批量生產(chǎn)小衛(wèi)星設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究

李超 侯穎輝 劉峰 曹偉 馬赫

（航天科工空間工程發(fā)展有限公司， 北京， 100854）

隨著航天產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展， 低軌通信衛(wèi)星成為國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的新興地帶。 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為衛(wèi)星通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)相融合的新型通信網(wǎng)絡(luò)， 利用低軌衛(wèi)星為地面、 海上、 空中等各類用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)， 成為重塑國(guó)家經(jīng)濟(jì)、 政治、 軍事、 文化新格局的重要力量。 近兩年， 全球低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展呈現(xiàn)加速態(tài)勢(shì)， 以SpaceX、 OneWeb 為代表的國(guó)外衛(wèi)星研制企業(yè)紛紛發(fā)布低軌通信衛(wèi)星星座計(jì)劃， SpaceX 的“Starlink” 星座包含 41927 顆衛(wèi)星， OneWeb 衛(wèi)星星座包含4.8 萬顆衛(wèi)星。

星座系統(tǒng)一般要求在很短的時(shí)間內(nèi)在軌道上布置大量同樣的衛(wèi)星， 伴隨互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座批量發(fā)射和快速部署的新需求， 衛(wèi)星生產(chǎn)模式已由單件定制、 小批量試制， 轉(zhuǎn)變?yōu)榕炕?定制化生產(chǎn)模式。 為適應(yīng)以衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)工程為代表的低軌星座生產(chǎn)與應(yīng)用任務(wù)需求， 國(guó)內(nèi)外航天企業(yè)相繼開展了小衛(wèi)星批量化生產(chǎn)線的建設(shè)， 目前國(guó)內(nèi)外均已具備一定的小衛(wèi)星批量化生產(chǎn)能力。

隨著小衛(wèi)星的新型研制生產(chǎn)AIT （總裝集成測(cè)試） 產(chǎn)線的投入使用， 傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)計(jì)已難以適應(yīng)衛(wèi)星的批量化快速生產(chǎn)需要， 需持續(xù)開展批量化生產(chǎn)小衛(wèi)星設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究。 依據(jù) “可生產(chǎn)性”設(shè)計(jì)， 確保制造階段能夠滿足易操作、 易維修、易組裝和集成、 易測(cè)試的要求， 推動(dòng)產(chǎn)品集成化、 標(biāo)準(zhǔn)化、 模塊化， 建立系統(tǒng)等多層次型譜，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星批量化生產(chǎn)， 滿足衛(wèi)星星座部署需求。

1 小衛(wèi)星批量生產(chǎn)面臨的主要問題

從小衛(wèi)星生產(chǎn)的未來發(fā)展方向看， 小衛(wèi)星自動(dòng)化、 批量化生產(chǎn)是主要的發(fā)展趨勢(shì)， 通過建立小衛(wèi)星自動(dòng)化生產(chǎn)線， 采用自動(dòng)化、 智能化設(shè)備及生產(chǎn)線管控系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星批量化生產(chǎn)。 但是， 受衛(wèi)星傳統(tǒng)研制模式的影響， 現(xiàn)有衛(wèi)星的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)線的適配程度還處于較低的水平， 導(dǎo)致小衛(wèi)星批量生產(chǎn)面臨以下問題。

1.1 生產(chǎn)效率降低

小衛(wèi)星具有裝配零件多、 裝配空間狹小等特點(diǎn)， 多數(shù)星載設(shè)備外形并不規(guī)則， 無法進(jìn)行夾取或吸附， 零部件自動(dòng)化裝配難度大， 批量化生產(chǎn)后仍然存在人機(jī)協(xié)同的工序， 且人機(jī)交互頻繁， 導(dǎo)致自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行不連續(xù)， 從而降低了生產(chǎn)效率。

1.2 生產(chǎn)工藝難度大

小衛(wèi)星批量化生產(chǎn)， 主要采用以機(jī)器人為主的自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行裝配， 但是目前小衛(wèi)星設(shè)計(jì)的集成化程度較低， 很多工序如異形設(shè)備、 平墊、彈墊的安裝等工序很難由機(jī)器人完成， 因此采用自動(dòng)化裝配后， 需要額外進(jìn)行工藝工裝的設(shè)計(jì)與調(diào)試， 增加了產(chǎn)品裝配的工藝難度。

