞到星箭接頭。其余設(shè)備載荷都通過(guò)+Y側(cè)板、-Y側(cè)板、熱控板和天線板傳遞到底板，最終傳遞到星箭接頭。

底板作為主傳力路徑上的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，同時(shí)提供與運(yùn)載火箭壁掛連接接口、整星大部分設(shè)備安裝接口和天線接口，其剛度對(duì)整星剛度起決定性的作用。因此，將底板設(shè)計(jì)為30 mm高的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板。因預(yù)埋熱管的需要，底板面板采用導(dǎo)熱性好的2A12材料，厚度為0.3 mm。蜂窩芯子采用5A02材料，蜂窩規(guī)格為邊長(zhǎng)3 mm、壁厚0.04 mm、高度29.4 mm。

底板上星箭接頭分布及底板補(bǔ)強(qiáng)狀態(tài)如圖3所示。底板內(nèi)設(shè)計(jì)2根星箭接頭預(yù)埋梁(材料為2A12)，每根梁的兩端各有1個(gè)角盒作為星箭接頭，通過(guò)4個(gè)星箭接頭實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與運(yùn)載火箭上面級(jí)的壁掛連接。結(jié)合整星設(shè)備布局和安裝需求，對(duì)底板上強(qiáng)度和剛度薄弱環(huán)節(jié)設(shè)置天線連接點(diǎn)過(guò)渡加強(qiáng)梁和填充發(fā)泡膠補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)后的狀態(tài)如圖3所示。

圖3 星箭接頭分布及底板補(bǔ)強(qiáng)狀態(tài)

在圖1所示坐標(biāo)系下，衛(wèi)星Y軸與運(yùn)載火箭縱軸平行，X軸沿著運(yùn)載火箭橫截面內(nèi)圓周切向(切點(diǎn)為衛(wèi)星坐標(biāo)系原點(diǎn))，Z軸沿著運(yùn)載火箭橫截面內(nèi)、衛(wèi)星坐標(biāo)系原點(diǎn)處的圓周徑向。

基于上述整星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀態(tài)，結(jié)合該小衛(wèi)星準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)載(見(jiàn)表1)和質(zhì)心位置，按照式(1)計(jì)算該壁掛式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的星箭接頭最大拉拔力Fh,max。式(1)中M為衛(wèi)星質(zhì)量，g為重力加速度，aX，aY，aZ分別為X向、Y向、Z向準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)載，Hh為質(zhì)心到星箭分離面的距離，DXh為星箭接頭X向間距，DYh為星箭接頭Y向間距。將M=120 kg、Hh=0.162 m、DXh=0.56 m、DYh=0.96 m代入式(1)，計(jì)算得到Fh,max如表1所示。

(1)

假設(shè)在整星構(gòu)型尺寸、質(zhì)量分布相同情況下，將壁掛式構(gòu)型的4個(gè)星箭連接調(diào)整到衛(wèi)星的-Y端(即運(yùn)載火箭發(fā)射方向的反方向)，得到底部連接衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。相當(dāng)于壁掛式構(gòu)型的星箭接頭分布在整星坐標(biāo)系的XOY平面，底部連接構(gòu)型的星箭接頭分布調(diào)整到整星坐標(biāo)系的ZOX平面。按照式(2)計(jì)算該假設(shè)底部連接衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的星箭接頭最大拉拔力Fb,max。式(2)中M，g，aX，aY，aZ的定義與式(1)中的相同，Hb為質(zhì)心到星箭分離面的距離，DXb為星箭接頭X向間距，DZb為星箭接頭Z向間距。將M=120 kg、Hb=0.944 m、DXb=0.56 m、DZb=0.82 m代入式(2)，計(jì)算得到Fb,max如表1所示。

表1 準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)載條件及星箭接頭承受的最大拉拔力

(2)

由表1可知，壁掛式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，星箭接頭承受最大拉拔力為1087.1 N，而底部連接式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，星箭接頭承受最大拉拔力為3365.0 N?？梢?jiàn)，壁掛式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)比底部連接式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，星箭接頭最大拉拔力減小了67.7%。

