李超 侯穎輝 劉峰 曹偉 馬赫

（航天科工空間工程發(fā)展有限公司， 北京， 100854）

隨著航天產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展， 低軌通信衛(wèi)星成為國際互聯(lián)網(wǎng)領域的新興地帶。 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為衛(wèi)星通信技術與互聯(lián)網(wǎng)相融合的新型通信網(wǎng)絡， 利用低軌衛(wèi)星為地面、 海上、 空中等各類用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務， 成為重塑國家經(jīng)濟、 政治、 軍事、 文化新格局的重要力量。 近兩年， 全球低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展呈現(xiàn)加速態(tài)勢， 以SpaceX、 OneWeb 為代表的國外衛(wèi)星研制企業(yè)紛紛發(fā)布低軌通信衛(wèi)星星座計劃， SpaceX 的“Starlink” 星座包含 41927 顆衛(wèi)星， OneWeb 衛(wèi)星星座包含4.8 萬顆衛(wèi)星。

星座系統(tǒng)一般要求在很短的時間內在軌道上布置大量同樣的衛(wèi)星， 伴隨互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座批量發(fā)射和快速部署的新需求， 衛(wèi)星生產(chǎn)模式已由單件定制、 小批量試制， 轉變?yōu)榕炕?定制化生產(chǎn)模式。 為適應以衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)工程為代表的低軌星座生產(chǎn)與應用任務需求， 國內外航天企業(yè)相繼開展了小衛(wèi)星批量化生產(chǎn)線的建設， 目前國內外均已具備一定的小衛(wèi)星批量化生產(chǎn)能力。

隨著小衛(wèi)星的新型研制生產(chǎn)AIT （總裝集成測試） 產(chǎn)線的投入使用， 傳統(tǒng)衛(wèi)星設計已難以適應衛(wèi)星的批量化快速生產(chǎn)需要， 需持續(xù)開展批量化生產(chǎn)小衛(wèi)星設計標準研究。 依據(jù) “可生產(chǎn)性”設計， 確保制造階段能夠滿足易操作、 易維修、易組裝和集成、 易測試的要求， 推動產(chǎn)品集成化、 標準化、 模塊化， 建立系統(tǒng)等多層次型譜，實現(xiàn)衛(wèi)星批量化生產(chǎn)， 滿足衛(wèi)星星座部署需求。

1 小衛(wèi)星批量生產(chǎn)面臨的主要問題

從小衛(wèi)星生產(chǎn)的未來發(fā)展方向看， 小衛(wèi)星自動化、 批量化生產(chǎn)是主要的發(fā)展趨勢， 通過建立小衛(wèi)星自動化生產(chǎn)線， 采用自動化、 智能化設備及生產(chǎn)線管控系統(tǒng)， 實現(xiàn)衛(wèi)星批量化生產(chǎn)。 但是， 受衛(wèi)星傳統(tǒng)研制模式的影響， 現(xiàn)有衛(wèi)星的設計與生產(chǎn)線的適配程度還處于較低的水平， 導致小衛(wèi)星批量生產(chǎn)面臨以下問題。

1.1 生產(chǎn)效率降低

小衛(wèi)星具有裝配零件多、 裝配空間狹小等特點， 多數(shù)星載設備外形并不規(guī)則， 無法進行夾取或吸附， 零部件自動化裝配難度大， 批量化生產(chǎn)后仍然存在人機協(xié)同的工序， 且人機交互頻繁， 導致自動化設備運行不連續(xù)， 從而降低了生產(chǎn)效率。

1.2 生產(chǎn)工藝難度大

小衛(wèi)星批量化生產(chǎn)， 主要采用以機器人為主的自動化設備進行裝配， 但是目前小衛(wèi)星設計的集成化程度較低， 很多工序如異形設備、 平墊、彈墊的安裝等工序很難由機器人完成， 因此采用自動化裝配后， 需要額外進行工藝工裝的設計與調試， 增加了產(chǎn)品裝配的工藝難度。

1.3 生產(chǎn)成本增加

小衛(wèi)星星載設備外形各異， 且裝配精度要求高， 采用以機器人為主的自動化設備進行衛(wèi)星裝配時， 需要配備多種設備夾持機構和定位工裝，將額外增加夾持機構及定位工裝設計及調試工作， 增加衛(wèi)星生產(chǎn)成本。

綜上， 小衛(wèi)星進行批量生產(chǎn)后， 需要對傳統(tǒng)的、 以人工裝配為主的衛(wèi)星設計方法進行研究優(yōu)化， 形成面向批量生產(chǎn)的小衛(wèi)星設計方法及標準， 進而提升小衛(wèi)星批生產(chǎn)效率， 降低生產(chǎn)成本， 為小衛(wèi)星星座快速部署奠定基礎。

