“星鏈”堆疊式衛(wèi)星連接與分離技術(shù)及應(yīng)用

陳牧野 牟宇 周寧 王乾 趙文 呂鵬偉 (北京宇航系統(tǒng)工程研究所)

1 引言

“一箭多星”是指用一枚運(yùn)載火箭將兩顆及以上的衛(wèi)星發(fā)射至預(yù)定軌道。傳統(tǒng)的“一箭多星”發(fā)射模式需要依靠質(zhì)量體積較大的衛(wèi)星適配器，對(duì)整流罩內(nèi)寶貴空間的利用率不足，一次可以發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量也受到限制。為此，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）探索了一種新的“一箭多星”發(fā)射模式——堆疊式衛(wèi)星發(fā)射。堆疊式衛(wèi)星不再需要專門的衛(wèi)星適配器，節(jié)省了運(yùn)載能力的同時(shí)，也可以充分利用運(yùn)載火箭整流罩的可用空間，通過合理設(shè)計(jì)可突破一次發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量，提高發(fā)射效率。

2021年1月，SpaceX公 司 利 用獵鷹-9（Falcon-9）實(shí)現(xiàn)了“一箭143星”的發(fā)射壯舉，將10顆“星鏈”（Starlink）衛(wèi)星和133顆小衛(wèi)星送入軌道，大幅刷新了世界“一箭多星”發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量的紀(jì)錄。其中“星鏈”衛(wèi)星就是SpaceX公司利用衛(wèi)星和載荷支架統(tǒng)一設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)的一種標(biāo)準(zhǔn)化的堆疊式衛(wèi)星。此外，SpaceX公司利用獵鷹-9也實(shí)現(xiàn)了“星鏈”衛(wèi)星組的“一箭60星”常態(tài)發(fā)射。

目前，我國(guó)的“一箭多星”的紀(jì)錄為長(zhǎng)征八號(hào)遙二運(yùn)載火箭“一箭22星”，該次發(fā)射仍采用錐形載荷支架+中心承力筒+頂部圓盤的衛(wèi)星適配器方案，單次發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)量距離國(guó)際主流火箭的紀(jì)錄還有較大差距。在未來星網(wǎng)、通信衛(wèi)星等需求下，亟需開展“一箭多星”發(fā)射模式的技術(shù)儲(chǔ)備。本文針對(duì)SpaceX公司“星鏈”堆疊式衛(wèi)星連接與分離開展研究，對(duì)堆疊式衛(wèi)星連接與分離的關(guān)鍵技術(shù)和未來發(fā)展方向進(jìn)行分析和展望。

2 “星鏈”衛(wèi)星連接與分離概述

“星鏈”星座是SpaceX公司推出的一項(xiàng)通過近地球軌道衛(wèi)星群來提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。最初的設(shè)想是在地球上空的預(yù)定軌道部署由12000顆衛(wèi)星組成的巨型星座。2018年2月22日，SpaceX公司在美國(guó)加州范登堡空軍基地成功發(fā)射了一枚獵鷹-9火箭，并將兩顆小型實(shí)驗(yàn)通信衛(wèi)星送入軌道，“星鏈”計(jì)劃由此開啟。2019年10月22日，埃隆·馬斯克成功通過“星鏈”發(fā)送推特，表示“星鏈”已能提供天基互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

為實(shí)現(xiàn)“星鏈”星座的部署，若采取“一箭雙星”的方式發(fā)射，將共需約6000次發(fā)射才能完成整個(gè)星座的建設(shè)。為了能夠快速部署星座，最大化地利用整流罩內(nèi)部的空間，SpaceX公司創(chuàng)新提出衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)接口，并將衛(wèi)星設(shè)計(jì)成扁平的結(jié)構(gòu)，通過堆疊式的布局，取消了中央適配器結(jié)構(gòu)。在“星鏈”星座的發(fā)射任務(wù)中，采用了“一箭60星”的堆疊式搭載模式。

“星鏈衛(wèi)星”堆疊連接方式

60顆“星鏈”衛(wèi)星共被分為兩堆，每堆各30顆衛(wèi)星?！靶擎湣眴晤w衛(wèi)星的平面示意圖如下圖所示。其中，A、B、C分別為3個(gè)圓環(huán)垂直承力支柱，用于衛(wèi)星的堆疊并作為衛(wèi)星的承力結(jié)構(gòu)。三者高度并不一致，A支柱高度最高，B、C的高度為A的一半。兩堆衛(wèi)星通過支柱交錯(cuò)堆疊在一起，形成“拉鏈?zhǔn)健钡牟季纸Y(jié)構(gòu)。

