自串聯(lián)發(fā)射衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

錢志英，李偉杰，石文靜，孫國(guó)鵬，易茂斌，韓紹歡，肖 偉，王 敏

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院 通信衛(wèi)星事業(yè)部；3.北京衛(wèi)星制造廠有限公司：北京100094）

0 引言

雙星自串聯(lián)發(fā)射模式給衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了一系列的挑戰(zhàn)：一方面，要求衛(wèi)星的構(gòu)型和主結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)雙星串聯(lián)狀態(tài)下的傳力及承載要求；另一方面，需提供雙星之間的可靠連接和分離方式。此外，在雙星自串聯(lián)發(fā)射模式下，雙星系統(tǒng)整體作為運(yùn)載火箭的一個(gè)發(fā)射載荷管理，故在系統(tǒng)級(jí)環(huán)境試驗(yàn)的驗(yàn)證方式上也與以往有所不同。

本文以支持自串聯(lián)式一箭雙星發(fā)射模式的全電推平臺(tái)結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)研制為基礎(chǔ)，分析結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方面的技術(shù)特點(diǎn)，提出了一箭雙星自串聯(lián)發(fā)射衛(wèi)星平臺(tái)力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證方法，可為后續(xù)的自串聯(lián)多星發(fā)射衛(wèi)星結(jié)構(gòu)研制提供借鑒和參考。

1 結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)組成及功能

全電推平臺(tái)結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)在自串聯(lián)發(fā)射狀態(tài)下的構(gòu)型如圖1所示，包括衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)和一套星間連接與分離裝置。其中星間連接與分離裝置用于實(shí)現(xiàn)上、下星的連接與分離，包括包帶式解鎖機(jī)構(gòu)和過渡段結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)維系衛(wèi)星的基本構(gòu)型，形成合理的傳力路徑，提供星上儀器設(shè)備的安裝面，承受地面試驗(yàn)、地面操作、運(yùn)輸、發(fā)射以及空間環(huán)境下的載荷，為設(shè)備提供良好的力學(xué)環(huán)境條件；同時(shí)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)上、下星之間的連接/分離功能。

圖1 全電推平臺(tái)結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)構(gòu)型（自串聯(lián)發(fā)射狀態(tài)）Fig.1 The structural subsystem of all-electric satellite platform composition

2 結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 任務(wù)分析

與以往單星發(fā)射衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)相比，自串聯(lián)發(fā)射雙星結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)在功能和性能要求上具有如下特點(diǎn)：

1）須適應(yīng)一箭一星和自串聯(lián)一箭雙星發(fā)射，因此對(duì)主結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度性能均提出了較高的要求。在雙星自串聯(lián)發(fā)射狀態(tài)下，主承力結(jié)構(gòu)需滿足發(fā)射質(zhì)量5100 kg（質(zhì)心高度3340 mm）的承載能力。按照“長(zhǎng)三甲”系列運(yùn)載火箭的準(zhǔn)靜態(tài)載荷條件初步估算，星箭界面處的最大載荷比成熟的通信衛(wèi)星平臺(tái)（如DFH-4平臺(tái)）提高了60%。

[37] Benjamin K. Wagner, “Lessons from Lassen: Plotting a Proper Course for Freedom of Navigation Operations in the South China Sea”, Journal of East Asia & International Law, Vol. 9, Issue 1 (2016).

2）須實(shí)現(xiàn)雙星自串聯(lián)時(shí)的連接和分離功能，因此在雙星界面設(shè)計(jì)有星間連接與分離裝置，既可提供上、下星之間可靠且易操作的連接形式，亦能實(shí)現(xiàn)可靠、低沖擊的分離功能。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

根據(jù)自串聯(lián)發(fā)射雙星結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)的功能和性能要求，確立如下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

1）為滿足平臺(tái)衛(wèi)星靈活配置的需求，上、下星主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀態(tài)應(yīng)一致，保證可互換性；

2）結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)以雙星自串聯(lián)組合體的頻率要求為約束，兼顧單星頻率要求；

