小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的發(fā)展與展望

劉志全，曾惠忠，邱 慧，白照廣，楊 志

(1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2. 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

0 引 言

當(dāng)前，從幾千克的衛(wèi)星到上百噸的大型空間站、航天飛機(jī)，大大小小的航天器星羅棋布。航天器的范圍從地球衛(wèi)星擴(kuò)展到諸如月球探測(cè)器、火星探測(cè)器等深空探測(cè)器，從無(wú)人航天器擴(kuò)展到載人航天器。然而，追本溯源，眾多航天器都是在小衛(wèi)星的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。小衛(wèi)星(一般指質(zhì)量在1000 kg以下的衛(wèi)星[1])是航天器“家族”中的重要成員，是航天器的先驅(qū)者。小衛(wèi)星因體積小、質(zhì)量輕、發(fā)射成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)而備受航天器用戶的青睞。在用一枚運(yùn)載火箭一次發(fā)射多顆相同或者不同衛(wèi)星的“一箭多星”發(fā)射模式下，小衛(wèi)星的上述優(yōu)點(diǎn)更加突出。小衛(wèi)星也是許多空間新技術(shù)在軌試驗(yàn)驗(yàn)證的重要載體，對(duì)于航天器新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的引領(lǐng)和促進(jìn)作用。因此，發(fā)展先進(jìn)小衛(wèi)星技術(shù)具有重要意義。

小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)是小衛(wèi)星的重要組成部分，是承載、傳力、提供有效載荷及儀器設(shè)備安裝空間、保證衛(wèi)星強(qiáng)度和剛度的功能部件，其設(shè)計(jì)方案直接影響衛(wèi)星上有關(guān)儀器設(shè)備的布局和衛(wèi)星的力學(xué)性能。國(guó)內(nèi)外航天界研究機(jī)構(gòu)及有關(guān)學(xué)者研究開發(fā)了多種小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)并得到了成功飛行的驗(yàn)證。

為了總結(jié)借鑒國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)未來(lái)先進(jìn)小衛(wèi)星的研制，本文從小衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)構(gòu)型、結(jié)構(gòu)材料、連接方式和評(píng)價(jià)指標(biāo)四個(gè)方面論述小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析其特點(diǎn)，并展望小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，旨在為小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

1 小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)型的發(fā)展

早期小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)外形為球形或準(zhǔn)球形殼體，內(nèi)部有圓柱形或方形的儀器艙結(jié)構(gòu)。1957年10月4日，前蘇聯(lián)發(fā)射了人類歷史上第一顆人造地球衛(wèi)星——“斯普特尼克-1(Sputnik-1)”衛(wèi)星，如圖1所示[2]。

圖1 前蘇聯(lián)斯普特尼克-1衛(wèi)星球形結(jié)構(gòu)Fig.1 Spherical structure of the Sputnik-1 satellite

“斯普特尼克-1”衛(wèi)星質(zhì)量83.6 kg，其結(jié)構(gòu)外形為直徑0.58 m的鋁合金球殼。

1970年4月24日，中國(guó)發(fā)射了首顆人造地球衛(wèi)星(世界第五顆衛(wèi)星)——“東方紅一號(hào)(DFH-1)”衛(wèi)星,如圖2所示[3]。

圖2 中國(guó)DFH-1衛(wèi)星準(zhǔn)球形結(jié)構(gòu)Fig.2 Quasi-spherical structure of the DFH-1 satellite

“東方紅一號(hào)”衛(wèi)星質(zhì)量173 kg，其結(jié)構(gòu)外形并不是理論上的球殼，而是由多塊平板連接在一起形成的近似球殼(72面體的殼體結(jié)構(gòu))，結(jié)構(gòu)包絡(luò)直徑1 m。

