姚瑞娟，郭 雷，曹景樂，楊熙璇，尹蓮花

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引言

多星適配器在一箭多星發(fā)射任務(wù)中起到非常關(guān)鍵的作用，其設(shè)計的合理性是每顆衛(wèi)星承載特性、剛度特性、分離安全性和布局合理性等各項關(guān)鍵指標(biāo)的保障。隨著中國一箭多星發(fā)射技術(shù)的發(fā)展，多樣化的多星發(fā)射需求也越來越旺盛，多星發(fā)射任務(wù)中衛(wèi)星的大小、質(zhì)量以及任務(wù)目標(biāo)特點的不同，對多星分配器的設(shè)計也提出了不同的設(shè)計需求。本文對并聯(lián)式和串聯(lián)式典型分配器結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、設(shè)計要素等進行分析，為中國多星發(fā)射任務(wù)箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供設(shè)計思路。

1 并聯(lián)布局下的典型分配器結(jié)構(gòu)

1.1 并聯(lián)式多星分配器

針對長征二號丙一箭三星并聯(lián)布局（見圖1）［1］，王淑范等［2］通過拓?fù)鋬?yōu)化、有限元仿真、試驗驗證等各項有效措施提出了變截面、高剛度的并聯(lián)式三星分配器結(jié)構(gòu)（見圖2），為一箭三星適配器提供了設(shè)計方案。

圖1 并聯(lián)式一箭三星布局Fig.1 Layout of one vehicle with triple-satellites in parallel

圖2 并聯(lián)式一箭三星分配器結(jié)構(gòu)Fig.2 Distributor structure of one vehicle with triple-satellites in parallel

長征二號丙運載火箭上面級的雙星分配器也采用了梁式結(jié)構(gòu)（見圖3）。多星并聯(lián)式布局由于整流罩空間的限制會對衛(wèi)星的尺寸包絡(luò)有明顯約束，以確保飛行過程中的各項間隙數(shù)據(jù)滿足動態(tài)要求，同時分離時一般需要考慮一定的安裝角，確保分離過程的安全。

并聯(lián)式多星分配器的設(shè)計除了考慮空間約束外，還需進行合理的傳力設(shè)計，一般來說并聯(lián)布局不可避免地會帶來衛(wèi)星質(zhì)心與火箭箭軸不重合的問題，因此除了結(jié)構(gòu)強度和連接強度，還需特別注意分配器的剛度設(shè)計，從而保證結(jié)構(gòu)的軸向、橫向和扭轉(zhuǎn)剛度均能滿足要求，避免引發(fā)頻率耦合問題。

1.2 “主星任務(wù)+并聯(lián)式搭載星”布局

搭載星發(fā)射任務(wù)一般利用火箭的運載余力實施搭載設(shè)計。搭載星任務(wù)的實施不應(yīng)該影響主星任務(wù)的發(fā)射。此類型分配器的搭載星適配結(jié)構(gòu)一般與主任務(wù)的有效載荷支架或過渡支架結(jié)構(gòu)集成設(shè)計。

1.2.1 平臺式一箭多星分配器

長征二號丙運載火箭中用到的一箭多星適配器采用平臺式設(shè)計方案（見圖4），安裝平臺采用“三角撐+高剛度蜂窩”的連接方式在過渡支架結(jié)構(gòu)中實施，搭載星的接口采用三點式低沖擊連接，搭載星安裝接口一般設(shè)計為通用接口便于實現(xiàn)快速搭載發(fā)射。發(fā)射任務(wù)中一般主星任務(wù)先實現(xiàn)分離，確定分離安全后搭載星再完成分離。分配器中平臺的大小和面積可靈活設(shè)置，既可充分發(fā)揮運載能力，又不會對主星任務(wù)帶來影響，具有很好的經(jīng)濟性。平臺式設(shè)計方案中需充分考慮主星支撐結(jié)構(gòu)的剛度以及三角撐平行安裝可能帶來的扭轉(zhuǎn)剛度問題，必要時需要開展充分的分析和試驗驗證。

圖4 主星+平臺式搭載星分配器Fig.4 Distributor of main satellite and platform mounted satellites

阿里安火箭多星分配器也采用了平臺式搭載星分配器的結(jié)構(gòu)（見圖5），平臺采用“腰帶式+撐桿式”的連接方法來保證平臺的連接剛度。該連接方法可能帶來平臺懸臂長和撐桿不穩(wěn)定，帶來的強度和剛度問題需開展適應(yīng)性評估。

圖5 阿里安火箭多星分配器Fig.5 Multi-satellites distributor of Ariane

1.2.2 側(cè)掛式多星分配器結(jié)構(gòu)