3）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)以雙星自串聯(lián)狀態(tài)下的準(zhǔn)靜態(tài)發(fā)射載荷條件為基本約束，兼顧地面正弦振動(dòng)試驗(yàn)環(huán)境下的載荷。

2.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)

2.3.1衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)

自串聯(lián)發(fā)射雙星主結(jié)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)首先要滿足在雙星串聯(lián)狀態(tài)下形成合理的傳力路徑，其次要考慮載荷及其他設(shè)備布局對(duì)空間的使用要求。

國(guó)際市場(chǎng)上主流的通信衛(wèi)星主要有3種結(jié)構(gòu)形式[5-8]：1）以我國(guó)的DFH-4衛(wèi)星平臺(tái)（如圖2所示）和勞拉公司的LS-1300衛(wèi)星平臺(tái)（如圖3所示）為代表的中心承力筒式結(jié)構(gòu)構(gòu)型；2）以我國(guó)的DFH-5衛(wèi)星平臺(tái)和波音公司的BSS-702HP衛(wèi)星平臺(tái)（如圖4所示）為代表的桁架式結(jié)構(gòu)構(gòu)型；3）以洛馬公司A2100衛(wèi)星平臺(tái)（如圖5所示）為代表的箱板式結(jié)構(gòu)構(gòu)型。

圖2 DFH-4衛(wèi)星平臺(tái)Fig.2 DFH-4 satellite platform

表1給出了各典型結(jié)構(gòu)構(gòu)型的特點(diǎn)對(duì)比。從傳力路徑角度考慮，中心承力筒式結(jié)構(gòu)構(gòu)型以中心承力筒為主承力結(jié)構(gòu)，傳力連續(xù)、直接、無集中受力點(diǎn)，較為適用于雙星自串聯(lián)方式發(fā)射的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。以波音公司的電推平臺(tái)BSS-702SP為代表的自串聯(lián)雙星發(fā)射衛(wèi)星即采用了此構(gòu)型。

圖3 勞拉公司LS-1300衛(wèi)星平臺(tái)Fig.3 LS-1300 satellite platform of Loral Corporation

圖4 波音公司BSS-702HP衛(wèi)星平臺(tái)Fig.4 BSS-702HPsatellite platform of Boeing Corporation

圖5 洛馬公司A2100衛(wèi)星平臺(tái)Fig.5 A2100 satellite platform of LMT

表1 通信衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)型特點(diǎn)對(duì)比分析Table1 Comparison among configuration characteristics of communication satellite structures

本文的全電推平臺(tái)主結(jié)構(gòu)采用DFH-4衛(wèi)星平臺(tái)的中心承力筒式結(jié)構(gòu)構(gòu)型，同時(shí)考慮到儀器設(shè)備布局優(yōu)化，取消了中板，將三艙式構(gòu)型簡(jiǎn)化為兩艙式構(gòu)型。平臺(tái)設(shè)備與載荷設(shè)備均布局在電子艙，便于進(jìn)行一體化熱控設(shè)計(jì)，可減少轉(zhuǎn)移軌道載荷設(shè)備的替代加熱功率需求。此外，兩艙式構(gòu)型有利于整星電纜網(wǎng)一體化設(shè)計(jì)，可減少穿艙電纜和過渡插頭數(shù)量，從而減輕電纜網(wǎng)重量。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分解如圖6所示，包括推進(jìn)艙、電子艙和東/西板。推進(jìn)艙由中心承力筒、背地板、推進(jìn)艙東/西隔板和推進(jìn)艙水平支撐板組成；電子艙由對(duì)地板、電子艙南/北板和電子艙南/北隔板組成；東/西板分為東上±y板和東下板，西上±y板和西下板。

圖6 全電推平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)型方案Fig.6 Structural configuration of the all-electric satellite platform

2.3.2星間連接與分離裝置

星間連接與分離裝置構(gòu)型如圖7所示。

圖7 星間連接與分離裝置構(gòu)型Fig.7 Connecting and separating device between satellites

星間連接與分離裝置由過渡段結(jié)構(gòu)和包帶式解鎖機(jī)構(gòu)組成，為滿足上、下星的互換性要求，包帶式解鎖機(jī)構(gòu)應(yīng)位于上星與過渡段結(jié)構(gòu)的接口處且采用與星箭接口一致的接口形式。

