小衛(wèi)星機(jī)械總體設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展及展望

劉質(zhì)加 張立華 韓冬

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

衛(wèi)星的機(jī)械總體設(shè)計(jì)工作是衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的重要組成部分，包含衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、總裝設(shè)計(jì)等。其中，構(gòu)型布局設(shè)計(jì)的根本任務(wù)是在各類(lèi)約束條件下，確定衛(wèi)星的主承力結(jié)構(gòu)方案、艙段組成，外形尺寸和星箭接口形式，完成衛(wèi)星各類(lèi)設(shè)備的布局設(shè)計(jì)和分析。結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是為衛(wèi)星及其儀器設(shè)備提供支撐，承受和傳遞載荷，并保持一定的剛度和尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)還要設(shè)計(jì)星上機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)星箭分離、星星分離、太陽(yáng)翼展開(kāi)等動(dòng)作?？傃b設(shè)計(jì)是根據(jù)總體要求，設(shè)計(jì)確定各種星上儀器設(shè)備的安裝位置、緊固方式、電纜波導(dǎo)以及管路走向，確保設(shè)備的功能以及整星的質(zhì)量特性、精度都能滿(mǎn)足總體要求。隨著近年來(lái)小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用的快速發(fā)展，小衛(wèi)星任務(wù)和載荷日趨多樣化，對(duì)衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)也帶來(lái)了多樣化的需求，小衛(wèi)星的高性能發(fā)展帶來(lái)對(duì)強(qiáng)機(jī)動(dòng)能力、高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的需求，衛(wèi)星大規(guī)模星群組網(wǎng)帶來(lái)了對(duì)衛(wèi)星模塊化設(shè)計(jì)、批量化總裝的需求，衛(wèi)星不斷縮短的研發(fā)周期帶來(lái)了對(duì)數(shù)字化手段應(yīng)用、流程優(yōu)化的需求，這都對(duì)小衛(wèi)星機(jī)械總體提出了越來(lái)越高的要求。

本文針對(duì)近年來(lái)的小衛(wèi)星發(fā)展需求，系統(tǒng)分析總結(jié)了小衛(wèi)星機(jī)械總體設(shè)計(jì)技術(shù)近年來(lái)的發(fā)展和應(yīng)用情況，并提出了小衛(wèi)星機(jī)械總體技術(shù)的展望。

1 小衛(wèi)星機(jī)械總體設(shè)計(jì)需求分析

近年來(lái)，全球小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展強(qiáng)勁，發(fā)射數(shù)量逐年大幅增長(zhǎng)，成為世界航天活動(dòng)的主要構(gòu)成部分之一。小衛(wèi)星不僅是當(dāng)下的發(fā)展熱點(diǎn)，未來(lái)也將保持快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)[1-2]。小衛(wèi)星由于其小型化、低成本、研制周期短的優(yōu)勢(shì)，完成的任務(wù)呈現(xiàn)多樣性的特點(diǎn)，覆蓋了一系列應(yīng)用，包括對(duì)地觀(guān)測(cè)、通信、空間科學(xué)、深空探測(cè)、技術(shù)試驗(yàn)等各個(gè)領(lǐng)域。針對(duì)多樣化的任務(wù)需求，小衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計(jì)也隨之多樣化，如太空探索技術(shù)(SpaceX)公司的星鏈衛(wèi)星、國(guó)內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星的代表吉林一號(hào)，都是出于任務(wù)的需求，對(duì)整體構(gòu)型的個(gè)性化設(shè)計(jì)。

小衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)機(jī)械總體設(shè)計(jì)也提出了新的需求，其中主要發(fā)展趨勢(shì)在于以下幾點(diǎn)。

(1)對(duì)地觀(guān)測(cè)類(lèi)小衛(wèi)星[3]為了實(shí)現(xiàn)看得全、看得清、看得準(zhǔn)、看得快的目標(biāo)，對(duì)快速機(jī)動(dòng)能力及高分辨率提出了越來(lái)越高的要求，如國(guó)際上比較有代表性的法國(guó)昴宿星(Pleiades)，這就要求衛(wèi)星機(jī)械總體設(shè)計(jì)要注重整體構(gòu)型的緊湊性、加強(qiáng)與載荷的一體化設(shè)計(jì)以?xún)?yōu)化衛(wèi)星質(zhì)量特性，同時(shí)采用新材料、新方法實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。