早期衛(wèi)星的功能需求相對(duì)較少，這與那個(gè)年代衛(wèi)星的主流任務(wù)相匹配。那時(shí)人類擁有的太空環(huán)境數(shù)據(jù)還十分匱乏，因此當(dāng)時(shí)衛(wèi)星功能需求主要集中在對(duì)空間物理環(huán)境的探測(cè)而不是衛(wèi)星應(yīng)用。衛(wèi)星上配置的儀器設(shè)備(如無(wú)線電發(fā)射機(jī)、磁強(qiáng)計(jì)、輻射計(jì)數(shù)器、宇宙射線探測(cè)儀等)并不多，因此，星載儀器設(shè)備的布局對(duì)結(jié)構(gòu)的要求也不像現(xiàn)在這樣多。早期衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，主要采用自旋穩(wěn)定或重力梯度穩(wěn)定方式，在這種情況下，采用球形或圓柱形衛(wèi)星結(jié)構(gòu)則與之相適應(yīng)。采用球形或準(zhǔn)球形殼體結(jié)構(gòu)，在滿足構(gòu)型布局和整星任務(wù)要求的前提下，可以提高衛(wèi)星結(jié)構(gòu)剛度和承載效率，進(jìn)而減輕結(jié)構(gòu)重量?！皷|方紅一號(hào)”衛(wèi)星上72面體的殼體結(jié)構(gòu)相對(duì)于前蘇聯(lián)的球形殼體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)更便于粘貼太陽(yáng)電池片，形成體裝式太陽(yáng)電池陣。雖然“東方紅一號(hào)”衛(wèi)星因其他原因尚未安裝體裝式太陽(yáng)電池陣，但這種結(jié)構(gòu)構(gòu)型為后來(lái)的衛(wèi)星體裝式太陽(yáng)電池陣的安裝奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。隨著人們對(duì)衛(wèi)星功能需求的不斷增多，衛(wèi)星有了更多星載設(shè)備的安裝需求，球形或準(zhǔn)球形殼體結(jié)構(gòu)開始顯現(xiàn)出星內(nèi)設(shè)備安裝空間利用率不高的弱點(diǎn)。當(dāng)衛(wèi)星能源需求較大、需要加裝太陽(yáng)翼時(shí)，這種球形或準(zhǔn)球形殼體結(jié)構(gòu)則不便于安裝太陽(yáng)翼并實(shí)現(xiàn)其收攏與展開。此外，衛(wèi)星的姿態(tài)控制要求也在不斷提高(多數(shù)采用三軸穩(wěn)定方式)?；谏鲜鲈?，早期的小衛(wèi)星球形或準(zhǔn)球形殼體結(jié)構(gòu)在后來(lái)的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中很少采用。

隨著小衛(wèi)星功能需求的不斷增加和技術(shù)水平的不斷提升，小衛(wèi)星逐步由空間物理環(huán)境探測(cè)轉(zhuǎn)向應(yīng)用，衛(wèi)星上需要安裝的儀器設(shè)備逐步增多，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)開始朝著大而全的通用化方向發(fā)展，箱板式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)型逐步占據(jù)主導(dǎo)地位。

為了在衛(wèi)星上安裝更多的設(shè)備以實(shí)現(xiàn)更多功能，同時(shí)也為了方便設(shè)備的布局與安裝操作，大量的箱板式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)得以應(yīng)用。箱板式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)整體通常由平板拼接成棱柱(含長(zhǎng)方體)形狀，一般按照平臺(tái)艙和載荷艙進(jìn)行分艙設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上形成衛(wèi)星平臺(tái)的概念，以提高衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的通用性。

2005年12月28日，由英國(guó)薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司研制的GIOVE-A衛(wèi)星(Galileo in orbit validation experiment)成功發(fā)射。整星分為推進(jìn)艙、設(shè)備艙、有效載荷艙[4]，星體尺寸為1.3 m×1.8 m×1.65 m，起飛質(zhì)量600 kg[5]。在此基礎(chǔ)上，薩里衛(wèi)星技術(shù)有限公司研發(fā)出GMP(Geostationary minisatellite platform) 衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)(如圖3(a)所示)。