2.4 傳力路徑分析

在發(fā)射及雙星垂直起吊過程中，雙星的傳力路徑分別如圖8和圖9所示。在發(fā)射狀態(tài)下，上星的橫向和縱向載荷首先匯聚到上星中心承力筒，再經(jīng)由星間過渡結(jié)構(gòu)傳遞到下星中心承力筒，最后傳遞到運(yùn)載火箭。地面力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)狀態(tài)的傳力路徑與發(fā)射狀態(tài)一致。衛(wèi)星吊點(diǎn)設(shè)置在南/北板的4個(gè)角點(diǎn)，既能滿足單星起吊也能滿足雙星串聯(lián)起吊需求。在雙星起吊狀態(tài)下，下星重量通過星間過渡結(jié)構(gòu)傳遞到上星承力筒，進(jìn)而傳遞到南/北板的吊點(diǎn)處。

圖8 雙星自串聯(lián)發(fā)射狀態(tài)傳力路徑Fig.8 Load path of double satellites in tandem launch configuration

圖9 雙星自串聯(lián)垂直起吊狀態(tài)傳力路徑Fig.9 Load path of double satellites in lift configuration

2.5 主要部件設(shè)計(jì)

2.5.1中心承力筒設(shè)計(jì)

中心承力筒是最重要的傳力部件，承擔(dān)雙星自串聯(lián)和單星發(fā)射時(shí)的靜、動(dòng)力載荷。中心承力筒為整體圓柱殼，采用蜂窩夾層殼形式，由蜂窩夾層殼體、連接框和多組后埋件組成。中心承力筒高(3174±1)mm，直段內(nèi)徑1168mm，與運(yùn)載的接口為標(biāo)準(zhǔn)1194A 接口；中心承力筒上共有3個(gè)連接框，分別為對(duì)接框、下框和上框，參見圖10。

圖10 中心承力筒Fig.10 The central bearing cylinder

剛度和強(qiáng)度是中心承力筒筒體設(shè)計(jì)的主要約束參數(shù)[9-10]。在圓柱殼直徑一定的情況下，增加蒙皮剛度是提高承力筒剛度的首要措施。在雙星自串聯(lián)發(fā)射狀態(tài)下，系統(tǒng)質(zhì)心的提高會(huì)顯著增加承力筒根部的彎矩，最終會(huì)轉(zhuǎn)化為蜂窩殼的面內(nèi)載荷，而面內(nèi)載荷主要通過蒙皮傳遞。因此，蜂窩筒的承載能力（即強(qiáng)度性能）也主要取決于蒙皮?？梢?，中心承力筒高剛度和高強(qiáng)度的設(shè)計(jì)需求，最終將以優(yōu)化蒙皮的設(shè)計(jì)參數(shù)實(shí)現(xiàn)。蒙皮材料首選高模量和高強(qiáng)度的碳纖維材料，整筒采用統(tǒng)一鋪層形式。在鋪層設(shè)計(jì)上，為提高中心承力筒的剛度增加了沿圓柱殼軸向的鋪層數(shù)量。

對(duì)接框和上框均為鋁合金一體機(jī)加件，材料為2A14T6鍛鋁。對(duì)接框下法蘭是結(jié)構(gòu)裝配的基礎(chǔ)，是與運(yùn)載對(duì)接和地面停放的接口。上框提供48×M 8螺紋孔作為與星間過渡結(jié)構(gòu)的接口，同時(shí)提供與對(duì)地板的連接接口。對(duì)接框和上框與碳筒筒體之間采用雙搭接膠接連接，搭接布為2mm 厚高強(qiáng)度碳纖維編織布。下框由2個(gè)半框通過鉚接連成整體，并采用膠接方法與筒體連接。

2.5.2 星間連接與分離裝置設(shè)計(jì)