德爾塔運載火箭多星適配器［3］（見圖6）采用側(cè)掛結(jié)構(gòu)，具有模塊化和空間利用率高的優(yōu)點，分離安全性也可得到保證。但由于整流罩空間有限，衛(wèi)星的高度及質(zhì)量均受到一定程度的影響。

圖6 德爾塔火箭多星適配器Fig.6 Multi-satellites adapter of Delta

2 串聯(lián)布局下的典型分配器結(jié)構(gòu)

串聯(lián)式多星發(fā)射根據(jù)支撐方式的不同分為內(nèi)支撐式和外支撐式。

2.1 內(nèi)支撐式串聯(lián)多星分配器

內(nèi)支撐式串聯(lián)多星布局（見圖7）是指上下兩層衛(wèi)星的支撐結(jié)構(gòu)均設(shè)置在整流罩內(nèi)部，內(nèi)支撐方案最大的優(yōu)點就是無須改變原有運載火箭的整流罩及其分離系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)［4］，而上面級等結(jié)構(gòu)由于設(shè)置在整流罩內(nèi)部，不直接承受氣動沖刷，因此承受的載荷更確定，可有效減少末級質(zhì)量。內(nèi)支撐式串聯(lián)布局的缺點是支撐結(jié)構(gòu)占用了罩內(nèi)空間，對有效載荷的空間限制比較硬性，因此不適用于尺寸較大的衛(wèi)星發(fā)射。

圖7 內(nèi)支撐式串聯(lián)多星布局Fig.7 Internally supported layout of triple-satellites in series connection

內(nèi)支撐式串聯(lián)布局一般采用上下雙層支撐結(jié)構(gòu)，每層支撐均單獨設(shè)計，支撐結(jié)構(gòu)可參考并聯(lián)式分配器的設(shè)計方案。長征二號丙/SMA 火箭采用了典型的內(nèi)支撐式串聯(lián)布局方案。

2.2 外支撐式串聯(lián)多星分配器

外支撐式串聯(lián)多星布局也采用上下層布局（見圖8），外支撐主要是指下星的分配器與整流罩功能集成，從而獲得更大的衛(wèi)星包絡(luò)。外支撐的優(yōu)點是在有限的整流罩空間內(nèi)提供給衛(wèi)星的空間包絡(luò)更大。從另一角度來說就是發(fā)射同樣體積的多星載荷，可有效縮小整流罩直徑尺寸，減小全箭的飛行載荷以提高運載能力。

圖8 外支撐式串聯(lián)多星布局Fig.8 Externally supported layout of triple-satellites in series connection

長征四號乙和長征四號丙運載火箭多星串聯(lián)發(fā)射任務(wù)采用了外支撐式布局方案［5］。長征三號乙運載火箭G1構(gòu)型串聯(lián)雙星布局成功實現(xiàn)了Φ3700mm直徑整流罩內(nèi)雙主星高軌任務(wù)的發(fā)射。長征七號甲運載火箭G1 構(gòu)型將雙主星高軌發(fā)射的單顆衛(wèi)星運力提高至3 t以上，超過了商用大力神Ⅲ采用上面級后的GTO 運載能力。

外支撐式串聯(lián)多星分配器根據(jù)衛(wèi)星情況可采取圖8 所示的錐殼式設(shè)計，也可采用圖9 所示的內(nèi)懸式設(shè)計。內(nèi)懸式設(shè)計可實現(xiàn)整流罩有效空間的利用率最大化。但內(nèi)懸式設(shè)計需充分考慮結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析和驗證，保證各個方向的頻率滿足要求。

圖9 內(nèi)懸式分配器結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of inner suspended distributor

分配器設(shè)計時需尤其注意結(jié)構(gòu)剛度分析，結(jié)構(gòu)剛度不足會引起結(jié)構(gòu)組合體基頻降低、影響飛行可靠性。特別對于多星發(fā)射分配器，較低的有效載荷局部分支頻率可能與組合體主結(jié)構(gòu)頻率耦合，增加動態(tài)干涉的風(fēng)險，使振動環(huán)境變得更為惡劣［6］。

3 典型分配器結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

本節(jié)以如圖9 所示內(nèi)懸式下星分配器結(jié)構(gòu)為例，闡述分配器結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。長征七號甲運載火箭為發(fā)射雙主星任務(wù)而設(shè)計了內(nèi)懸式分配器結(jié)構(gòu)，它采用外支撐式串聯(lián)布局，由于單顆衛(wèi)星質(zhì)量大于3 t，因此其分配器結(jié)構(gòu)設(shè)計具備代表性。

3.1 設(shè)計域及基本設(shè)計指標(biāo)