2009年5月19日美國(guó)發(fā)射了ATK公司研制的Tactical Satellite 3衛(wèi)星，該衛(wèi)星采用ATK公司的RSMB(Responsive space modular bus)衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)(如圖3(b)所示)[6-7]。該衛(wèi)星質(zhì)量不到400 kg，平臺(tái)結(jié)構(gòu)為六棱柱構(gòu)型框架與六塊可快速拆裝的結(jié)構(gòu)板組成，平臺(tái)結(jié)構(gòu)3個(gè)方向包絡(luò)尺寸約1 m，衛(wèi)星平臺(tái)采用即插即用的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，允許安裝采用標(biāo)準(zhǔn)化接口的有效載荷160 kg，進(jìn)而支撐整星滿足快速響應(yīng)的空間任務(wù)要求。類似六棱柱結(jié)構(gòu)構(gòu)型的衛(wèi)星還有1999年發(fā)射的美國(guó)洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司研發(fā)的Ikonos-2衛(wèi)星及2011～2013年發(fā)射的歐洲Astrium公司的Pleiades-A和Pleiades-B衛(wèi)星等[8]。

2006年4月28日，法國(guó)和美國(guó)聯(lián)合研制的CALIPSO (Cloud-aerosols lidar and infrared pathfinder satellite observations) 衛(wèi)星成功發(fā)射。該衛(wèi)星采用法國(guó)Alcatel公司Proteus(Plate-forme reconfigurable pour l’observation, les télécommunications Et les usa-ges scientifiques)衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)(如圖3(c)所示)[9-10]，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)尺寸1 m×1 m×3 m，由框架與4塊可快速拆裝的結(jié)構(gòu)板組成，整星質(zhì)量587 kg。

2008年9月6日，中國(guó)成功發(fā)射由航天東方紅衛(wèi)星有限公司研制的“環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座”中的環(huán)境減災(zāi)-1A和1B兩顆衛(wèi)星。這兩顆衛(wèi)星都采用CAST968平臺(tái)結(jié)構(gòu)(如圖3(d)所示)[11-12]，整星結(jié)構(gòu)由平臺(tái)結(jié)構(gòu)板(含對(duì)接環(huán))和載荷艙結(jié)構(gòu)板組成，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)尺寸1.4 m×1.1 m×0.95 m，兩星起飛質(zhì)量分別為473 kg和495 kg。

圖3 箱板式衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.3 Box-like panel structures of some satellite platforms

這類箱板式衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)部件大多采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板(部分衛(wèi)星有效載荷支撐結(jié)構(gòu)采用桿系結(jié)構(gòu))，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的質(zhì)量輕、承載能力大、剛度好、能提供大量的有效載荷安裝空間，還可適用于各類功能完善的商業(yè)級(jí)遙感衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、深空探測(cè)衛(wèi)星、科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星。整星質(zhì)量大多從100 kg到1000 kg，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的大衛(wèi)星的多項(xiàng)功能。

小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)在沿通用化箱板式結(jié)構(gòu)方向發(fā)展的同時(shí)，也向著小型化立方星結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，相繼出現(xiàn)了小而經(jīng)濟(jì)的框架式立方星結(jié)構(gòu)。板卡形式的設(shè)備安裝到立方星的框架結(jié)構(gòu)上，部分框架設(shè)計(jì)為抗剪切的金屬板。