為適應(yīng)1194A 的星箭分離接口，星間連接與分離裝置采用包帶彈簧式連接分離方案，由1個(gè)星間過渡段結(jié)構(gòu)、1套包帶解鎖裝置、6套分離彈簧組件、2套分離插頭收納組件組成。包帶采用2段鋼帶的構(gòu)型，并在過渡結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了支撐結(jié)構(gòu)用于解鎖后的包帶卡位約束，包帶解鎖前/后狀態(tài)如圖11所示。為了給兩星分離提供分離推力，在分離面布置了6組分離彈簧組件，彈簧力根據(jù)分離速度確定，并需要保證各彈簧力值的一致性。星間過渡段結(jié)構(gòu)采用碳纖維蜂窩筒結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)參數(shù)與中心承力筒的一致。

圖11 包帶解鎖前/后狀態(tài)Fig.11 Unlocking and post-unlock states of the champ blocks

3 結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)驗(yàn)證策略

發(fā)射過程中所經(jīng)歷的一系列飛行事件作用在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上的載荷可分為靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷2大類。靜態(tài)載荷以衛(wèi)星質(zhì)心處準(zhǔn)靜態(tài)過載的形式給出，并作為衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的載荷條件。動(dòng)態(tài)載荷一般以低頻正弦振動(dòng)、噪聲和沖擊環(huán)境條件的形式給出。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)對(duì)于載荷條件的適應(yīng)性一般需要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在雙星自串聯(lián)發(fā)射模式下，雙星系統(tǒng)整體作為運(yùn)載火箭的一個(gè)發(fā)射載荷管理。因此，準(zhǔn)靜態(tài)載荷條件、低頻正弦振動(dòng)和噪聲等環(huán)境條件，均以雙星系統(tǒng)為統(tǒng)一的對(duì)象給出，也應(yīng)當(dāng)在雙星系統(tǒng)上開展試驗(yàn)驗(yàn)證。但在研制初期，從成本和研制周期角度考慮通常難以投產(chǎn)完整的雙星系統(tǒng)來進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，以最低的成本和投入實(shí)現(xiàn)最有效的驗(yàn)證是研制過程中的實(shí)際需求。

為降低驗(yàn)證成本、提高驗(yàn)證效率，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證遵循由部件級(jí)到分系統(tǒng)級(jí)再到系統(tǒng)級(jí)的金字塔式驗(yàn)證原則，如圖12所示。

圖12 雙星系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證策略Fig.12 Test verification strategy for double satellites

在研制早期，針對(duì)最為關(guān)鍵的主結(jié)構(gòu)承載能力，投產(chǎn)了局部靜力試驗(yàn)件開展試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度均能滿足鑒定級(jí)載荷的承載要求，隨后的破壞試驗(yàn)表明其最少具有15%的強(qiáng)度裕度。在關(guān)鍵承載性能得到初步驗(yàn)證后，研制了主結(jié)構(gòu)和星間連接與分離裝置鑒定產(chǎn)品，開展靜力試驗(yàn)和功能試驗(yàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力進(jìn)行全面驗(yàn)證。由于串聯(lián)雙星主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀態(tài)相同，因此僅投產(chǎn)了一套主結(jié)構(gòu)用于下星結(jié)構(gòu)，采用試驗(yàn)工裝模擬上星載荷。此種方式，一方面保證了在雙星自串聯(lián)發(fā)射模式下的主結(jié)構(gòu)承載性能得到充分驗(yàn)證，另一方面也節(jié)約了研制成本、降低了試驗(yàn)難度。分系統(tǒng)級(jí)靜力試驗(yàn)結(jié)果表明，整星結(jié)構(gòu)和星間連接與分離裝置承載能力可以滿足雙星自串聯(lián)的發(fā)射需求，且具備擴(kuò)展到雙星質(zhì)量5750 kg，質(zhì)心高度3400mm 時(shí)的承載能力。最后，以星間連接與分離裝置、下星結(jié)構(gòu)鑒定產(chǎn)品和上星模擬星為基礎(chǔ)搭建了雙星自串聯(lián)系統(tǒng)，并開展了正弦振動(dòng)和噪聲試驗(yàn)，驗(yàn)證了雙星自串聯(lián)系統(tǒng)的基頻以及主結(jié)構(gòu)和星間連接與分離裝置對(duì)動(dòng)力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性。

