现代卫星结构技术研究进展

陈夜 彭海阔 孔祥森 张如变 赵发刚（上海卫星工程研究所）

随着军用、民用领域对卫星功能、性能需求的不断提高，现代卫星对结构的精度、集成度与轻量化提出了更高的要求。通过梳理近期国内外航天领域的发展规划，调研国内外卫星结构技术在实现高精度、高集成度与轻量化方面的进展，对比国内外技术状况，分析国内在卫星结构精度主动控制技术、多领域集成设计技术、小型结构平台技术等方面的不足，为提高相关技术能力，比肩国际先进水平，提出技术发展着力点。

1 引言

近年来，国内外卫星产业高速发展。2018－2020年，全球卫星发射次数连续三年破百，发射航天器数量屡创新高。其中，以“光学空间组件”（CSO）系列为代表的高分辨率对地观测卫星和以“星链”（Starlink）为代表的小卫星星座约占发射数量的70%。高分辨率、多功能的卫星与小型化、集成化的小卫星星座是国内外现代卫星的重要发展方向。高分辨率卫星对卫星结构提出高精度的要求，以保证卫星有效载荷的在轨工作；小卫星的蓬勃发展则对卫星结构提出了轻量化、高集成度、通用化的要求，以适应未来高密度、批量化的发射任务。

2 卫星结构技术发展背景

随着人类探索的太空脚步不断深入，各航天大国相继提出了航天发展规划。2018年10月，美国公布了《国家太空探索活动报告》，提出了重返月球、登陆火星等探索计划。日本于2020年6月修订《宇宙基本计划》，提出了建立小卫星星座、探测并追踪弹道导弹的方针，并计划到21世纪30年代初将航天工业的规模增加一倍。我国2006年发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006－2020年）》将高分专项工程列为国家重大科技专项，自2013年发射高分一号卫星开始，已成功发射了多型高分辨率遥感卫星；在2019年发布的《卫星通信产业白皮书》中，提出组建通信小卫星低轨星座的计划，配合打造天地一体化信息网络。高分辨率对地观测、深空探测以及小卫星星座将是未来国内外航天技术发展的重要方向。

对高分辨率对地观测卫星而言，卫星结构在轨的微变形将降低其成像质量，卫星结构的型面精度、指向精度是保证对地观测精度的关键因素。月球、火星等探测任务需要高稳定的结构平台，在太空复杂交变的温度环境下，结构应具备足够的精度保持能力。

小卫星研制任务快速响应、短周期的特点要求卫星结构具备高集成度、高通用性，以提高研制效率，快速适应不同载荷的需求。随着“一箭多星”发射方式的推广，轻量化、小型化的卫星结构是提高火箭空间利用率、节约发射成本的关键。

3 国外相关技术研究进展

高精度卫星结构技术

高精度卫星结构主要体现在空间环境下，卫星结构型面精度、指向精度的保持能力。

美国在高精度卫星结构技术领域一直处于世界领先水平。自20世纪90年代起，美国一直推广低变形碳纤维复合材料在卫星结构上的应用。以“哈勃空间望远镜”（HST）、“世界观测”（World View）系列遥感卫星为例，以一体化结构设计、选用低膨胀材料等措施保证结构的精度，材料的热膨胀系数较铝合金、镁合金等金属材料低一个数量级。步入21世纪，为进一步提高卫星结构的在轨精度保持能力，美国开展了在轨变形主动控制技术研究。美国国家航空航天局（NASA）研制的“詹姆斯-韦伯空间望远镜”（JWST）主镜口径为6.6m，由18块六边形子模块组成，每个子模块上均有一个六脚作动器与曲率调节系统。在-220℃的低温环境下，主镜型面精度可保持在183nm，达到世界顶尖水平。