圖4展示了幾種典型的框架式立方星結(jié)構(gòu)。其中，圖4(a)展示了2003年發(fā)射的美國(guó)Pumpkin公司研發(fā)的1U立方星結(jié)構(gòu)[13]；圖4(b) 展示了2017年發(fā)射的歐盟QB50項(xiàng)目立方星結(jié)構(gòu)[14-15](中國(guó)參與該項(xiàng)目的高校有西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)，分別研制并成功發(fā)射了翱翔-1衛(wèi)星、紫丁香-1衛(wèi)星、南京理工大學(xué)-2衛(wèi)星和NUDTSat衛(wèi)星)；圖4(c) 展示了2016年發(fā)射的中國(guó)西北工業(yè)大學(xué)研制的翱翔系列立方星結(jié)構(gòu)[16]；此外，據(jù)大連理工大學(xué)官方網(wǎng)站報(bào)道，該校組織參與2018年國(guó)際立方星及應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽并獲優(yōu)秀獎(jiǎng)。該校將于2021年發(fā)射世界首顆20 kg量級(jí)亞米級(jí)高分辨率遙感立方星。

圖4 框架式立方星結(jié)構(gòu)Fig.4 Frame structure of cube satellites

這類衛(wèi)星的質(zhì)量通常不到10 kg，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度裕度較大。該類結(jié)構(gòu)非常適用于整星功能簡(jiǎn)單、成本低、研制周期短的衛(wèi)星。這類衛(wèi)星大多應(yīng)用于教學(xué)、技術(shù)試驗(yàn)、科學(xué)探測(cè)，也用于載荷簡(jiǎn)化后的小規(guī)模深空探測(cè)。

在箱板式結(jié)構(gòu)構(gòu)型、立方星結(jié)構(gòu)構(gòu)型發(fā)展的同時(shí)，小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)型也隨著衛(wèi)星特殊需求的提出而向?qū)Ｓ没Y(jié)構(gòu)方向發(fā)展。這類小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是基于衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)與載荷結(jié)構(gòu)的統(tǒng)籌考慮，進(jìn)行融合設(shè)計(jì)或者根據(jù)特殊需求進(jìn)行個(gè)性化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)構(gòu)型更加新穎和精細(xì)。

2011～2013年歐洲Astrium公司成功發(fā)射了Pleiades-A和Pleiades-B衛(wèi)星。2015年中國(guó)成功發(fā)射了長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司研制的“吉林一號(hào)”視頻衛(wèi)星。圖5(a)展示了Pleiades衛(wèi)星相機(jī)結(jié)構(gòu)嵌入平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[17]；圖5(b)展示了“吉林一號(hào)”衛(wèi)星主承力構(gòu)件與光學(xué)相機(jī)的共結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[18]。

圖5 有效載荷與平臺(tái)共結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 Together designed payloads and platform structures

2011年中國(guó)成功發(fā)射了南京航空航天大學(xué)研制的“天巡一號(hào)”衛(wèi)星，圖6展示了該衛(wèi)星基于隱身任務(wù)需求的“底部六棱柱+中部六棱臺(tái)+頂部六棱錐”的鉆石形衛(wèi)星結(jié)構(gòu)個(gè)性化設(shè)計(jì)[19-20]。

圖6 隱身小衛(wèi)星的專用化結(jié)構(gòu)Fig.6 Specialized structure of the stealth small satellite

與此類似，2018年中國(guó)成功發(fā)射了深圳東方紅衛(wèi)星有限公司研制的壁掛式主頻可調(diào)變截面小衛(wèi)星[21]，該衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)型是基于“一箭六星”發(fā)射需求及壁掛式主頻可調(diào)變截面結(jié)構(gòu)的特殊需求而進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，如圖7所示。

圖7 壁掛式主頻可調(diào)變截面小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)Fig.7 Hanging small satellite structure with adjustable nature frequency and section

該衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：在不增加衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量的前提下，僅通過(guò)安裝或拆卸主傳力路徑上的部分連接螺釘就能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星3個(gè)方向一階頻率約10 Hz的可調(diào)范圍。主傳力路徑上連接剛度的可調(diào)設(shè)計(jì)增加了衛(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。壁掛式結(jié)構(gòu)，相對(duì)于底部連接方式而言，可降低星箭連接界面的載荷。沿運(yùn)載火箭軸線方向采用橫截面大小可變的變截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使星內(nèi)設(shè)備安裝空間的利用率大幅提升。