3.2 力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)

雙星系統(tǒng)的力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)旨在考核星間連接與分離裝置和主結(jié)構(gòu)對(duì)正弦振動(dòng)環(huán)境和噪聲環(huán)境的適應(yīng)性，并獲得相關(guān)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，為后續(xù)組件級(jí)試驗(yàn)條件的制定提供依據(jù)。對(duì)于噪聲環(huán)境，更為關(guān)注雙星串聯(lián)發(fā)射時(shí)在上星背地板和下星對(duì)地板之間形成的狹小共振腔內(nèi)的噪聲振動(dòng)環(huán)境。對(duì)于正弦振動(dòng)環(huán)境，雙星串聯(lián)發(fā)射時(shí)的系統(tǒng)基頻以及星間連接與分離裝置在振動(dòng)環(huán)境下的受力情況都是需要關(guān)注的重點(diǎn)。因此，經(jīng)過對(duì)比分析最終確定了以星間連接與分離裝置、下星結(jié)構(gòu)鑒定產(chǎn)品和由DFH-4平臺(tái)某結(jié)構(gòu)星改造而成的上星模擬星搭建的試驗(yàn)狀態(tài)雙星系統(tǒng)。該試驗(yàn)雙星系統(tǒng)與真實(shí)雙星系統(tǒng)在橫向和縱向主頻上的差異小于5%，主結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性基本一致，滿足力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)考核要求。

上星模擬星剛度較設(shè)計(jì)狀態(tài)略低，因此在正弦振動(dòng)試驗(yàn)中星間包帶界面的載荷會(huì)大于設(shè)計(jì)狀態(tài)的。為在正弦振動(dòng)試驗(yàn)中有效監(jiān)測(cè)星間包帶界面的載荷，采用了一種新的界面載荷標(biāo)定方法[11]，通過雙星根部界面的載荷測(cè)量值結(jié)合應(yīng)變標(biāo)定，成功將星間包帶界面載荷控制在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。最終，試驗(yàn)星成功通過鑒定級(jí)正弦振動(dòng)和噪聲考核，表明主結(jié)構(gòu)和星間連接與分離裝置滿足雙星自串聯(lián)發(fā)射狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)載荷承載要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)有限元分析模型進(jìn)行修正后，預(yù)示得到雙星自串聯(lián)狀態(tài)的系統(tǒng)一階橫向頻率為7.8Hz，縱向主頻為44.6 Hz，滿足雙星發(fā)射狀態(tài)的結(jié)構(gòu)剛度要求。

根據(jù)噪聲試驗(yàn)結(jié)果，上星背地板和下星對(duì)地板噪聲響應(yīng)水平未顯著增加，說明局部共振腔效應(yīng)不明顯。雙星系統(tǒng)順利通過鑒定級(jí)噪聲試驗(yàn)考核，星上結(jié)構(gòu)板的振動(dòng)水平與以往同構(gòu)型衛(wèi)星相當(dāng)。

4 結(jié)束語

雙星自串聯(lián)發(fā)射給結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，不但要求結(jié)構(gòu)具有更高的承載能力和剛度性能，也同時(shí)要求實(shí)現(xiàn)雙星的連接和分離功能。本文對(duì)有關(guān)結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證進(jìn)行了總結(jié)，以雙星自串聯(lián)發(fā)射時(shí)的傳力路徑最優(yōu)為約束，主結(jié)構(gòu)采用了中心承力筒式的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，星間連接和分離裝置采用了包帶彈簧式連接/分離方案。在驗(yàn)證方面，采用了金字塔式的驗(yàn)證策略，確保了關(guān)鍵性能以低成本優(yōu)先考核，有效控制了研制風(fēng)險(xiǎn)。目前，支持自串聯(lián)雙星發(fā)射全電推平臺(tái)結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)已成功通過所有的地面試驗(yàn)項(xiàng)目，后續(xù)將成為自串聯(lián)式發(fā)射新模式下的有力技術(shù)支撐。