(2)在通信類(lèi)小衛(wèi)星以及其它低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座任務(wù)的牽引下以SpaceX星鏈為代表的高密度、低成本、高度模塊化的小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁[4-5]，為適應(yīng)大批量研制發(fā)射的需求，開(kāi)創(chuàng)性的引進(jìn)了衛(wèi)星堆疊發(fā)射技術(shù)，首次將批量化生產(chǎn)、發(fā)射技術(shù)引入衛(wèi)星領(lǐng)域，引領(lǐng)了整個(gè)行業(yè)的潮流，如何滿(mǎn)足小衛(wèi)星批量化生產(chǎn)和發(fā)射的需求，也是小衛(wèi)星機(jī)械總體設(shè)計(jì)要考慮的重要問(wèn)題。

(3)小衛(wèi)星具有作為在軌技術(shù)驗(yàn)證的先天優(yōu)勢(shì)，近些年來(lái)，各類(lèi)依靠新型載荷實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜航天任務(wù)，如空間操作、地球電磁場(chǎng)探測(cè)[6]、引力波探測(cè)[7]等空間任務(wù)，以及小衛(wèi)星向超低軌以及深空一近一遠(yuǎn)兩個(gè)方向的任務(wù)擴(kuò)展應(yīng)用，對(duì)小衛(wèi)星的外形設(shè)計(jì)、超精超穩(wěn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高精度質(zhì)量特性設(shè)計(jì)都提出了挑戰(zhàn)。

(4)由于小衛(wèi)星需求的增加，以火工品驅(qū)動(dòng)為代表的傳統(tǒng)星箭包帶連接解鎖機(jī)構(gòu)、太陽(yáng)翼連接解鎖機(jī)構(gòu)等已不能滿(mǎn)足小衛(wèi)星對(duì)接口多樣化、低沖擊、低成本的需求。近些年來(lái)，星箭解鎖分離由對(duì)接環(huán)-包帶式向多點(diǎn)解鎖分離式發(fā)展，解鎖裝置由高沖擊高危險(xiǎn)不可重復(fù)使用的火工品向以利用記憶合金新材料為代表的新型低沖擊可重復(fù)使用解鎖裝置發(fā)展，成本不斷降低。同時(shí)星上機(jī)構(gòu)還要根據(jù)需求發(fā)展多星堆疊壓緊釋放以及在軌可重復(fù)收展、即插即用的各類(lèi)技術(shù)[8]。

(5)小衛(wèi)星研制周期越來(lái)越短，完成一顆衛(wèi)星的全部研制工作已從10年前的20～30個(gè)月縮短到現(xiàn)在的6～9個(gè)月。為了解決市場(chǎng)需求與研制能力不足的問(wèn)題，小衛(wèi)星機(jī)械總體設(shè)計(jì)必須采取分艙、分塊的模塊化設(shè)計(jì)，化主線(xiàn)為輔線(xiàn)，變串行為并行，同時(shí)在機(jī)械設(shè)計(jì)上大量采用數(shù)字化手段，推動(dòng)二維到三維的轉(zhuǎn)化、推動(dòng)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的精細(xì)驗(yàn)證，確保高效率完成設(shè)計(jì)并確保一次做對(duì)。

2 小衛(wèi)星構(gòu)型布局技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用情況

衛(wèi)星構(gòu)型是指衛(wèi)星整體的基本空間構(gòu)架和形式，衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)在總體設(shè)計(jì)中具有較高的地位和重要性，其主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)品外部工程環(huán)境、有利于產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)、有利于研制和能促進(jìn)產(chǎn)品發(fā)展的總體空間布局、艙段劃分、輪廓尺寸和形狀。因此，保證和有利于衛(wèi)星功能實(shí)現(xiàn)就是衛(wèi)星構(gòu)型的主要目的，近20年來(lái)，衛(wèi)星功能要求的不斷提升，就是構(gòu)型設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的最大推力。

衛(wèi)星的姿態(tài)控制方式對(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)有很大的影響。小衛(wèi)星的姿態(tài)控制經(jīng)歷了自旋穩(wěn)定和三軸穩(wěn)定兩種方式，適用于不同的任務(wù)。自旋穩(wěn)定衛(wèi)星對(duì)構(gòu)型有嚴(yán)格的要求?？臻g環(huán)境探測(cè)雙星[9]就是采用自旋穩(wěn)定控制的衛(wèi)星(見(jiàn)圖1)，其構(gòu)型為圓柱體，采用體裝太陽(yáng)翼，衛(wèi)星直徑大于高度，其目的是保證自旋軸與最大慣量軸重合。