為保證整個(gè)結(jié)構(gòu)在發(fā)射中的剛度，每一個(gè)承力支柱都配備有一個(gè)張緊機(jī)構(gòu)，它由兩根長(zhǎng)桿和長(zhǎng)桿間的連接結(jié)構(gòu)（類似于卡箍）及其附屬電纜組成。承力支柱是由每個(gè)衛(wèi)星的垂直支柱堆疊構(gòu)成的，主承力柱兩側(cè)的長(zhǎng)桿即為張緊機(jī)構(gòu)。

“星鏈”單顆衛(wèi)星結(jié)構(gòu)及堆疊方式

衛(wèi)星的堆疊方式

在衛(wèi)星堆疊的最上方的垂直支柱上設(shè)置一個(gè)橫向軸銷作為頂部壓緊裝置，通過兩個(gè)張力桿連接的機(jī)構(gòu)將軸銷壓緊，用于固定整體衛(wèi)星組。當(dāng)接到分離指令時(shí)，靠近載荷支架的張緊機(jī)構(gòu)首先解鎖，解除衛(wèi)星組下端固定，接著張緊機(jī)構(gòu)在分離能源帶動(dòng)下緩緩拔出，至特定位置后，解除上方固定。

衛(wèi)星組頂部壓緊裝置

“星鏈”衛(wèi)星分離方式

對(duì)于多星分離，最常見的星箭分離方式是彈簧彈射式。這些衛(wèi)星通過火工裝置等物理分離機(jī)構(gòu)固定在載荷支架上，在分離時(shí)刻，按照預(yù)定分離時(shí)序解鎖，一個(gè)接一個(gè)地被分離彈簧推離火箭，實(shí)現(xiàn)分離。而“星鏈”衛(wèi)星則采用了一種不同尋常的方法：在分離時(shí)刻，它緩慢旋轉(zhuǎn)火箭的末級(jí)，然后釋放了它的有效載荷，即一整堆打包的“星鏈”衛(wèi)星初始轉(zhuǎn)動(dòng)角速度下逐漸分離。這些衛(wèi)星組在距地440km處星箭分離，然后在接下來的幾天內(nèi)衛(wèi)星用霍爾推進(jìn)器爬升到550km 軌道，分散開來。

根據(jù)圖像視頻分析，可能的分離過程為：一是火箭在俯仰方向上主動(dòng)施加一定的角速度，在相同的俯仰角速度下，距離火箭較遠(yuǎn)的衛(wèi)星相對(duì)平動(dòng)速度更大，從而形成了自然的分離能源，提供衛(wèi)星整體一個(gè)遠(yuǎn)離箭體的速度，同時(shí)由于堆疊位置差異造成遠(yuǎn)端衛(wèi)星與近端衛(wèi)星線速度不同，分離后不同層的衛(wèi)星之間也在該速度差異下拉開距離保證分離安全；二是在滾轉(zhuǎn)方向上施加一定的角速度，通過滾轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，使得同一層的兩顆衛(wèi)星逐漸遠(yuǎn)離并保證分離安全。

采用這種分離方式，不需要單獨(dú)為每顆衛(wèi)星配置適配器和分離能源，這樣既節(jié)省了適配器的重量，也大大降低了分離系統(tǒng)的研制難度。

3 堆疊式衛(wèi)星連接與分離關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)“星鏈”堆疊式衛(wèi)星方案，衛(wèi)星創(chuàng)新性地采用統(tǒng)一的平板型結(jié)構(gòu)形式，采用統(tǒng)一的承力支柱接口進(jìn)行堆疊安裝連接，采用整體60顆衛(wèi)星組統(tǒng)一“拋灑”的分離方式。為了實(shí)現(xiàn)堆疊式衛(wèi)星的連接與分離，星箭結(jié)構(gòu)接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、星箭壓緊設(shè)計(jì)和星箭組合體分離方案設(shè)計(jì)是尤為重要的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

星箭結(jié)構(gòu)接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

美國(guó)專利《可堆疊衛(wèi)星和其堆疊方法》提出了一種可堆疊衛(wèi)星及其堆疊方法。該專利給出了星箭結(jié)構(gòu)接口的一種標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法，衛(wèi)星主要由框架，具有下端和上端的垂直支柱，以及支撐各種衛(wèi)星部件（諸如天線、貯箱和其他系統(tǒng)）的多個(gè)面板組成。其中，垂直支柱和面板通常用螺栓連接到衛(wèi)星框架上。垂直支柱位于框架的每個(gè)拐角上，保持衛(wèi)星框架的高度統(tǒng)一，以提高支柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率，保證整體連接剛度。衛(wèi)星按照此標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)運(yùn)載載荷支架與衛(wèi)星的對(duì)接接口也按照該標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行，即可以實(shí)現(xiàn)高效堆疊。