2 國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

在航空航天領域， 以美國、 歐洲為代表的西方發(fā)達國家具有一定技術優(yōu)勢。 NASA、 ESA 等航天組織機構在航天器技術研發(fā)、 項目管理方面具有先進的水平。 以SpaceX、 OneWeb 等為代表的企業(yè)在航天器快速研制、 批量制造以及生產(chǎn)管理等方面有著豐富的經(jīng)驗和先進的技術水平。 這些國外先進宇航企業(yè)廣泛應用自動化生產(chǎn)技術，大幅提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量， 實現(xiàn)了不同類型衛(wèi)星的快速批量化生產(chǎn)[1]。

國外低軌衛(wèi)星星座建設步伐領先于國內， 批量化自動衛(wèi)星生產(chǎn)線已經(jīng)進入到實際生產(chǎn)應用階段，從衛(wèi)星設計、 AIT 流程等方面進行了較大的革新，運用模塊化設計、 大數(shù)據(jù)分析、 自動裝配檢測和自動測試等技術， 提高衛(wèi)星產(chǎn)能和質量， 降低生產(chǎn)成本， 目前已經(jīng)具備了批量生產(chǎn)衛(wèi)星的能力。

SpaceX 小衛(wèi)星采用平板式設計， 降低了衛(wèi)星總裝集成難度， 已經(jīng)實現(xiàn)衛(wèi)星流水線生產(chǎn)。 據(jù)公開報道， SpaceX 小衛(wèi)星生產(chǎn)能力約為每月120顆， 單顆衛(wèi)星制造成本低于50 萬美元。

OneWeb 公司開創(chuàng)了利用自動生產(chǎn)、 組裝流水線進行大規(guī)模、 低成本衛(wèi)星生產(chǎn)的全球先例，在衛(wèi)星設計階段充分貫徹面向制造的設計理念，進行大規(guī)模模塊化設計， 各模塊間結構耦合程度低。 對于特殊設備， 將接插件預埋至衛(wèi)星結構的夾層板內， 通過這些插入件將儀器、 傳感器等設備牢固附接到衛(wèi)星結構上， 降低衛(wèi)星在總裝集成環(huán)節(jié)的工作復雜程度， 大大簡化裝配操作， 有利于總裝集成環(huán)節(jié)的自動化。 OneWeb 公司衛(wèi)星生產(chǎn)線具備每天生產(chǎn)2 顆～4 顆衛(wèi)星的能力， 單顆衛(wèi)星的造價低于100 萬美元。

泰雷茲公司設計制造的 “下一代銥星” 采用模塊化設計思路， 通過標準化接口實現(xiàn)不同載荷模塊的選配， 達到降低研制難度的目的。 為實現(xiàn)低成本和快速生產(chǎn)， 采取了面向生產(chǎn)的設計， 所有衛(wèi)星上線時狀態(tài)完全一致， 各單機或模塊裝配簡單、 可達性好， 充分發(fā)揮自動化生產(chǎn)線的優(yōu)勢。

國內以航天科工集團、 航天科技集團、 吉利集團為代表的多家單位開展了衛(wèi)星批量化生產(chǎn)線建設， 但針對批量化生產(chǎn)的小衛(wèi)星設計尚處于起步論證和研究階段。 國內其他行業(yè)在適應裝配的設計[2-4]， 適應自動化設計[5-6]， 智能化生產(chǎn)設計[7-8]等方面已有一定的研究。 但是， 受衛(wèi)星傳統(tǒng)研制模式影響， 小衛(wèi)星設計主要以面向人工生產(chǎn)的方式為主， 未充分考慮批量化生產(chǎn)適配性。

3 適應批量生產(chǎn)的小衛(wèi)星設計標準研究

針對目前小衛(wèi)星設計與批量自動化生產(chǎn)線適配性差的問題， 開展小衛(wèi)星總體構型設計、 星載設備結構設計、 總裝設計、 集成化設計、 標識設計等方面的設計研究[9-10]， 并依托航天科工集團小衛(wèi)星智能生產(chǎn)線， 驗證相關設計的可行性。 結果表明， 采用適應批量生產(chǎn)的小衛(wèi)星設計， 結合小衛(wèi)星智能生產(chǎn)線進行生產(chǎn)， 小衛(wèi)星生產(chǎn)效率提升75%以上。

3.1 總體構型設計

在衛(wèi)星構型布局設計中， 采用模塊化設計思路， 采用 “框架+艙板” 式或 “箱板” 式的衛(wèi)星構型布局方案， 各個艙板分別安裝不同模塊的星上設備， 便于衛(wèi)星批量化生產(chǎn)過程中各個艙板并行總裝， 最后在總裝工位統(tǒng)一集成為整星。