首先根據(jù)任務(wù)需求確定可用空間包絡(luò)。將可用空間包絡(luò)確定為設(shè)計域開展設(shè)計，初步提出的如圖10所示撐梁式設(shè)計方案。對于內(nèi)懸式結(jié)構(gòu)，首先要保證整體結(jié)構(gòu)頻率滿足設(shè)計要求，避免頻率耦合。

圖10 初步設(shè)計方案Fig.10 Preliminary design scheme

3.2 外支路支撐剛度影響分析

提出初步設(shè)計方案后基于頻率目標(biāo)開展優(yōu)化設(shè)計工作，由于外支路的側(cè)壁支撐剛度對整體結(jié)構(gòu)頻率也會存在影響，因此先開展外支路支撐剛度的影響分析。對于外支撐式串聯(lián)布局模式，外支路的結(jié)構(gòu)主要需滿足上星整流罩、上星等外支路載荷的承載能力。外支路等效厚度對頻率影響分析，主要考察約束剛度的影響，若影響較大則需加強設(shè)計或開展多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。表1 分析結(jié)果說明外支路的約束剛度已經(jīng)足夠，繼續(xù)提高剛度對整體頻率影響不大。

表1 外支路剛度的影響分析Tab.1 Analysis of the influence of external branch stiffness

3.3 支撐梁數(shù)量影響分析

外支路影響分析完成后，開展支撐梁數(shù)量的設(shè)計分析。由于運載火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要嚴(yán)格控制低頻段的耦合效應(yīng)，因此對一階頻率提出嚴(yán)格要求。根據(jù)最低一階頻率要求、安裝空間、制造難度、質(zhì)量等多方面的設(shè)計需求，確定梁的根數(shù)在8、12 和16 根左右，并分析支撐梁數(shù)量對一階頻率的影響，具體見表2。

表2 支撐梁數(shù)量的影響分析Tab.2 Analysis of the influence of the number of support beams

通過方案1、方案3 對比可知：梁總重相同情況下，梁的數(shù)量增加上相比單根梁的剛度增加對一階頻率的提高更為有效。再由方案3、方案4的對比可知，16根支撐梁相比12 根支撐梁無明顯優(yōu)勢，但增重多、操作空間更小。綜合各種設(shè)計因素，確定支撐梁數(shù)量為12 根，并開展進一步詳細(xì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

3.4 支撐梁拓?fù)鋬?yōu)化

在表2 中方案4 的基礎(chǔ)上開展拓?fù)鋬?yōu)化，去除價值不高的區(qū)域材料。

優(yōu)化模型中翼緣、腹板均設(shè)置為殼單元，通過拓?fù)鋬?yōu)化去除低價值材料區(qū)域。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計域為支撐梁非連接區(qū)，優(yōu)化目標(biāo)為一階頻率最高［7］，約束條件為剩余體積占支撐梁總體積比Vf＜0.5，即單根梁的目標(biāo)質(zhì)量不大于12.5 kg。經(jīng)優(yōu)化迭代，最終頻率優(yōu)化結(jié)果約為15 Hz。

支撐梁拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果見圖11，根據(jù)優(yōu)化過程及強度、剛度校核結(jié)果，支撐梁最終設(shè)計為如圖12 所示結(jié)構(gòu)，單根梁質(zhì)量為12 kg。獲得最終結(jié)構(gòu)方案及結(jié)構(gòu)參數(shù)后再開展聯(lián)合的強度、剛度校核，獲得最終的整體優(yōu)化設(shè)計方案如圖9所示。

圖11 支撐梁拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果Fig.11 Optimization results of support beams

圖12 支撐梁最終結(jié)構(gòu)示意Fig.12 Schematic of structure of the support beams

解決軸向頻率問題的同時還需要考慮梁式結(jié)構(gòu)帶來的扭轉(zhuǎn)剛度問題，為了提高扭轉(zhuǎn)剛度，在支撐梁之間需要增加約束連接，如輕質(zhì)高剛度板式結(jié)構(gòu)等。

模態(tài)試驗結(jié)果顯示軸向一階頻率大于19 Hz，支撐梁之間不增加約束時扭轉(zhuǎn)一階頻率不足10 Hz，增加約束后可提高至20 Hz。

4 結(jié)束語

本文梳理了國內(nèi)外一箭多星發(fā)射任務(wù)的典型布局及特點，并分析了各種布局對應(yīng)的典型分配器結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)特點及關(guān)鍵設(shè)計要素，同時以串聯(lián)式外支撐式典型內(nèi)懸式分配器結(jié)構(gòu)為例，介紹了分配器的設(shè)計方法，供同類結(jié)構(gòu)設(shè)計參考借鑒，有利于搭載任務(wù)的快速實施。