自旋穩(wěn)定型衛(wèi)星只適用于特定的空間任務(wù)需求，三軸穩(wěn)定型的姿態(tài)控制系統(tǒng)是目前小衛(wèi)星的主流控制方式，構(gòu)型設(shè)計(jì)與自旋穩(wěn)定型衛(wèi)星也有較大的差別。對(duì)于采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制的衛(wèi)星在滿(mǎn)足姿控設(shè)備極性要求的前提下，衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計(jì)更多的是與有效載荷的形態(tài)和要求有關(guān)。基于輕量化設(shè)計(jì)思路的板式箱體型構(gòu)型是當(dāng)時(shí)選擇的小衛(wèi)星構(gòu)型最佳方案，一般以六面體為主。如以環(huán)境減災(zāi)一號(hào)衛(wèi)星[10](見(jiàn)圖2)為代表的CAST968平臺(tái)的衛(wèi)星構(gòu)型都是這種形式。

圖2 CAST968平臺(tái)衛(wèi)星構(gòu)型

隨著遙感衛(wèi)星的發(fā)展，以遙感二號(hào)衛(wèi)星為代表的系列衛(wèi)星統(tǒng)稱(chēng)為CAST2000平臺(tái)衛(wèi)星。主要是光學(xué)載荷為主，特點(diǎn)是載荷較大，姿控系統(tǒng)設(shè)備較多，與CAST968平臺(tái)的衛(wèi)星構(gòu)型相比，CAST2000平臺(tái)的衛(wèi)星構(gòu)型(見(jiàn)圖3)在總裝的便捷與快速實(shí)現(xiàn)上有了更高的需求，要盡可能的把各個(gè)總裝工序并行設(shè)計(jì)以減少主線(xiàn)的長(zhǎng)度，是當(dāng)時(shí)構(gòu)型設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的一項(xiàng)原則。自此，由載荷艙、平臺(tái)艙、推進(jìn)艙構(gòu)成的分艙設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)載荷、平臺(tái)設(shè)備總裝與推進(jìn)管路焊裝并行，縮短衛(wèi)星研制主線(xiàn)周期，在小衛(wèi)星構(gòu)型模塊化設(shè)計(jì)道路上邁出了第一步。

圖3 CAST2000平臺(tái)衛(wèi)星構(gòu)型

后續(xù)的天繪系列衛(wèi)星[11]、實(shí)踐九號(hào)衛(wèi)星、委內(nèi)瑞拉遙感衛(wèi)星等小衛(wèi)星都是采用該構(gòu)型形式。這種構(gòu)型與CAST968平臺(tái)的構(gòu)型本質(zhì)都是立方體式的箱板式結(jié)構(gòu)，這種構(gòu)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)部設(shè)備布局空間充足，設(shè)備裝填密度較高、外部形狀規(guī)整，構(gòu)型對(duì)稱(chēng)性好，至今仍是小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)的主流。

隨著衛(wèi)星功能的日益增強(qiáng)和新載荷的不斷涌現(xiàn)，對(duì)構(gòu)型設(shè)計(jì)的新需求也逐漸顯現(xiàn)，近年來(lái)，比較有代表性的小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)主要有以下3種。

1)面向敏捷要求的快速機(jī)動(dòng)型小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)

高分辨率、高精度、高敏捷型的高分專(zhuān)項(xiàng)系列衛(wèi)星是“十二五”之后小衛(wèi)星領(lǐng)域的重點(diǎn)型號(hào)，其快速機(jī)動(dòng)的需求對(duì)整星構(gòu)型提出了新的要求。整星構(gòu)型要緊湊布局，使衛(wèi)星沿俯仰和滾動(dòng)軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小，緊湊型六面體配置3塊剛性太陽(yáng)翼的CAST3000平臺(tái)構(gòu)型(見(jiàn)圖4)應(yīng)運(yùn)而生。與CAST2000系列衛(wèi)星的構(gòu)型相比，CAST3000平臺(tái)的六面體構(gòu)型具有結(jié)構(gòu)更緊湊、設(shè)備布局面積更大、同等能源需求下太陽(yáng)翼伸展長(zhǎng)度最短等特點(diǎn)。同等配置下，其一方面實(shí)現(xiàn)了較低的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；另一方面，太陽(yáng)翼采用單板展開(kāi)并增加撐桿的設(shè)計(jì)，有效提高了整星剛度，可以更好地滿(mǎn)足衛(wèi)星快速機(jī)動(dòng)的需求。尤其對(duì)于搭配了主動(dòng)指向超靜平臺(tái)的敏捷型衛(wèi)星，這種構(gòu)型設(shè)計(jì)可以更好地發(fā)揮三超平臺(tái)的高穩(wěn)定性快速機(jī)動(dòng)的功效。