此外， 衛(wèi)星構型布局設計中還可以采取分艙段設計， 如劃分為推進艙、 平臺艙、 載荷艙等多艙段模塊， 并與 “框架+艙板” 設計相結合。 典型 “框架+艙板” 衛(wèi)星構型布局設計方案如圖1所示。

主框架上設置與總裝工裝的對接接口結構，便于主結構與總裝工裝對接。 可采用螺釘+定位銷的方式實現(xiàn)工裝與主框架的定位與固定。 艙板上設置工藝定位孔， 用于與工裝定位。 衛(wèi)星、 主框架與艙板等大型結構件提供吊裝孔， 用于產(chǎn)品吊裝。

3.2 星載設備結構設計

星載設備設計時， 設備上應有供機器人夾持的結構特征， 可采用平面夾持或卡扣式夾持， 若夾持區(qū)域為平面， 則夾持區(qū)域尺寸不小于設備夾爪尺寸， 且夾持區(qū)域能夠承受一定的夾持力。 若夾持區(qū)域設計為卡扣式， 則卡扣處設計應便于夾持， 且能夠承受設備重力。 卡扣式夾持位置如圖2所示。

采用支架安裝的設備， 設備支架與單機采用一體化設計， 便于設備安裝。 單機機械安裝孔孔內顏色應與孔口平面顏色有明顯色差， 方便采用視覺輔助定位。

3.3 總裝設計

衛(wèi)星艙板之間的線纜插接， 應將線纜接插件接頭設計在艙板的邊緣， 并靠近艙板拐角處， 便于線纜插接， 位置示意如圖3 所示。 艙板對合時， 要留有電纜連接與安裝空間， 并預留電纜長度。 最后對合的艙板建議選取設備最少的艙板，盡量減少整星合艙時的電纜連接操作。

艙板上設備安裝時， 各設備間留有設備安裝間距， 用于末端執(zhí)行器夾持與釋放。

3.4 集成化設計

衛(wèi)星設計過程中， 充分考慮集成化設計， 通過功能合并、 功能替代等方式， 將多個設備的通用功能進行整合， 進而將多個設備集成為一個設備， 降低整星所需單機產(chǎn)品的種類與數(shù)量， 降低系統(tǒng)復雜度。

衛(wèi)星總體與分系統(tǒng)設計時， 打破原有設計關系， 將總體設計與分系統(tǒng)產(chǎn)品設計緊密結合， 形成整體最優(yōu)。 例如， 隔熱墊與設備等集成設計，將隔熱墊固定到設備上； 星載設備安裝支架與設備聯(lián)合設計， 作為整體交付， 總裝現(xiàn)場無需二次安裝。

單機設備設計時， 將單個設備的多個電氣接口集成為單個電氣接口， 以減少星上電纜數(shù)量，簡化板間設備的電纜連接方式。 將熱控產(chǎn)品電氣接口與設備自身電氣接口集成化設計， 將熱敏電阻、 加熱回路等設備上熱控器件的電氣接口集成到設備自身電氣接口上， 簡化整星AIT 操作。

當需要采用螺釘緊固、 平墊、 彈墊防松時，優(yōu)先采用平彈墊一體的螺釘組合； 螺釘規(guī)格盡量統(tǒng)一， 減少同一塊艙板上螺釘?shù)囊?guī)格種類。

3.5 標識設計

衛(wèi)星及設備設計時， 在設備本體上和產(chǎn)品質量文件上， 采用包含二維碼的產(chǎn)品標識進行物品標識， 便于自動化生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的自動化流轉與識別， 產(chǎn)品標識示意如圖4 所示， 當產(chǎn)品尺寸較小時， 可以在產(chǎn)品表面只制作產(chǎn)品標識中的二維碼。

4 結論

本文以批量生產(chǎn)的小衛(wèi)星為研究對象， 針對批量化生產(chǎn)小衛(wèi)星應用需求， 從設計源頭出發(fā)，開展適應批量化生產(chǎn)的小衛(wèi)星設計標準研究， 闡述了目前小衛(wèi)星批量生產(chǎn)面臨的主要問題， 從小衛(wèi)星總體構型設計、 星載設備結構設計、 總裝設計、 集成化設計、 標識設計等方面， 提出了若干適應批量化生產(chǎn)的小衛(wèi)星設計方法并進行了驗證， 以指導批量化生產(chǎn)小衛(wèi)星設計， 解決目前小衛(wèi)星設計與批量化生產(chǎn)線適配性差的問題， 提升小衛(wèi)星生產(chǎn)效率， 為小衛(wèi)星批量化生產(chǎn)奠定基礎， 也可為其他面向批量化生產(chǎn)的航天產(chǎn)品設計提供借鑒。