陳夜 彭海闊 孔祥森 張如變 趙發(fā)剛（上海衛(wèi)星工程研究所）

隨著軍用、民用領(lǐng)域?qū)πl(wèi)星功能、性能需求的不斷提高，現(xiàn)代衛(wèi)星對(duì)結(jié)構(gòu)的精度、集成度與輕量化提出了更高的要求。通過梳理近期國內(nèi)外航天領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃，調(diào)研國內(nèi)外衛(wèi)星結(jié)構(gòu)技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高精度、高集成度與輕量化方面的進(jìn)展，對(duì)比國內(nèi)外技術(shù)狀況，分析國內(nèi)在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)精度主動(dòng)控制技術(shù)、多領(lǐng)域集成設(shè)計(jì)技術(shù)、小型結(jié)構(gòu)平臺(tái)技術(shù)等方面的不足，為提高相關(guān)技術(shù)能力，比肩國際先進(jìn)水平，提出技術(shù)發(fā)展著力點(diǎn)。

1 引言

近年來，國內(nèi)外衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。2018－2020年，全球衛(wèi)星發(fā)射次數(shù)連續(xù)三年破百，發(fā)射航天器數(shù)量屢創(chuàng)新高。其中，以“光學(xué)空間組件”（CSO）系列為代表的高分辨率對(duì)地觀測衛(wèi)星和以“星鏈”（Starlink）為代表的小衛(wèi)星星座約占發(fā)射數(shù)量的70%。高分辨率、多功能的衛(wèi)星與小型化、集成化的小衛(wèi)星星座是國內(nèi)外現(xiàn)代衛(wèi)星的重要發(fā)展方向。高分辨率衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)提出高精度的要求，以保證衛(wèi)星有效載荷的在軌工作；小衛(wèi)星的蓬勃發(fā)展則對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)提出了輕量化、高集成度、通用化的要求，以適應(yīng)未來高密度、批量化的發(fā)射任務(wù)。

2 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展背景

隨著人類探索的太空腳步不斷深入，各航天大國相繼提出了航天發(fā)展規(guī)劃。2018年10月，美國公布了《國家太空探索活動(dòng)報(bào)告》，提出了重返月球、登陸火星等探索計(jì)劃。日本于2020年6月修訂《宇宙基本計(jì)劃》，提出了建立小衛(wèi)星星座、探測并追蹤彈道導(dǎo)彈的方針，并計(jì)劃到21世紀(jì)30年代初將航天工業(yè)的規(guī)模增加一倍。我國2006年發(fā)布的《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》將高分專項(xiàng)工程列為國家重大科技專項(xiàng)，自2013年發(fā)射高分一號(hào)衛(wèi)星開始，已成功發(fā)射了多型高分辨率遙感衛(wèi)星；在2019年發(fā)布的《衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)白皮書》中，提出組建通信小衛(wèi)星低軌星座的計(jì)劃，配合打造天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)。高分辨率對(duì)地觀測、深空探測以及小衛(wèi)星星座將是未來國內(nèi)外航天技術(shù)發(fā)展的重要方向。

對(duì)高分辨率對(duì)地觀測衛(wèi)星而言，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)在軌的微變形將降低其成像質(zhì)量，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的型面精度、指向精度是保證對(duì)地觀測精度的關(guān)鍵因素。月球、火星等探測任務(wù)需要高穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)平臺(tái)，在太空復(fù)雜交變的溫度環(huán)境下，結(jié)構(gòu)應(yīng)具備足夠的精度保持能力。

小衛(wèi)星研制任務(wù)快速響應(yīng)、短周期的特點(diǎn)要求衛(wèi)星結(jié)構(gòu)具備高集成度、高通用性，以提高研制效率，快速適應(yīng)不同載荷的需求。隨著“一箭多星”發(fā)射方式的推廣，輕量化、小型化的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)是提高火箭空間利用率、節(jié)約發(fā)射成本的關(guān)鍵。

3 國外相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展

高精度衛(wèi)星結(jié)構(gòu)技術(shù)

高精度衛(wèi)星結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在空間環(huán)境下，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)型面精度、指向精度的保持能力。