圖4 CAST3000平臺(tái)衛(wèi)星構(gòu)型

2)面向快速總裝、批產(chǎn)、批發(fā)射要求的小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)

隨著小衛(wèi)星組網(wǎng)和星群應(yīng)用需求的逐漸增加，以批量化生產(chǎn)為目的的構(gòu)型設(shè)計(jì)成為當(dāng)前要解決的一個(gè)問(wèn)題。如何實(shí)現(xiàn)快速總裝、批量發(fā)射是目前的重點(diǎn)研究方向?；谀K化設(shè)計(jì)的衛(wèi)星構(gòu)型形式以及面向批發(fā)射需求高度定制化的衛(wèi)星構(gòu)型形式浮出水面。

模塊化的設(shè)計(jì)思路，首先是分艙的設(shè)計(jì)思想，平臺(tái)、載荷、推進(jìn)是最基本的三艙設(shè)計(jì)方案，三艙間耦合關(guān)系最小，可并行總裝。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展，衍生出太陽(yáng)翼模塊、載荷模塊等各個(gè)功能模塊，原則就是各個(gè)模塊間可并行、模塊間裝配關(guān)系簡(jiǎn)單。模塊化構(gòu)型的代表衛(wèi)星有CAST4000平臺(tái)衛(wèi)星(見(jiàn)圖5)、微納平臺(tái)系列衛(wèi)星(見(jiàn)圖6)等。

圖5 CAST4000平臺(tái)衛(wèi)星構(gòu)型

圖6 采用分艙設(shè)計(jì)的某微納平臺(tái)

另一方面，就是以堆疊式平板衛(wèi)星(見(jiàn)圖7)為代表的面向批量發(fā)射的衛(wèi)星。其設(shè)計(jì)宗旨在于充分利用運(yùn)載的包絡(luò)空間與能力，不但在衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計(jì)上顛覆傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，還要針對(duì)傳統(tǒng)單機(jī)設(shè)計(jì)扁平化改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)以平板堆疊形式為代表的發(fā)射數(shù)量最優(yōu)，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量發(fā)射組網(wǎng)的目的。

圖7 堆疊式平板衛(wèi)星構(gòu)型

3)具有特殊功能需求的小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)

隨著小衛(wèi)星任務(wù)的多樣化，小衛(wèi)星在新技術(shù)驗(yàn)證、空間科學(xué)、深空探測(cè)等領(lǐng)域的不斷深入，促進(jìn)了面向各類(lèi)新型載荷的小衛(wèi)星構(gòu)型的提出。如在空間技術(shù)試驗(yàn)方面，適應(yīng)子母星空間釋放、交會(huì)、接近等技術(shù)驗(yàn)證的小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)，典型代表是皮納二號(hào)(PN-2)衛(wèi)星等(見(jiàn)圖8)；在地球重力場(chǎng)、引力波探測(cè)方面，精密測(cè)量載荷對(duì)衛(wèi)星外形、表面狀態(tài)、力熱穩(wěn)定性能、質(zhì)心控制都提出了極高的要求，如低軌重力場(chǎng)測(cè)量類(lèi)衛(wèi)星的構(gòu)型(見(jiàn)圖9)就充分考慮了其減小低軌迎風(fēng)面積、優(yōu)化整星外形氣動(dòng)表現(xiàn)以及高精度熱控、超穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；在月球探測(cè)方面，為適應(yīng)地月遠(yuǎn)距離中繼通信，鵲橋衛(wèi)星[12]整星構(gòu)型(見(jiàn)圖10)上需適應(yīng)高增益大型傘狀天線(xiàn)，結(jié)構(gòu)采用最簡(jiǎn)化的十字隔板型設(shè)計(jì)，整體輕小緊湊，在最大程度上實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