“詹姆斯-韦伯空间望远镜”结构

俄罗斯光谱－M（Millimetron）红外望远镜预计于2030年前后发射，用以探测行星系统的演变等天体物理学现象。望远镜主镜口径为10m，镜面材料为复合材料，通过型面精度主动作动调节技术，主镜的目标型面精度为10μm。目前，该项目已突破总装集成、型面作动调节、基于激光光束与光电子的结构位形测量等关键技术。

日本“先进陆地观测卫星”（ALOS）系列通过精准的热控措施与一体化星敏支架设计，星敏指向的热稳定性达到0.25″。该型卫星还采用碳化硅材料作为载荷的基板，在保持良好导热率的同时，热膨胀率仅为2.2×10/℃。在大尺寸可展开结构领域，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）先后研制了构架式天线与大型反射面结构。其中一种用于30m口径大型天线的反射面结构，反射面背面采用碳纤维增强复合材料的径向肋支撑，型面精度可达3mm；

俄罗斯光谱－M红外望远镜结构

高集成度、通用性卫星结构技术

卫星结构的高集成度、通用性设计主要体现在扩大载荷安装空间，构型布局优化，接口标准化、模块化等方面，以适应批量化的研制任务，降低研制周期与成本。

美国太空探索技术公司（SpaceX）的“星链”计划预计到2024年完成约1.2万颗“星链”卫星的发射，并已于2019年完成首批60颗卫星发射。卫星打破了传统的箱式构型，采用独特的平板式构型以减少外包络尺寸与质量，上面集成了丰富的机、电、热接口。通过星箭一体化设计，可最大限度利用整流罩的包络。

除美国外，欧洲航天局（ESA）的“小型地球静止轨道”（SGEO）卫星公用平台—LUXOR平台，通过模块化设计降低系统复杂性，稍作适应性修改即可满足不同用户需求，可支持有效载荷质量在300kg以下的地球静止轨道通信卫星；俄罗斯的“集成空间系统”（EKS）导弹预警卫星于2015年首发，卫星采用约1.2t的“通用卫星平台”（GSP），其推进舱采用多种配置联合技术，适用于电推进、液体推进与气体推进等多种推进方式，载荷舱配置有两种标准结构模式，可适应不同的有效载荷搭载需求，提升卫星平台的使用性能。

轻量化卫星结构技术

结构轻量化是卫星工程中一直追求的目标。在技术不断进步的背景下，新材料、新结构不断涌现。

美国“詹姆斯-韦伯空间望远镜”主镜采用轻质、高强度的铍合金材料，口径约1.3m的单个六边形镜片质量仅为21kg。俄罗斯将格栅状结构应用于柱形、锥形承力筒，发挥了复合材料各向异性的优势。

除了材料级与零部件级的轻量化设计，日本正推进合成孔径雷达（SAR）卫星平台的小型化。日本合成视角公司（Synspective）着力研制100kg的小型SAR卫星星座“长耳鹰”（Strix）系列，其卫星分辨率约1～3m，搭载SAR载荷的小型卫星平台采用了微机械、微电子和轻型材料的设计思路，相比于传统质量1000kg以上的SAR卫星，具备显著的轻量化优势，可使用小型运载火箭发射。

日本小型SAR卫星构型

4 国内相关技术研究进展

高精度卫星结构技术

在高精度卫星结构方面，碳纤维复合材料结构已普遍应用于卫星结构，通过碳纤维铺层的“零膨胀”设计，碳纤维桁架结构的热膨胀系数可达0.2×10/℃左右。高分七号卫星设计了一体化碳纤维载荷支架，载荷安装面的指向角度热稳定性达到亚角秒级。

一体化碳纤维支架

对于大尺寸、可展开的高精度卫星结构，国内研究起步较晚，相关成果主要处于方案研究或地面样机研制阶段，比如哈尔滨工业大学研制出了1.5m口径的折叠式反射面结构样机，其形面精度达到0.2mm;南京航空航天大学分析了一种尺寸为11m×10m的抛物柱面可展开结构，通过采用低膨胀材料，热载荷对结构型面精度的影响不足1mm。