1.3 生產(chǎn)成本增加

小衛(wèi)星星載設(shè)備外形各異， 且裝配精度要求高， 采用以機(jī)器人為主的自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行衛(wèi)星裝配時(shí)， 需要配備多種設(shè)備夾持機(jī)構(gòu)和定位工裝，將額外增加夾持機(jī)構(gòu)及定位工裝設(shè)計(jì)及調(diào)試工作， 增加衛(wèi)星生產(chǎn)成本。

綜上， 小衛(wèi)星進(jìn)行批量生產(chǎn)后， 需要對(duì)傳統(tǒng)的、 以人工裝配為主的衛(wèi)星設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究?jī)?yōu)化， 形成面向批量生產(chǎn)的小衛(wèi)星設(shè)計(jì)方法及標(biāo)準(zhǔn)， 進(jìn)而提升小衛(wèi)星批生產(chǎn)效率， 降低生產(chǎn)成本， 為小衛(wèi)星星座快速部署奠定基礎(chǔ)。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

在航空航天領(lǐng)域， 以美國(guó)、 歐洲為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家具有一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)。 NASA、 ESA 等航天組織機(jī)構(gòu)在航天器技術(shù)研發(fā)、 項(xiàng)目管理方面具有先進(jìn)的水平。 以SpaceX、 OneWeb 等為代表的企業(yè)在航天器快速研制、 批量制造以及生產(chǎn)管理等方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)的技術(shù)水平。 這些國(guó)外先進(jìn)宇航企業(yè)廣泛應(yīng)用自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)，大幅提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量， 實(shí)現(xiàn)了不同類型衛(wèi)星的快速批量化生產(chǎn)[1]。

國(guó)外低軌衛(wèi)星星座建設(shè)步伐領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)， 批量化自動(dòng)衛(wèi)星生產(chǎn)線已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用階段，從衛(wèi)星設(shè)計(jì)、 AIT 流程等方面進(jìn)行了較大的革新，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)、 大數(shù)據(jù)分析、 自動(dòng)裝配檢測(cè)和自動(dòng)測(cè)試等技術(shù)， 提高衛(wèi)星產(chǎn)能和質(zhì)量， 降低生產(chǎn)成本， 目前已經(jīng)具備了批量生產(chǎn)衛(wèi)星的能力。

SpaceX 小衛(wèi)星采用平板式設(shè)計(jì)， 降低了衛(wèi)星總裝集成難度， 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星流水線生產(chǎn)。 據(jù)公開報(bào)道， SpaceX 小衛(wèi)星生產(chǎn)能力約為每月120顆， 單顆衛(wèi)星制造成本低于50 萬美元。

OneWeb 公司開創(chuàng)了利用自動(dòng)生產(chǎn)、 組裝流水線進(jìn)行大規(guī)模、 低成本衛(wèi)星生產(chǎn)的全球先例，在衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段充分貫徹面向制造的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行大規(guī)模模塊化設(shè)計(jì)， 各模塊間結(jié)構(gòu)耦合程度低。 對(duì)于特殊設(shè)備， 將接插件預(yù)埋至衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的夾層板內(nèi)， 通過這些插入件將儀器、 傳感器等設(shè)備牢固附接到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上， 降低衛(wèi)星在總裝集成環(huán)節(jié)的工作復(fù)雜程度， 大大簡(jiǎn)化裝配操作， 有利于總裝集成環(huán)節(jié)的自動(dòng)化。 OneWeb 公司衛(wèi)星生產(chǎn)線具備每天生產(chǎn)2 顆～4 顆衛(wèi)星的能力， 單顆衛(wèi)星的造價(jià)低于100 萬美元。

泰雷茲公司設(shè)計(jì)制造的 “下一代銥星” 采用模塊化設(shè)計(jì)思路， 通過標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)不同載荷模塊的選配， 達(dá)到降低研制難度的目的。 為實(shí)現(xiàn)低成本和快速生產(chǎn)， 采取了面向生產(chǎn)的設(shè)計(jì)， 所有衛(wèi)星上線時(shí)狀態(tài)完全一致， 各單機(jī)或模塊裝配簡(jiǎn)單、 可達(dá)性好， 充分發(fā)揮自動(dòng)化生產(chǎn)線的優(yōu)勢(shì)。