1.2 變截面設(shè)計(jì)

為了提高星內(nèi)設(shè)備安裝空間利用率，衛(wèi)星采用變截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。即將大尺寸設(shè)備放在截面尺寸大的部位，小尺寸設(shè)備放在截面尺寸小的部位，進(jìn)而能夠減少結(jié)構(gòu)板面積、減輕結(jié)構(gòu)重量。

如圖4(a)所示，衛(wèi)星關(guān)于ZOX基準(zhǔn)面對(duì)稱。從ZOX基準(zhǔn)面往+Y和-Y方向210 mm范圍內(nèi)的橫截面是圖4(c)所示的梯形，這部分空間用于儲(chǔ)箱、天線等設(shè)備的安裝和操作，這部分設(shè)備安裝空間利用率為100%。如圖4(b)、圖4(d)、圖4(e)所示，從ZOX基準(zhǔn)面往+Y和-Y方向210 mm范圍以外區(qū)域的橫截面是變高度的矩形，矩形高度隨著到ZOX基準(zhǔn)面的距離增大而減小，但橫截面寬度均為477 mm。圖4(f)給出了如果從ZOX基準(zhǔn)面往+Y和-Y方向210 mm范圍以外的區(qū)域橫截面是等高度的矩形的設(shè)計(jì)狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的剖視圖。圖4(e)、圖4(f)所示在ZOX基準(zhǔn)面往+Y和-Y方向210 mm范圍以外的區(qū)域有4組設(shè)備，這些設(shè)備(包括對(duì)應(yīng)的安裝操作空間)占用星內(nèi)體積均為寬度477 mm、高度可變的立方體。由此計(jì)算橫截面高度變化和不變兩種方案的星內(nèi)設(shè)備安裝空間利用率。計(jì)算結(jié)果如表2所示。單獨(dú)考慮+Y和-Y方向210 mm范圍以外的設(shè)備安裝空間利用率，橫截面沿高度方向變化的變截面設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的設(shè)備安裝空間利用率為74.2%，而橫截面沿高度方向不變的等截面設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的設(shè)備安裝空間利用率為49.1%。

圖4 變截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表2 變截面和等截面設(shè)計(jì)的星內(nèi)設(shè)備安裝空間利用率比較

1.3 主頻可調(diào)設(shè)計(jì)

為提高小衛(wèi)星對(duì)不同運(yùn)載火箭發(fā)射環(huán)境的適應(yīng)能力，就需要提升衛(wèi)星結(jié)構(gòu)對(duì)不同運(yùn)載火箭上面級(jí)的主頻適應(yīng)性，避免衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與上面級(jí)發(fā)生頻率耦合。采用衛(wèi)星結(jié)構(gòu)主頻可調(diào)設(shè)計(jì)是解決上述問(wèn)題最有效的措施。

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，底板星箭接頭附近的結(jié)構(gòu)對(duì)整星的主頻影響最大，通過(guò)調(diào)整底板支撐跨度來(lái)改變局部結(jié)構(gòu)剛度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整星主頻可調(diào)。在此基礎(chǔ)上確定整星結(jié)構(gòu)狀態(tài)，保證滿足某運(yùn)載火箭對(duì)該衛(wèi)星主頻要求：整星一階橫向(X向和Z向)主頻不低于20 Hz，一階縱向(Y向)主頻不低于25 Hz，各方向主頻避開(kāi)40 Hz且盡量避開(kāi)35 Hz～45 Hz區(qū)間。

整星X向振動(dòng)和Z向振動(dòng)可類比為兩端簡(jiǎn)支的梁橫向振動(dòng)[12]，兩端簡(jiǎn)支梁橫向振動(dòng)頻率f與跨度l成負(fù)相關(guān)，參見(jiàn)式(3)。式中E為梁所用材料的彈性模量、I為梁的慣性矩、m為梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的質(zhì)量。