隨著小衛(wèi)星功能需求的不斷增加及電子電路小型化技術(shù)的不斷進(jìn)步，小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)也逐漸向多功能一體化結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。即承載傳力用的結(jié)構(gòu)集星上電路板功能或熱管傳熱功能于一身的兩種或兩種以上功能復(fù)合的結(jié)構(gòu)。

2007年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的張博明和劉雙對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)復(fù)合材料多功能結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了論述，在此基礎(chǔ)上討論了復(fù)合材料多功能結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景和有待解決的問(wèn)題[22]。圖8展示了2008年美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室研制的基于鋁合金加筋板的結(jié)構(gòu)電路一體化樣機(jī)，采用該樣機(jī)的衛(wèi)星具備即插即用能力，極大提高了衛(wèi)星的快速響應(yīng)能力[23]。美國(guó)洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司在二十世紀(jì)九十年代研制的集成電路與熱控的多功能結(jié)構(gòu)組件[24]在“深空一號(hào)”等飛行任務(wù)的演示驗(yàn)證中取得成功。

圖8 多功能一體化結(jié)構(gòu)板樣件Fig.8 Samples of the multifunctional structure panels

多功能一體化結(jié)構(gòu)大多通過(guò)將小型化的電源、電路、熱控等設(shè)備安置在復(fù)合材料夾層板或金屬加筋結(jié)構(gòu)板內(nèi)部來(lái)實(shí)現(xiàn)多功能的集結(jié)。這類多功能一體化結(jié)構(gòu)具有大幅節(jié)約小衛(wèi)星內(nèi)部本就捉襟見肘的設(shè)備安裝空間的優(yōu)點(diǎn)，有利于簡(jiǎn)化衛(wèi)星總裝工作，可大幅提升整星結(jié)構(gòu)的功能密度和能量密度。

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)多功能小型化的進(jìn)一步發(fā)展，將形成所謂的“片上衛(wèi)星”、“印制板衛(wèi)星”等[25]，但目前這些大都還處于概念研究或樣機(jī)研制階段，離工程實(shí)現(xiàn)還有一定的距離。多功能一體化結(jié)構(gòu)雖然有上述若干優(yōu)點(diǎn)，也是當(dāng)前小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向之一，但是多功能的集成，勢(shì)必要帶來(lái)各功能之間的相互影響，這種影響如果到了一定程度，將會(huì)降低衛(wèi)星的基本可靠性，影響到任務(wù)的完成，因此，需要統(tǒng)籌考慮功能集成度與可靠性。

綜上所述，小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)型的發(fā)展呈通用化、小型化、專用化、多功能一體化的多元同步發(fā)展態(tài)勢(shì)。

2 小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展

小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展很大程度受到結(jié)構(gòu)輕量化的需求牽引，同時(shí)也受到成形工藝的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。為了讓小衛(wèi)星以盡可能輕的平臺(tái)去承載盡可能多的有效載荷(即“輕車重載”)，結(jié)構(gòu)材料在滿足強(qiáng)度剛度要求的前提下必須輕量化。因而小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料經(jīng)歷了由金屬材料到復(fù)合材料的發(fā)展歷程。同時(shí)，小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料也經(jīng)歷了由適用常規(guī)加工工藝到適用3D打印加工工藝的發(fā)展歷程。

諸如“斯普特尼克-1”衛(wèi)星和“東方紅一號(hào)”衛(wèi)星的早期小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)大多采用變形鋁合金[26]，以2000鋁銅系列和7000鋁鋅系列為主。