圖8 PN-2衛(wèi)星構(gòu)型

圖9 低軌重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星構(gòu)型示意

圖10 鵲橋衛(wèi)星構(gòu)型

3 小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展情況

在小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù)發(fā)展方面，衛(wèi)星主結(jié)構(gòu)主要采用了“箱板式+對(duì)接環(huán)”或“箱板式+推進(jìn)艙”形式，太陽(yáng)翼機(jī)械部分采用了“剛性基板+渦卷彈簧驅(qū)動(dòng)鉸鏈”的形式，星箭接口主要為660、937和1194型包帶接口。小衛(wèi)星廣泛使用具有比強(qiáng)度比剛度較高、可設(shè)計(jì)性好、結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、生產(chǎn)工藝成熟、周期短和經(jīng)濟(jì)成本低的鋁合金面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板，適合小衛(wèi)星低成本、短周期的研制特點(diǎn)。為了滿(mǎn)足主結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量的需求，一些小衛(wèi)星任務(wù)中局部采用了質(zhì)量輕、剛度好的碳纖維面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板，但該結(jié)構(gòu)板導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能差、成本相對(duì)高，并沒(méi)有在小衛(wèi)星中得到廣泛使用。CAST2000平臺(tái)小衛(wèi)星推進(jìn)艙采用“上下端框+鋁桁條+鋁蒙皮”的結(jié)構(gòu)形式，下端框既是推進(jìn)艙結(jié)構(gòu)一部分也是對(duì)接環(huán)，推進(jìn)艙質(zhì)量約40 kg左右，主要用于質(zhì)量在1000 kg左右的小衛(wèi)星任務(wù)。小衛(wèi)星太陽(yáng)翼剛性基板采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式，面板為高模量碳纖維/改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料網(wǎng)格狀面板，壓緊釋放機(jī)構(gòu)主要為壓緊桿式，火工切割器為釋放動(dòng)力裝置，展開(kāi)鎖定機(jī)構(gòu)采用渦卷彈簧驅(qū)動(dòng)鉸鏈。

近年來(lái)，特別是2015年以后，微納衛(wèi)星發(fā)展迅速，針對(duì)微納衛(wèi)星的低成本、短周期、搭載空間有限、搭載形式多樣等特點(diǎn)，微納衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新。在主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，“鋁合金加筋結(jié)構(gòu)板+鋁合金框架”、“鋁合金面板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板+鋁合金框架”及“側(cè)板主承力”等結(jié)構(gòu)形式被應(yīng)用于微納衛(wèi)星，充分兼顧了成本、周期、設(shè)備布局、結(jié)構(gòu)性能等綜合需求(見(jiàn)圖11)。在分離機(jī)構(gòu)方面，面向輕量化、低成本、低沖擊、可重復(fù)使用、批量壓緊釋放等需求，各種新型星箭分離機(jī)構(gòu)、星星分離機(jī)構(gòu)、太陽(yáng)翼展開(kāi)機(jī)構(gòu)以及堆疊式平板衛(wèi)星壓緊釋放機(jī)構(gòu)成為研制熱點(diǎn)(見(jiàn)圖12、13)。其中，旋轉(zhuǎn)式小包帶分離機(jī)構(gòu)具有質(zhì)量輕、剛度高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，可滿(mǎn)足200 kg以下微納衛(wèi)星使用需求。低成本“鋁合金加筋基板+扭簧鉸鏈+記憶合金拔銷(xiāo)器鎖緊釋放”太陽(yáng)翼，將記憶合金等新材料應(yīng)用于鎖緊釋放裝置，具有可重復(fù)使用、低成本、低沖擊等區(qū)別于傳統(tǒng)火工品解鎖的優(yōu)勢(shì)，先后成功應(yīng)用于多型微納衛(wèi)星任務(wù)中。

圖11 多樣化微納衛(wèi)星結(jié)構(gòu)

圖12 多樣化微納衛(wèi)星機(jī)構(gòu)

圖13 堆疊衛(wèi)星壓緊釋放機(jī)構(gòu)