因此，星箭雙方需要協(xié)同開展星箭結(jié)構(gòu)接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，綜合考慮不同種類衛(wèi)星功能需求、不同運(yùn)載火箭整流罩空間要求，統(tǒng)一衛(wèi)星包絡(luò)尺寸、衛(wèi)星間及星箭間接口形式，以滿足不同衛(wèi)星的組合性發(fā)射及適應(yīng)多運(yùn)載發(fā)射的接口兼容性。并在此接口上開展多數(shù)量、多種類衛(wèi)星的堆疊布局方案設(shè)計(jì)。

星箭壓緊設(shè)計(jì)

星箭壓緊設(shè)計(jì)方案主要包括衛(wèi)星垂直支柱和連接解鎖機(jī)構(gòu)兩部分。

“星鏈”衛(wèi)星組分離過程

根據(jù)美國(guó)專利《可堆疊衛(wèi)星和其堆疊方法》，垂直支柱需要支撐安裝在其上的衛(wèi)星以及位于其上方的所有衛(wèi)星的重量，因此垂直支柱需要由非常高強(qiáng)度的材料支撐。但衛(wèi)星框架僅需承載衛(wèi)星自身的重量，因此可以由成本相對(duì)較低且強(qiáng)度稍弱的材料支撐。堆疊衛(wèi)星之間的連接主要通過支柱實(shí)現(xiàn)，支柱基本上承受了其本身和所有上方衛(wèi)星的垂直載荷。支柱的主要結(jié)構(gòu)形式有弧面支撐和梯形支撐兩種，其中梯形支撐的方式比弧面支撐能夠提供更好的橫向支撐。

垂直支柱連接示意圖[5]

衛(wèi)星垂直支柱在衛(wèi)星堆疊中起到非常重要的作用，主要發(fā)揮以下四方面的功能：

衛(wèi)星堆疊時(shí)各顆衛(wèi)星之間只靠連接支柱接觸，由于衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)都是相同的，所以每一顆衛(wèi)星都必須設(shè)計(jì)成能夠支撐堆疊在上方的最大數(shù)量的衛(wèi)星的質(zhì)量，并傳遞至運(yùn)載火箭衛(wèi)星支架。

通過設(shè)置合理的支柱連接形式，可以通過多點(diǎn)連接將衛(wèi)星準(zhǔn)確定位，再通過壓桿張緊裝置將衛(wèi)星組固定。

在火箭載荷支架上，設(shè)置同種類型的對(duì)接接口，保證衛(wèi)星組與火箭末級(jí)的定位與連接。

在連接支柱內(nèi)部提前設(shè)置碟簧（或其他形式）等分離能源，在星箭分離時(shí)提供星間分離沖量，保證衛(wèi)星組分離安全。

通過衛(wèi)星垂直支腳的連接，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星組的堆疊和橫向定位。衛(wèi)星組與衛(wèi)星載荷支架在火箭箭體軸向方向上的壓緊和釋放還需要通過連接解鎖機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)美國(guó)專利《可堆疊衛(wèi)星和其堆疊方法》，通過上蓋、下蓋、張緊軸、張緊軸支架和張緊軸螺栓實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星組的壓緊和釋放。其中，張緊軸沿著運(yùn)載火箭的中心軸定位，以垂直地壓緊衛(wèi)星堆。衛(wèi)星組分離時(shí)，通過解除上蓋和張緊軸螺栓的約束，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星組的分離。

連接解鎖機(jī)構(gòu)通過螺旋傳動(dòng)、連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等的自鎖原理實(shí)現(xiàn)高可靠壓緊，降低誤解鎖風(fēng)險(xiǎn)。達(dá)到預(yù)定軌道后，解鎖組件解鎖，釋放連接解鎖機(jī)構(gòu)組件的縱向壓緊力，解除衛(wèi)星組的固定，同時(shí)連接解鎖機(jī)構(gòu)組件頂部在彈簧等驅(qū)動(dòng)能源的作用下，沿預(yù)定軌跡向衛(wèi)星組外側(cè)運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離星組，保證星組分離安全。

星箭組合體分離方案設(shè)計(jì)

對(duì)于堆疊式衛(wèi)星組，其星箭組合體的分離方案為：通過標(biāo)準(zhǔn)化的堆疊式結(jié)構(gòu)接口，采用堆疊式的安裝方法，輔助壓緊組件的壓緊方式，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的可靠固定。通過給定運(yùn)載末級(jí)特定的姿態(tài)角速度，使衛(wèi)星組整體釋放，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星組與運(yùn)載末級(jí)的分離。保證在近場(chǎng)無碰撞的情況下，由衛(wèi)星自帶能源實(shí)現(xiàn)后續(xù)編隊(duì)及入軌。