(3)

圖5 通過(guò)可拆卸螺釘實(shí)現(xiàn)主頻可調(diào)

結(jié)構(gòu)主頻可調(diào)設(shè)計(jì)參見(jiàn)圖5。

圖5中，沿著Y向每個(gè)星箭接頭附近設(shè)置3個(gè)可拆卸連接螺釘，可拆卸螺釘全部或者部分拆除狀態(tài)對(duì)應(yīng)底板有不同的Y向支撐跨度L。因此，衛(wèi)星X向一階頻率fX、Z向一階頻率fZ與支撐跨度L成負(fù)相關(guān)。此外，支撐跨度L也通過(guò)影響支撐邊界剛度進(jìn)而影響衛(wèi)星Y向一階頻率fY，L越小支撐剛度越好、fY越大，因此fY也與L成負(fù)相關(guān)。

實(shí)際衛(wèi)星結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)復(fù)雜于簡(jiǎn)支梁，因此通過(guò)有限元方法獲取整星3個(gè)方向一階頻率fX，fY，fZ與L的關(guān)系：首先建立4種整星有限元模型分別模擬可拆卸螺釘?shù)?種安裝狀態(tài)(對(duì)應(yīng)圖5的 4種L數(shù)值)；然后對(duì)4種狀態(tài)的整星有限元模型，約束每個(gè)星箭接頭的6個(gè)自由度作為位移邊界，開(kāi)展模態(tài)分析，得到對(duì)應(yīng)的4組整星3個(gè)方向一階頻率fX，fY，fZ；最后參考文獻(xiàn)[13]進(jìn)行回歸分析，得到圖6所示的fX，fY，fZ與L的關(guān)系。圖6中的R2為可決系數(shù)，其計(jì)算過(guò)程詳見(jiàn)文獻(xiàn)[13]，R2的值越接近1表明擬合程度越好。

圖6 衛(wèi)星主頻與跨度的關(guān)系

拆卸對(duì)應(yīng)螺釘，得到L的范圍為0.471 m～0.960 m，對(duì)應(yīng)的fX，fY，fZ可調(diào)范圍分別為24.9～32.9 Hz、26.3～40.1 Hz、43.4～55.9 Hz，在不增加重量前提下實(shí)現(xiàn)了整星主頻可調(diào)。

針對(duì)本衛(wèi)星的主頻要求，確定L=0.771 m，對(duì)應(yīng)可拆卸連接螺釘裝配狀態(tài)為每個(gè)星箭接頭附近距離整星中心最近的2個(gè)可拆卸螺釘去除，對(duì)應(yīng)的整星X，Y，Z方向一階頻率分別為28.6 Hz、32.3 Hz、51.2 Hz。

2 壁掛式主頻可調(diào)變截面小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

2.1 分析驗(yàn)證

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，開(kāi)展了模態(tài)分析。根據(jù)上文，最終確定產(chǎn)品狀態(tài)為每個(gè)星箭接頭附近距離整星中心最近的2個(gè)可拆卸螺釘去除，對(duì)應(yīng)的模態(tài)分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明衛(wèi)星3個(gè)方向一階頻率均滿足該運(yùn)載火箭要求。

表3 整星模態(tài)分析結(jié)果

基于每個(gè)星箭接頭附近距離整星中心最近的2個(gè)可拆卸螺釘去除的整星有限元模型，約束每個(gè)星箭接頭的6個(gè)自由度作為位移邊界，分別施加表1的6個(gè)工況對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)載，開(kāi)展靜力分析。分析得到的主要結(jié)構(gòu)部件金屬材料的最大Von Mises應(yīng)力值如表4所示。可見(jiàn)，最大應(yīng)力172 MPa，屈服強(qiáng)度260 MPa，對(duì)應(yīng)的最小安全裕度為0.51，滿足金屬材料結(jié)構(gòu)安全裕度大于0的要求。分析得到電池板碳纖維面板最小安全裕度(Hoffman準(zhǔn)則)為21.9，如表5所示，滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)安全裕度大于0.25的要求。