隨著人們對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料比剛度要求的提高以及防腐工藝的進(jìn)步，鎂合金逐漸開始應(yīng)用在小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中。21世紀(jì)初，航天東方紅衛(wèi)星有限公司的小衛(wèi)星推進(jìn)艙儲(chǔ)箱安裝板采用了變形鎂合金材料，由機(jī)械加工成形[27]。

材料比剛度和尺寸穩(wěn)定性要求的進(jìn)一步提高促進(jìn)了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中的大量應(yīng)用。2002年美國(guó)與德國(guó)聯(lián)合研制發(fā)射的GRACE衛(wèi)星，其結(jié)構(gòu)材料大量應(yīng)用了由碳纖維增強(qiáng)樹脂材料面板和鋁蜂窩芯子組成的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板[28]。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是比金屬材料更輕、剛度更高、線膨脹系數(shù)更小，力學(xué)性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。因而，現(xiàn)在絕大多數(shù)小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上都采用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

金屬基復(fù)合材料具有較高的熱導(dǎo)率和較低的熱膨脹系數(shù)，可以更好地滿足小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的空間環(huán)境適應(yīng)性要求和尺寸穩(wěn)定性要求。2007年，北京有色金屬研究總院樊建中等分析了鋁基碳化硅復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的性能優(yōu)勢(shì)，論述了鋁基碳化硅復(fù)合材料應(yīng)用現(xiàn)狀并提出了發(fā)展方向[29]。2014年，北京空間機(jī)電研究所吳俊等人對(duì)鈦合金相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)和鋁基碳化硅復(fù)合材料相機(jī)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較分析，結(jié)果表明，采用鋁基碳化硅復(fù)合材料不僅能減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)剛度，還可以降低結(jié)構(gòu)熱變形[30]。隨著小衛(wèi)星平臺(tái)結(jié)構(gòu)與載荷結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的發(fā)展，預(yù)計(jì)鋁基碳化硅復(fù)合材料未來(lái)將在小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上會(huì)得到較為廣泛的應(yīng)用。

上述提及的小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料對(duì)應(yīng)的加工工藝為傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨工藝及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料固化成形工藝。近年來(lái)，隨著3D 打印技術(shù)的不斷成熟及3D 打印工藝的日益穩(wěn)定，基于3D 打印工藝的金屬粉末材料也逐步應(yīng)用到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上來(lái)。

3D打印工藝可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形。為適應(yīng)3D 打印工藝，結(jié)構(gòu)材料通常為金屬粉末(常見的有鋁合金粉末與鈦合金粉末)。2017年，中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部李修峰等提出了一種金屬粉末3D打印成型的支架設(shè)計(jì)方法并將該方法應(yīng)用到某衛(wèi)星的敏感器支架設(shè)計(jì)中[31]。圖9展示了航天東方紅衛(wèi)星有限公司研制的金屬粉末3D打印星敏感器支架[32]，該支架在2019年發(fā)射的嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星上得到了成功應(yīng)用。

圖9 嫦娥四號(hào)中繼星上的3D打印星敏感器支架Fig.9 The 3D printed star sensor bracket of the relay satellite for Chang’e-4 lunar exploration mission

2018年，中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部的張嘯雨等研制了基于AlSi10Mg鋁合金粉末增材制造的小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)工程樣機(jī)[33],如圖10所示。

圖10 AlSi10Mg金屬粉末3D打印小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)樣件Fig.10 Prototype of the 3D printed small satellite structure made from AlSi10Mg metal powder

這類基于3D 打印工藝的小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料為微米級(jí)的金屬粉末。通過(guò)3D打印方式直接形成整星結(jié)構(gòu),可以得到復(fù)雜且更加優(yōu)化的主傳力結(jié)構(gòu)。相比常規(guī)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能大幅減少結(jié)構(gòu)連接環(huán)節(jié)，既減少了應(yīng)力集中，又減輕了結(jié)構(gòu)重量。