美國在高精度衛(wèi)星結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先水平。自20世紀(jì)90年代起，美國一直推廣低變形碳纖維復(fù)合材料在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用。以“哈勃空間望遠(yuǎn)鏡”（HST）、“世界觀測”（World View）系列遙感衛(wèi)星為例，以一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選用低膨脹材料等措施保證結(jié)構(gòu)的精度，材料的熱膨脹系數(shù)較鋁合金、鎂合金等金屬材料低一個(gè)數(shù)量級(jí)。步入21世紀(jì)，為進(jìn)一步提高衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的在軌精度保持能力，美國開展了在軌變形主動(dòng)控制技術(shù)研究。美國國家航空航天局（NASA）研制的“詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”（JWST）主鏡口徑為6.6m，由18塊六邊形子模塊組成，每個(gè)子模塊上均有一個(gè)六腳作動(dòng)器與曲率調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在-220℃的低溫環(huán)境下，主鏡型面精度可保持在183nm，達(dá)到世界頂尖水平。

“詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”結(jié)構(gòu)

俄羅斯光譜－M（Millimetron）紅外望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)于2030年前后發(fā)射，用以探測行星系統(tǒng)的演變等天體物理學(xué)現(xiàn)象。望遠(yuǎn)鏡主鏡口徑為10m，鏡面材料為復(fù)合材料，通過型面精度主動(dòng)作動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)，主鏡的目標(biāo)型面精度為10μm。目前，該項(xiàng)目已突破總裝集成、型面作動(dòng)調(diào)節(jié)、基于激光光束與光電子的結(jié)構(gòu)位形測量等關(guān)鍵技術(shù)。

日本“先進(jìn)陸地觀測衛(wèi)星”（ALOS）系列通過精準(zhǔn)的熱控措施與一體化星敏支架設(shè)計(jì)，星敏指向的熱穩(wěn)定性達(dá)到0.25″。該型衛(wèi)星還采用碳化硅材料作為載荷的基板，在保持良好導(dǎo)熱率的同時(shí)，熱膨脹率僅為2.2×10/℃。在大尺寸可展開結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）先后研制了構(gòu)架式天線與大型反射面結(jié)構(gòu)。其中一種用于30m口徑大型天線的反射面結(jié)構(gòu)，反射面背面采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的徑向肋支撐，型面精度可達(dá)3mm；

俄羅斯光譜－M紅外望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)

高集成度、通用性衛(wèi)星結(jié)構(gòu)技術(shù)

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的高集成度、通用性設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在擴(kuò)大載荷安裝空間，構(gòu)型布局優(yōu)化，接口標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化等方面，以適應(yīng)批量化的研制任務(wù)，降低研制周期與成本。

美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“星鏈”計(jì)劃預(yù)計(jì)到2024年完成約1.2萬顆“星鏈”衛(wèi)星的發(fā)射，并已于2019年完成首批60顆衛(wèi)星發(fā)射。衛(wèi)星打破了傳統(tǒng)的箱式構(gòu)型，采用獨(dú)特的平板式構(gòu)型以減少外包絡(luò)尺寸與質(zhì)量，上面集成了豐富的機(jī)、電、熱接口。通過星箭一體化設(shè)計(jì)，可最大限度利用整流罩的包絡(luò)。

除美國外，歐洲航天局（ESA）的“小型地球靜止軌道”（SGEO）衛(wèi)星公用平臺(tái)—LUXOR平臺(tái)，通過模塊化設(shè)計(jì)降低系統(tǒng)復(fù)雜性，稍作適應(yīng)性修改即可滿足不同用戶需求，可支持有效載荷質(zhì)量在300kg以下的地球靜止軌道通信衛(wèi)星；俄羅斯的“集成空間系統(tǒng)”（EKS）導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星于2015年首發(fā)，衛(wèi)星采用約1.2t的“通用衛(wèi)星平臺(tái)”（GSP），其推進(jìn)艙采用多種配置聯(lián)合技術(shù)，適用于電推進(jìn)、液體推進(jìn)與氣體推進(jìn)等多種推進(jìn)方式，載荷艙配置有兩種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模式，可適應(yīng)不同的有效載荷搭載需求，提升衛(wèi)星平臺(tái)的使用性能。

輕量化衛(wèi)星結(jié)構(gòu)技術(shù)

結(jié)構(gòu)輕量化是衛(wèi)星工程中一直追求的目標(biāo)。在技術(shù)不斷進(jìn)步的背景下，新材料、新結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。