2.2 地面試驗(yàn)驗(yàn)證

在分析驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，地面試驗(yàn)也驗(yàn)證了該衛(wèi)星結(jié)構(gòu)3個(gè)方向的剛度和強(qiáng)度滿足要求。

試驗(yàn)過(guò)程如下：衛(wèi)星的星箭接頭與工裝連接，并將工裝固定在振動(dòng)臺(tái)上，然后對(duì)每個(gè)方向都開(kāi)展特征級(jí)的正弦振動(dòng)試驗(yàn)、鑒定級(jí)正弦振動(dòng)試驗(yàn)和鑒定級(jí)隨機(jī)振動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，最后將采集的時(shí)域試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)傅立葉變換得到頻域試驗(yàn)結(jié)果。

表4 最大Von Mises應(yīng)力

表5 電池板碳纖維面板最小安全裕度(Hoffman準(zhǔn)則)

振動(dòng)試驗(yàn)獲取的X向、Y向、Z向一階頻率分別為27.5 Hz、32.2 Hz、51.7 Hz(對(duì)應(yīng)圖7中每個(gè)方向的第3次峰值頻率)，滿足運(yùn)載火箭要求。圖7還展示了該衛(wèi)星結(jié)構(gòu)經(jīng)受3個(gè)方向鑒定級(jí)正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)前后的特征級(jí)振動(dòng)響應(yīng)曲線對(duì)比情況，3次曲線吻合良好，證明結(jié)構(gòu)通過(guò)鑒定級(jí)地面力學(xué)試驗(yàn)的考核。

圖7 鑒定級(jí)試驗(yàn)前后特征級(jí)響應(yīng)曲線

2.3 飛行試驗(yàn)驗(yàn)證

2018年，本文所設(shè)計(jì)的壁掛式主頻可調(diào)變截面小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，經(jīng)受了“一箭六星”成功發(fā)射和在軌穩(wěn)定運(yùn)行的實(shí)際飛行試驗(yàn)考核，飛行試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新型壁掛式主頻可調(diào)變截面小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，并通過(guò)了地面試驗(yàn)驗(yàn)證及在軌飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)于“一箭多星”發(fā)射大小基本相同的小衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，采用壁掛式主頻可調(diào)變截面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，具有以下優(yōu)勢(shì)：

1)主傳力路徑上連接剛度的可調(diào)設(shè)計(jì)提升了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)對(duì)不同運(yùn)載火箭上面級(jí)的主頻適應(yīng)性，還可降低新研衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與上面級(jí)發(fā)生頻率耦合的風(fēng)險(xiǎn)。本文針對(duì)整星重120 kg衛(wèi)星設(shè)計(jì)的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了整星X、Y、Z方向一階頻率可調(diào)范圍分別為24.9～32.9 Hz、26.3～40.1 Hz和43.4～55.9 Hz。

2)相對(duì)于底部連接方式，壁掛式結(jié)構(gòu)可降低星箭連接界面的載荷，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的承載可靠性。本文針對(duì)整星重120 kg衛(wèi)星設(shè)計(jì)的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，采用壁掛式結(jié)構(gòu)能減小星箭連接界面載荷約67.7%。

3)沿運(yùn)載火箭軸線方向采用橫截面大小可變的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)等截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，星內(nèi)設(shè)備安裝空間的利用率能大幅提升，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)重量。本文針對(duì)整星重120 kg衛(wèi)星設(shè)計(jì)的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，星內(nèi)設(shè)備安裝空間的利用率由等截面衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的49.1%提高到74.2%。

4)上述壁掛式主頻可調(diào)變截面小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，也適用于一般的“一箭多星”發(fā)射大小基本相同的小衛(wèi)星，只是具體的數(shù)值會(huì)依據(jù)實(shí)際衛(wèi)星差異有相應(yīng)的變化。