國(guó)內(nèi)以航天科工集團(tuán)、 航天科技集團(tuán)、 吉利集團(tuán)為代表的多家單位開展了衛(wèi)星批量化生產(chǎn)線建設(shè)， 但針對(duì)批量化生產(chǎn)的小衛(wèi)星設(shè)計(jì)尚處于起步論證和研究階段。 國(guó)內(nèi)其他行業(yè)在適應(yīng)裝配的設(shè)計(jì)[2-4]， 適應(yīng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)[5-6]， 智能化生產(chǎn)設(shè)計(jì)[7-8]等方面已有一定的研究。 但是， 受衛(wèi)星傳統(tǒng)研制模式影響， 小衛(wèi)星設(shè)計(jì)主要以面向人工生產(chǎn)的方式為主， 未充分考慮批量化生產(chǎn)適配性。

3 適應(yīng)批量生產(chǎn)的小衛(wèi)星設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究

針對(duì)目前小衛(wèi)星設(shè)計(jì)與批量自動(dòng)化生產(chǎn)線適配性差的問題， 開展小衛(wèi)星總體構(gòu)型設(shè)計(jì)、 星載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 總裝設(shè)計(jì)、 集成化設(shè)計(jì)、 標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)等方面的設(shè)計(jì)研究[9-10]， 并依托航天科工集團(tuán)小衛(wèi)星智能生產(chǎn)線， 驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)的可行性。 結(jié)果表明， 采用適應(yīng)批量生產(chǎn)的小衛(wèi)星設(shè)計(jì)， 結(jié)合小衛(wèi)星智能生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)， 小衛(wèi)星生產(chǎn)效率提升75%以上。

3.1 總體構(gòu)型設(shè)計(jì)

在衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)中， 采用模塊化設(shè)計(jì)思路， 采用 “框架+艙板” 式或 “箱板” 式的衛(wèi)星構(gòu)型布局方案， 各個(gè)艙板分別安裝不同模塊的星上設(shè)備， 便于衛(wèi)星批量化生產(chǎn)過程中各個(gè)艙板并行總裝， 最后在總裝工位統(tǒng)一集成為整星。

此外， 衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)中還可以采取分艙段設(shè)計(jì)， 如劃分為推進(jìn)艙、 平臺(tái)艙、 載荷艙等多艙段模塊， 并與 “框架+艙板” 設(shè)計(jì)相結(jié)合。 典型 “框架+艙板” 衛(wèi)星構(gòu)型布局設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

主框架上設(shè)置與總裝工裝的對(duì)接接口結(jié)構(gòu)，便于主結(jié)構(gòu)與總裝工裝對(duì)接。 可采用螺釘+定位銷的方式實(shí)現(xiàn)工裝與主框架的定位與固定。 艙板上設(shè)置工藝定位孔， 用于與工裝定位。 衛(wèi)星、 主框架與艙板等大型結(jié)構(gòu)件提供吊裝孔， 用于產(chǎn)品吊裝。

3.2 星載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

星載設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)， 設(shè)備上應(yīng)有供機(jī)器人夾持的結(jié)構(gòu)特征， 可采用平面夾持或卡扣式夾持， 若夾持區(qū)域?yàn)槠矫妫?則夾持區(qū)域尺寸不小于設(shè)備夾爪尺寸， 且夾持區(qū)域能夠承受一定的夾持力。 若夾持區(qū)域設(shè)計(jì)為卡扣式， 則卡扣處設(shè)計(jì)應(yīng)便于夾持， 且能夠承受設(shè)備重力。 卡扣式夾持位置如圖2所示。

采用支架安裝的設(shè)備， 設(shè)備支架與單機(jī)采用一體化設(shè)計(jì)， 便于設(shè)備安裝。 單機(jī)機(jī)械安裝孔孔內(nèi)顏色應(yīng)與孔口平面顏色有明顯色差， 方便采用視覺輔助定位。

3.3 總裝設(shè)計(jì)