針對(duì)上述多星緊湊空間下多體同時(shí)分離的星箭分離模式，需要開展多星分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究，建立多星分離的多體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)多星壓緊狀態(tài)下的分離機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，給出在多體無控狀態(tài)下的分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，星箭分離時(shí)，先給“火箭末級(jí)+堆疊衛(wèi)星組”的組合體一定的姿態(tài)角速度，隨后連接解鎖結(jié)構(gòu)分離，壓桿組件向組合體外側(cè)沿設(shè)定路線脫離并通過機(jī)械結(jié)構(gòu)系留在火箭末級(jí)上。與此同時(shí)，衛(wèi)星組整體與火箭上面級(jí)分離，各層衛(wèi)星之間通過預(yù)先設(shè)置的分離能源產(chǎn)生分離間隙，確保分離安全。

為驗(yàn)證衛(wèi)星組整體分離的可行性，對(duì)衛(wèi)星分離過程進(jìn)行仿真計(jì)算，建立星箭分離模型，使用ADAMS軟件進(jìn)行分離分析。

在給定衛(wèi)星和火箭末級(jí)組合體一定的俯仰角速度的初始條件下，各衛(wèi)星在自身的旋轉(zhuǎn)角速度和切向速度下進(jìn)行分離，衛(wèi)星之間逐步遠(yuǎn)離。旋轉(zhuǎn)角速度與衛(wèi)星的規(guī)模有密切聯(lián)系，若火箭無法提供較大的初始角速度，那么需要在衛(wèi)星和衛(wèi)星之間增加額外的分離能源，確保衛(wèi)星之間不發(fā)生碰撞。同時(shí)，為避免火箭末級(jí)及支撐桿碰撞衛(wèi)星，通常需要在火箭上設(shè)置一定的反向分離能源，使火箭主動(dòng)遠(yuǎn)離衛(wèi)星。

星箭分離三維模型

分離后近場(chǎng)各衛(wèi)星之間的狀態(tài)

4 堆疊式衛(wèi)星連接與分離技術(shù)展望

為準(zhǔn)確分析飛行過程中的衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)環(huán)境和載荷條件，需要突破堆疊式衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)建模技術(shù)。根據(jù)衛(wèi)星和壓緊組件裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，建立衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模型。同時(shí)需要根據(jù)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行修正；開展不同預(yù)緊力下的堆疊多星組合體模態(tài)試驗(yàn)，通過靈敏度分析獲取不同預(yù)緊力下的堆疊多星組合體動(dòng)力學(xué)參數(shù)，獲取堆疊多星組合體動(dòng)力學(xué)模型。

堆疊式衛(wèi)星的安裝方式導(dǎo)致衛(wèi)星組的振動(dòng)環(huán)境與傳統(tǒng)適配器下的振動(dòng)環(huán)境有所不同。為保證衛(wèi)星組在運(yùn)載火箭飛行過程中良好的振動(dòng)環(huán)境，需要開展振動(dòng)環(huán)境優(yōu)化技術(shù)研究。從結(jié)構(gòu)低頻減振和高頻減振兩方面入手，開展堆疊多星組合體減振平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

堆疊衛(wèi)星采用衛(wèi)星組整體分離的方式，分離時(shí)衛(wèi)星間距離小，衛(wèi)星數(shù)量多，對(duì)星箭分離近場(chǎng)安全性帶來巨大考驗(yàn)。針對(duì)多星分離過程中近場(chǎng)安全性進(jìn)行分析，采用多體動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合多星分離方案，識(shí)別分離過程中多星間碰撞危險(xiǎn)點(diǎn)，與衛(wèi)星方針對(duì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)結(jié)合衛(wèi)星實(shí)際功能需求，整體優(yōu)化防碰撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)，減少碰撞損傷，提高多星入軌安全性。

5 結(jié)論

美國(guó)SpaceX公司使用堆疊式衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)“星鏈”“一箭60星”的發(fā)射，是“一箭多星”發(fā)展的一項(xiàng)重大突破，也是未來充分利用整流罩內(nèi)空間，提升發(fā)射效率的重要方向。隨著低軌遙感、通信小衛(wèi)星星座任務(wù)需求的增長(zhǎng)，堆疊式衛(wèi)星連接與分離技術(shù)將成為未來“一箭多星”發(fā)射模式的重要發(fā)展方向。