近年來(lái)為滿(mǎn)足微納衛(wèi)星結(jié)構(gòu)更短研制周期、更輕質(zhì)量、更高穩(wěn)定性等需求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念、新材料新工藝使用方面取得了新的突破[13-14]。例如在采用拓?fù)鋬?yōu)化及3D打印技術(shù)方面，面向鵲橋衛(wèi)星的減輕質(zhì)量需求研制出了3D打印動(dòng)量輪支架和星敏支架，在埃及二號(hào)衛(wèi)星上研制了一體化星敏支架，這些次結(jié)構(gòu)的減輕質(zhì)量均達(dá)到50%以上(見(jiàn)圖14)，其中一體化星敏支架減輕質(zhì)量甚至達(dá)到80%。

圖14 一體化星敏支架拓?fù)鋬?yōu)化及3D打印

在主結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，也采用拓?fù)鋬?yōu)化及3D打印技術(shù)研制開(kāi)發(fā)了高度一體化的微納主結(jié)構(gòu)，主結(jié)構(gòu)構(gòu)件由傳統(tǒng)的十余件縮減成一件，減輕質(zhì)量效果好，集成度極高(見(jiàn)圖15)。

圖15 微納衛(wèi)星拓?fù)鋬?yōu)化主結(jié)構(gòu)及3D打印

重力場(chǎng)測(cè)量任務(wù)需通過(guò)整星次結(jié)構(gòu)及主結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)核心測(cè)量設(shè)備及設(shè)備之間的位置穩(wěn)定。研制了近零膨脹的設(shè)備支架，采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖16)，通過(guò)鋪層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)載荷設(shè)備安裝點(diǎn)位移最小化，以滿(mǎn)足載荷相對(duì)位置精度要求；開(kāi)發(fā)了零膨脹桁架式支撐結(jié)構(gòu)，熱變形可控制在10-7/K量級(jí)；開(kāi)展了低熱膨脹的碳/碳結(jié)構(gòu)板的研究，成功研制了高穩(wěn)定重力梯度儀支撐結(jié)構(gòu)并完成了相關(guān)地面試驗(yàn)，為未來(lái)型號(hào)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖16 碳纖維復(fù)合材料零膨脹桁架結(jié)構(gòu)

4 數(shù)字化技術(shù)在小衛(wèi)星機(jī)械總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著小衛(wèi)星研制任務(wù)日益增多，研制周期越來(lái)越短，衛(wèi)星機(jī)械總體設(shè)計(jì)必須充分利用數(shù)字化手段，實(shí)現(xiàn)高效率的設(shè)計(jì)以及高質(zhì)量驗(yàn)證，確保一次做對(duì)，才能帶來(lái)高效益。

傳統(tǒng)小衛(wèi)星設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造流程中，通過(guò)三維模型軟件進(jìn)行建模，完成整星的構(gòu)型布局，管路設(shè)計(jì)，電纜走向，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后通過(guò)二維圖紙將需要的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、管路、電纜、零部件的制造要求傳遞至生產(chǎn)制造單位，生產(chǎn)制造單位根據(jù)二維圖紙進(jìn)行投產(chǎn)加工。在衛(wèi)星總裝、測(cè)試與試驗(yàn)(AIT)過(guò)程中主要通過(guò)二維圖紙和設(shè)計(jì)師編寫(xiě)的紙質(zhì)文件進(jìn)行設(shè)備安裝，電纜敷設(shè)等工作，效率比較低。隨著三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)迅猛發(fā)展，近十年來(lái)，在中國(guó)空間技術(shù)研究院宇航智造工程引領(lǐng)下，小衛(wèi)星積極開(kāi)展基于模型定義(MBD)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造，其核心內(nèi)容是衛(wèi)星的完整精細(xì)化幾何模型，所有相關(guān)的工藝描述信息、屬性信息、管理信息等都附著在產(chǎn)品的三維模型中，結(jié)構(gòu)、電纜、管路、熱控、直屬件、設(shè)備總裝都實(shí)現(xiàn)了全三維下廠(chǎng)(見(jiàn)圖17)，極大提高了小衛(wèi)星研制的質(zhì)量和效率。

圖17 管路、電纜全三維設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)流程方面，機(jī)械總體設(shè)計(jì)已經(jīng)全面從傳統(tǒng)一人一星的串行設(shè)計(jì)發(fā)展成為依靠全生命周期產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的多人多星協(xié)同設(shè)計(jì)模式，其特點(diǎn)如下：

(1)建立健全了產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)+仿真數(shù)據(jù)管理(SDM)+試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理(TDM)的完整系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了版本管理及多人協(xié)同；