美國“詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”主鏡采用輕質(zhì)、高強(qiáng)度的鈹合金材料，口徑約1.3m的單個(gè)六邊形鏡片質(zhì)量僅為21kg。俄羅斯將格柵狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用于柱形、錐形承力筒，發(fā)揮了復(fù)合材料各向異性的優(yōu)勢。

除了材料級(jí)與零部件級(jí)的輕量化設(shè)計(jì)，日本正推進(jìn)合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星平臺(tái)的小型化。日本合成視角公司（Synspective）著力研制100kg的小型SAR衛(wèi)星星座“長耳鷹”（Strix）系列，其衛(wèi)星分辨率約1～3m，搭載SAR載荷的小型衛(wèi)星平臺(tái)采用了微機(jī)械、微電子和輕型材料的設(shè)計(jì)思路，相比于傳統(tǒng)質(zhì)量1000kg以上的SAR衛(wèi)星，具備顯著的輕量化優(yōu)勢，可使用小型運(yùn)載火箭發(fā)射。

日本小型SAR衛(wèi)星構(gòu)型

4 國內(nèi)相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展

高精度衛(wèi)星結(jié)構(gòu)技術(shù)

在高精度衛(wèi)星結(jié)構(gòu)方面，碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已普遍應(yīng)用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，通過碳纖維鋪層的“零膨脹”設(shè)計(jì)，碳纖維桁架結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)可達(dá)0.2×10/℃左右。高分七號(hào)衛(wèi)星設(shè)計(jì)了一體化碳纖維載荷支架，載荷安裝面的指向角度熱穩(wěn)定性達(dá)到亞角秒級(jí)。

一體化碳纖維支架

對(duì)于大尺寸、可展開的高精度衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，國內(nèi)研究起步較晚，相關(guān)成果主要處于方案研究或地面樣機(jī)研制階段，比如哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出了1.5m口徑的折疊式反射面結(jié)構(gòu)樣機(jī)，其形面精度達(dá)到0.2mm;南京航空航天大學(xué)分析了一種尺寸為11m×10m的拋物柱面可展開結(jié)構(gòu)，通過采用低膨脹材料，熱載荷對(duì)結(jié)構(gòu)型面精度的影響不足1mm。

折疊式反射面結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)微變形測量與控制技術(shù)領(lǐng)域，上海衛(wèi)星工程研究所李奇等開展了星載固面天線結(jié)構(gòu)的熱變形地面測試與仿真驗(yàn)證，提出熱變形試驗(yàn)與仿真一體化分析驗(yàn)證方法，對(duì)口徑5m×3m的天線結(jié)構(gòu)型面精度測量誤差優(yōu)于40μm；上海航天技術(shù)研究院董瑤海等提出了一種基于多點(diǎn)位移調(diào)節(jié)的微波天線在軌型面主動(dòng)調(diào)節(jié)方法，型面精度控制目標(biāo)達(dá)到30μm/m。

高集成度、通用性衛(wèi)星結(jié)構(gòu)技術(shù)

通過布局優(yōu)化、集成化設(shè)計(jì)等方式，小衛(wèi)星的集成度較傳統(tǒng)的大衛(wèi)星有大幅提高。國內(nèi)科研院所、高校、商業(yè)衛(wèi)星公司均具備成熟的研制經(jīng)驗(yàn)，已部分實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星機(jī)熱集成設(shè)計(jì)與制造。南京理工大學(xué)使用高模量、低熱膨脹系數(shù)的碳纖維復(fù)合材料代替金屬材料，在衛(wèi)星布局設(shè)計(jì)中考慮傳熱要求，采用機(jī)熱一體化設(shè)計(jì)思路，具備模塊化、開敞性的特點(diǎn)。蘭州空間技術(shù)物理研究所、上?？臻g推進(jìn)研究所開展了微推進(jìn)系統(tǒng)研究，以場致發(fā)射電推進(jìn)為代表的微型推進(jìn)系統(tǒng)可集成到小衛(wèi)星上，用于小衛(wèi)星的軌道調(diào)整。

在加強(qiáng)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)通用性方面，北京衛(wèi)星制造廠有限公司通過模塊化設(shè)計(jì)小型衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)，預(yù)先制作標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化單元，通過剪裁、拼接標(biāo)準(zhǔn)化的模塊單元迅速適應(yīng)載荷需要，節(jié)約了平臺(tái)結(jié)構(gòu)研制周期，并通過某光學(xué)成像小衛(wèi)星平臺(tái)的研制得到了驗(yàn)證。