衛(wèi)星艙板之間的線纜插接， 應(yīng)將線纜接插件接頭設(shè)計(jì)在艙板的邊緣， 并靠近艙板拐角處， 便于線纜插接， 位置示意如圖3 所示。 艙板對(duì)合時(shí)， 要留有電纜連接與安裝空間， 并預(yù)留電纜長(zhǎng)度。 最后對(duì)合的艙板建議選取設(shè)備最少的艙板，盡量減少整星合艙時(shí)的電纜連接操作。

艙板上設(shè)備安裝時(shí)， 各設(shè)備間留有設(shè)備安裝間距， 用于末端執(zhí)行器夾持與釋放。

3.4 集成化設(shè)計(jì)

衛(wèi)星設(shè)計(jì)過程中， 充分考慮集成化設(shè)計(jì)， 通過功能合并、 功能替代等方式， 將多個(gè)設(shè)備的通用功能進(jìn)行整合， 進(jìn)而將多個(gè)設(shè)備集成為一個(gè)設(shè)備， 降低整星所需單機(jī)產(chǎn)品的種類與數(shù)量， 降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

衛(wèi)星總體與分系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)， 打破原有設(shè)計(jì)關(guān)系， 將總體設(shè)計(jì)與分系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊密結(jié)合， 形成整體最優(yōu)。 例如， 隔熱墊與設(shè)備等集成設(shè)計(jì)，將隔熱墊固定到設(shè)備上； 星載設(shè)備安裝支架與設(shè)備聯(lián)合設(shè)計(jì)， 作為整體交付， 總裝現(xiàn)場(chǎng)無需二次安裝。

單機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)， 將單個(gè)設(shè)備的多個(gè)電氣接口集成為單個(gè)電氣接口， 以減少星上電纜數(shù)量，簡(jiǎn)化板間設(shè)備的電纜連接方式。 將熱控產(chǎn)品電氣接口與設(shè)備自身電氣接口集成化設(shè)計(jì)， 將熱敏電阻、 加熱回路等設(shè)備上熱控器件的電氣接口集成到設(shè)備自身電氣接口上， 簡(jiǎn)化整星AIT 操作。

當(dāng)需要采用螺釘緊固、 平墊、 彈墊防松時(shí)，優(yōu)先采用平彈墊一體的螺釘組合； 螺釘規(guī)格盡量統(tǒng)一， 減少同一塊艙板上螺釘?shù)囊?guī)格種類。

3.5 標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星及設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)， 在設(shè)備本體上和產(chǎn)品質(zhì)量文件上， 采用包含二維碼的產(chǎn)品標(biāo)識(shí)進(jìn)行物品標(biāo)識(shí)， 便于自動(dòng)化生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的自動(dòng)化流轉(zhuǎn)與識(shí)別， 產(chǎn)品標(biāo)識(shí)示意如圖4 所示， 當(dāng)產(chǎn)品尺寸較小時(shí)， 可以在產(chǎn)品表面只制作產(chǎn)品標(biāo)識(shí)中的二維碼。

4 結(jié)論

本文以批量生產(chǎn)的小衛(wèi)星為研究對(duì)象， 針對(duì)批量化生產(chǎn)小衛(wèi)星應(yīng)用需求， 從設(shè)計(jì)源頭出發(fā)，開展適應(yīng)批量化生產(chǎn)的小衛(wèi)星設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究， 闡述了目前小衛(wèi)星批量生產(chǎn)面臨的主要問題， 從小衛(wèi)星總體構(gòu)型設(shè)計(jì)、 星載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 總裝設(shè)計(jì)、 集成化設(shè)計(jì)、 標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)等方面， 提出了若干適應(yīng)批量化生產(chǎn)的小衛(wèi)星設(shè)計(jì)方法并進(jìn)行了驗(yàn)證， 以指導(dǎo)批量化生產(chǎn)小衛(wèi)星設(shè)計(jì)， 解決目前小衛(wèi)星設(shè)計(jì)與批量化生產(chǎn)線適配性差的問題， 提升小衛(wèi)星生產(chǎn)效率， 為小衛(wèi)星批量化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)， 也可為其他面向批量化生產(chǎn)的航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供借鑒。