近年來(lái)，出現(xiàn)了一些在其他結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)上應(yīng)用的材料，這些材料雖目前尚未在小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，但它們是未來(lái)小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的潛在材料源。例如：具有更高比強(qiáng)度和比剛度的鋁鋰合金已在運(yùn)載火箭和飛機(jī)結(jié)構(gòu)上得以應(yīng)用[34]。碳/碳材料用于制備高穩(wěn)定、高承載的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)(該結(jié)構(gòu)在空間環(huán)境下的熱膨脹系數(shù)低于1×10-7/℃，且平壓強(qiáng)度>10 MPa，面內(nèi)兩個(gè)方向的剪切強(qiáng)度>4 MPa)[35]。形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料已應(yīng)用在航天器的可展開鉸鏈、可展開桁架、可展開太陽(yáng)能電池陣、鎖緊釋放機(jī)構(gòu)[36]。形狀記憶合金已應(yīng)用于小衛(wèi)星機(jī)構(gòu)(連接裝置)上[37]。納米碳復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高剛度以及多功能特性，已經(jīng)應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域的多功能結(jié)構(gòu)[38]。還有其他一些多功能材料(如具有吸波、透波、導(dǎo)電、防熱、智能等功能的材料)能賦予小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)具備除傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)以外的多種功能[39]，也會(huì)催生一些諸如蜂巢仿生結(jié)構(gòu)[40]的新型結(jié)構(gòu)。

3 小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)連接方式的發(fā)展

小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的連接包括衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部件之間的連接、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與運(yùn)載火箭之間的連接、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與星上設(shè)備之間的連接。具體連接方式包括金屬結(jié)構(gòu)的焊接、鉚接、螺栓連接、膠接以及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的螺栓連接、膠接和整體固化成型。結(jié)構(gòu)連接的目的主要是滿足整星的強(qiáng)度和剛度要求，通常重點(diǎn)關(guān)注整星結(jié)構(gòu)主傳力環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)連接，這類連接通常直接決定了整星結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力。例如，2009年，中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部李翔等對(duì)基于CAST968小衛(wèi)星平臺(tái)的環(huán)境減災(zāi)-1A和環(huán)境減災(zāi)-1B衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，顯著提高整星結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度,同時(shí)主承力結(jié)構(gòu)增加的重量很少[41]。

衛(wèi)星與運(yùn)載火箭之間的連接方式主要是包帶、爆炸螺栓和部署器。包帶連接通常適用于一箭一星或者一箭多星串聯(lián)發(fā)射的衛(wèi)星(大多數(shù)整星重量在200 kg以上)。法國(guó)Alcatel公司Proteus平臺(tái)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)[9-10]和中國(guó)CAST968平臺(tái)小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)都采用包帶連接方式。爆炸螺栓連接通常適用于一箭多星并聯(lián)發(fā)射的衛(wèi)星，GRACE衛(wèi)星就是用爆炸螺栓與運(yùn)載火箭連接[28]。部署器則通常用于一箭多星發(fā)射的立方星結(jié)構(gòu)與運(yùn)載火箭之間的連接。

總的說(shuō)來(lái)，伴隨著小衛(wèi)星六十多年來(lái)的發(fā)展歷程，小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的連接方式基本都是繼承上述傳統(tǒng)的、歷經(jīng)空間飛行考核的、成熟可靠的連接方式。在充分繼承成熟技術(shù)的同時(shí)，近幾年也出現(xiàn)了如下3種新的連接方式：

1)具備快速拆裝功能的連接方式。2017年，哈爾濱工程大學(xué)周凱設(shè)計(jì)的運(yùn)載火箭齒槽加螺柱、具備快速拆裝功能的連接方式[42]就屬于這類結(jié)構(gòu)連接方式；

2)兼有減振隔振功能的連接方式。2016年，南京航空航天大學(xué)的王進(jìn)強(qiáng)用金屬橡膠材料作為隔振器的核心，用形狀記憶合金絲作為驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)了兼有隔振功能的連接方式，用于發(fā)射階段的隔振[43]；