相比于美國、歐洲等國家的最新技術(shù)，國內(nèi)衛(wèi)星的集成度尚有待進(jìn)一步提高，對(duì)機(jī)、電、熱多領(lǐng)域的一體化集成設(shè)計(jì)尚處于研究階段。

輕量化衛(wèi)星結(jié)構(gòu)技術(shù)

在輕量化結(jié)構(gòu)方面，輕質(zhì)復(fù)合材料、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)衛(wèi)星。近年來，國內(nèi)高校又相繼提出了點(diǎn)陣式、格柵式等新形式的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。

復(fù)合材料點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展了碳纖維三維格柵結(jié)構(gòu)、金字塔點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)型點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)金字塔點(diǎn)陣曲面殼的研制與力學(xué)性能的研究工作。碳纖維復(fù)合材料格柵結(jié)構(gòu)和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)兼具輕量化和多功能化特點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的輕量化、高強(qiáng)度設(shè)計(jì)有重要應(yīng)用價(jià)值。

國防科技大學(xué)提出了一種多層格柵承力筒，格柵承力筒內(nèi)外結(jié)構(gòu)通透，輕量化優(yōu)勢顯著，是下一代承力筒結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向，相比于蜂窩夾層殼承力筒，質(zhì)量預(yù)計(jì)減輕20%左右。

多層格柵承力筒

5 國內(nèi)外技術(shù)狀況對(duì)比

對(duì)比國內(nèi)外衛(wèi)星結(jié)構(gòu)在高精度、高穩(wěn)定、集成化、輕量化等方面的研究成果，不難發(fā)現(xiàn)：

1）高精度、高穩(wěn)定結(jié)構(gòu)方面。國內(nèi)外均已普遍采用低變形的碳纖維材料，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件的熱穩(wěn)定性能相當(dāng)。但通過主動(dòng)調(diào)節(jié)與控制，國外以“詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”為代表的結(jié)構(gòu)精度保持能力達(dá)到了亞微米級(jí)的超高水平，國內(nèi)的技術(shù)指標(biāo)為幾十微米級(jí)，且多處于理論與樣機(jī)研制階段，尚存在一定差距。

2）在高集成度結(jié)構(gòu)方面。以美國的“星鏈”、歐洲的LUXOR為代表的高集成度、通用性衛(wèi)星平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)、電、熱等多領(lǐng)域集成設(shè)計(jì)技術(shù)，具有低成本、快速響應(yīng)的優(yōu)勢。國內(nèi)目前實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星的機(jī)、熱集成化設(shè)計(jì)，小衛(wèi)星領(lǐng)域以立方星的箱式構(gòu)型為主，結(jié)構(gòu)的集成度有待進(jìn)一步提高。

3）在輕量化結(jié)構(gòu)方面。國內(nèi)積極推廣新材料、新形式結(jié)構(gòu)在衛(wèi)星上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了良好的減重效果。而國外在實(shí)現(xiàn)零部件輕量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還借助微機(jī)械、微電子技術(shù)積極推進(jìn)整個(gè)結(jié)構(gòu)平臺(tái)的小型化，具有更顯著的輕量化優(yōu)勢。

6 結(jié)束語

綜合國內(nèi)外在高精度、高集成度與輕量化衛(wèi)星結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)狀況，國內(nèi)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)在主動(dòng)調(diào)節(jié)與控制技術(shù)、多領(lǐng)域集成設(shè)計(jì)技術(shù)、小型結(jié)構(gòu)平臺(tái)等方面還存在一定差距。

展望未來，對(duì)標(biāo)國際先進(jìn)水平，國內(nèi)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展有以下著力點(diǎn)：①為提高結(jié)構(gòu)精度主動(dòng)調(diào)節(jié)與控制能力，開展高精度在軌變形測量、精密作動(dòng)調(diào)節(jié)等相關(guān)技術(shù)的研究；②為打造高集成度的衛(wèi)星平臺(tái)，需要突破衛(wèi)星機(jī)、電、熱一體化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，推進(jìn)接口標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化；③為推進(jìn)結(jié)構(gòu)輕量化，一方面要強(qiáng)化基于新材料、3D打印技術(shù)的結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)，另一方面還要推動(dòng)基于微電子、微機(jī)械技術(shù)的小型衛(wèi)星平臺(tái)研發(fā)。