(2)實(shí)現(xiàn)了自頂而下的規(guī)范設(shè)計(jì)(BOM)以及基于骨架模型發(fā)布的構(gòu)型-總裝-熱控-電纜網(wǎng)多專(zhuān)業(yè)協(xié)同模型設(shè)計(jì)模式；

(3)建立健全了平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備庫(kù)、緊固件庫(kù)、管閥件庫(kù)、直屬件庫(kù)、電纜接插件庫(kù)等各類(lèi)通用庫(kù)，支撐了快速協(xié)同設(shè)計(jì)的開(kāi)展。

通過(guò)向全三維設(shè)計(jì)加協(xié)同設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)型，小衛(wèi)星機(jī)械總體設(shè)計(jì)在質(zhì)量和效率上有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。全三維設(shè)計(jì)模式下，以往衛(wèi)星總裝設(shè)計(jì)中的各類(lèi)常發(fā)的機(jī)械干涉問(wèn)題基本降至0。數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)使單星(如500 kg標(biāo)準(zhǔn)小衛(wèi)星)的總裝詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)間由10年前的近兩個(gè)月縮短至現(xiàn)在的兩周，是當(dāng)前能夠在人員不變的基礎(chǔ)上完成倍增的型號(hào)設(shè)計(jì)任務(wù)的重要保證。

5 發(fā)展展望

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)小衛(wèi)星機(jī)械總體技術(shù)必然要面對(duì)更為復(fù)雜的航天任務(wù)需求。同時(shí)，低成本、大批量、超精超穩(wěn)等方面的需求也會(huì)不斷增強(qiáng)，因此，未來(lái)小衛(wèi)星機(jī)械總體技術(shù)的發(fā)展應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下3個(gè)方面：

(1)構(gòu)型布局要從不同任務(wù)領(lǐng)域需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)并研究確定最佳構(gòu)型參數(shù)，如面向批量發(fā)射的扁平化設(shè)計(jì)、面向快速響應(yīng)的模塊化設(shè)計(jì)、面向超低軌道的特殊氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、面向高機(jī)動(dòng)的質(zhì)量特性設(shè)計(jì)、面向在軌重構(gòu)需求的變構(gòu)型設(shè)計(jì)等，構(gòu)型布局設(shè)計(jì)應(yīng)從經(jīng)驗(yàn)化設(shè)計(jì)走向細(xì)分領(lǐng)域的理論化設(shè)計(jì)，不斷提高構(gòu)型布局設(shè)計(jì)的科學(xué)性；

(2)在小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)技術(shù)方面，應(yīng)不斷發(fā)展適應(yīng)不同規(guī)模衛(wèi)星的輕量化標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，星載一體化的多功能結(jié)構(gòu)，高穩(wěn)定的零膨脹結(jié)構(gòu)，高度集成的輕量化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在小衛(wèi)星機(jī)構(gòu)技術(shù)方面，應(yīng)發(fā)展大展收比的伸桿機(jī)構(gòu)，適用于各類(lèi)天線(xiàn)的低沖擊展開(kāi)機(jī)構(gòu)，適應(yīng)微小衛(wèi)星的輕量化太陽(yáng)翼機(jī)構(gòu)，布局靈活的低沖擊點(diǎn)式分離機(jī)構(gòu)，面向組批發(fā)射的多星分離機(jī)構(gòu)等；

(3)持續(xù)推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)在小衛(wèi)星機(jī)械總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。要與基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)、數(shù)字孿生、虛擬現(xiàn)實(shí)、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)、產(chǎn)品全生命周期管理等技術(shù)充分融合，不斷提高小衛(wèi)星機(jī)械總體設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)數(shù)據(jù)的充分融合，進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)效率以及形成機(jī)械總體的全生命周期數(shù)字資產(chǎn)等。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)小衛(wèi)星機(jī)械總體技術(shù)近年來(lái)的發(fā)展，針對(duì)構(gòu)型布局設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及機(jī)械總體設(shè)計(jì)的數(shù)字化發(fā)展等方面進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)小衛(wèi)星機(jī)械總體技術(shù)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。伴隨著小衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，對(duì)小衛(wèi)星機(jī)械總體設(shè)計(jì)提出了更高的要求，未來(lái)小衛(wèi)星機(jī)械總體設(shè)計(jì)必然面向新的需求，充分利用數(shù)字化手段，提出科學(xué)、高效、低成本的解決方案。