3)具有尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)的連接方式。2016年，上海衛(wèi)星工程研究所朱華等設(shè)計(jì)出橫向游離的半剛性連接方式，實(shí)現(xiàn)SAR天線與星體結(jié)構(gòu)之間的熱變形隔離[44]。

這幾種新型的連接方式，未來(lái)也可應(yīng)用在小衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)連接上。

4 小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)的發(fā)展

小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)與小衛(wèi)星總體的技術(shù)要求密切相關(guān)。小衛(wèi)星總體對(duì)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)要求一般包括剛度要求、強(qiáng)度要求、環(huán)境適應(yīng)性要求、尺寸要求、星載設(shè)備安裝布局要求、重量要求、精度要求、起吊要求等，這些要求一般以一組技術(shù)指標(biāo)(如一階固有頻率大于或等于最低值、重量小于或等于最高值等)來(lái)反映。按照這些技術(shù)要求開展小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，力求減輕結(jié)構(gòu)重量，在有限的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)空間內(nèi)安裝較多的星載設(shè)備。對(duì)技術(shù)指標(biāo)的滿足情況越好，則表明小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)越符合衛(wèi)星總體的要求(甚至是衛(wèi)星用戶的需求)。

隨著小衛(wèi)星應(yīng)用的多樣化、商業(yè)航天競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的激烈化和衛(wèi)星總體的要求的不斷提高，小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)也向著多元化方向發(fā)展，對(duì)小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)不僅僅是技術(shù)指標(biāo)，還有成本指標(biāo)、研制進(jìn)度指標(biāo)、技術(shù)先進(jìn)性等指標(biāo)。例如，文獻(xiàn)[13-15]中的立方星結(jié)構(gòu)更多體現(xiàn)了低成本和短研制周期的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[22-23]中的多功能衛(wèi)星結(jié)構(gòu)能提供傳統(tǒng)小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)不具備的多種功能，其評(píng)價(jià)指標(biāo)更側(cè)重于多功能結(jié)構(gòu)的技術(shù)先進(jìn)性。

5 小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)

縱觀國(guó)內(nèi)外小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀，展望未來(lái)小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)如下：

1)小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)型呈通用化、小型化、專用化和多功能一體化的多元同步發(fā)展趨勢(shì)；

2)通用平臺(tái)小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)逐漸向大于1000 kg的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)拓展，使得小衛(wèi)星具有更多功能和更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域；

3)立方星結(jié)構(gòu)逐漸向具有通用化、模塊化的微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)方向發(fā)展；

4)專用化的小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)將與有效載荷深度融合成為一體；

5)在結(jié)構(gòu)輕量化的需求牽引和工藝的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下，小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料正向著比強(qiáng)度和比剛度更高的方向發(fā)展，鋁鋰合金和鎂鋰合金將是很有發(fā)展前景的材料；適應(yīng)3D打印工藝的金屬粉末材料將會(huì)備受關(guān)注；多功能材料將是小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料一個(gè)重要的發(fā)展方向；

6)仿生結(jié)構(gòu)是一個(gè)新的發(fā)展方向，仿生結(jié)構(gòu)有望從零部件推廣到具有特殊功能的小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上；

7)具有快速拆裝功能、減振隔振功能和尺寸穩(wěn)定性強(qiáng)的結(jié)構(gòu)連接是未來(lái)小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)連接的發(fā)展方向；

8)小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)向著多元化方向發(fā)展。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于對(duì)國(guó)內(nèi)外小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)型、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)連接方式和結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)的發(fā)展現(xiàn)狀分析，本文指出了小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)通用化、小型化、專用化、多功能一體化的未來(lái)多元發(fā)展趨勢(shì)，也提出小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)材料、連接方式和評(píng)價(jià)指標(biāo)方面的發(fā)展建議，可為小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。