折叠式反射面结构

在结构微变形测量与控制技术领域，上海卫星工程研究所李奇等开展了星载固面天线结构的热变形地面测试与仿真验证，提出热变形试验与仿真一体化分析验证方法，对口径5m×3m的天线结构型面精度测量误差优于40μm；上海航天技术研究院董瑶海等提出了一种基于多点位移调节的微波天线在轨型面主动调节方法，型面精度控制目标达到30μm/m。

高集成度、通用性卫星结构技术

通过布局优化、集成化设计等方式，小卫星的集成度较传统的大卫星有大幅提高。国内科研院所、高校、商业卫星公司均具备成熟的研制经验，已部分实现了卫星机热集成设计与制造。南京理工大学使用高模量、低热膨胀系数的碳纤维复合材料代替金属材料，在卫星布局设计中考虑传热要求，采用机热一体化设计思路，具备模块化、开敞性的特点。兰州空间技术物理研究所、上海空间推进研究所开展了微推进系统研究，以场致发射电推进为代表的微型推进系统可集成到小卫星上，用于小卫星的轨道调整。

在加强卫星结构通用性方面，北京卫星制造厂有限公司通过模块化设计小型卫星平台结构，预先制作标准化、模块化单元，通过剪裁、拼接标准化的模块单元迅速适应载荷需要，节约了平台结构研制周期，并通过某光学成像小卫星平台的研制得到了验证。

相比于美国、欧洲等国家的最新技术，国内卫星的集成度尚有待进一步提高，对机、电、热多领域的一体化集成设计尚处于研究阶段。

轻量化卫星结构技术

在轻量化结构方面，轻质复合材料、蜂窝夹层结构已广泛应用于国内卫星。近年来，国内高校又相继提出了点阵式、格栅式等新形式的卫星结构。

复合材料点阵结构

哈尔滨工业大学开展了碳纤维三维格栅结构、金字塔点阵结构、增强型点阵结构、轻质金字塔点阵曲面壳的研制与力学性能的研究工作。碳纤维复合材料格栅结构和点阵结构兼具轻量化和多功能化特点，对实现卫星结构的轻量化、高强度设计有重要应用价值。

国防科技大学提出了一种多层格栅承力筒，格栅承力筒内外结构通透，轻量化优势显著，是下一代承力筒结构发展的方向，相比于蜂窝夹层壳承力筒，质量预计减轻20%左右。

多层格栅承力筒

5 国内外技术状况对比

对比国内外卫星结构在高精度、高稳定、集成化、轻量化等方面的研究成果，不难发现：

1）高精度、高稳定结构方面。国内外均已普遍采用低变形的碳纤维材料，卫星结构件的热稳定性能相当。但通过主动调节与控制，国外以“詹姆斯-韦伯空间望远镜”为代表的结构精度保持能力达到了亚微米级的超高水平，国内的技术指标为几十微米级，且多处于理论与样机研制阶段，尚存在一定差距。

2）在高集成度结构方面。以美国的“星链”、欧洲的LUXOR为代表的高集成度、通用性卫星平台，实现了机、电、热等多领域集成设计技术，具有低成本、快速响应的优势。国内目前实现了卫星的机、热集成化设计，小卫星领域以立方星的箱式构型为主，结构的集成度有待进一步提高。

3）在轻量化结构方面。国内积极推广新材料、新形式结构在卫星上的应用，实现了良好的减重效果。而国外在实现零部件轻量化设计的基础上，还借助微机械、微电子技术积极推进整个结构平台的小型化，具有更显著的轻量化优势。

6 结束语

综合国内外在高精度、高集成度与轻量化卫星结构技术领域的技术状况，国内卫星结构在主动调节与控制技术、多领域集成设计技术、小型结构平台等方面还存在一定差距。

展望未来，对标国际先进水平，国内卫星结构技术的发展有以下着力点：①为提高结构精度主动调节与控制能力，开展高精度在轨变形测量、精密作动调节等相关技术的研究；②为打造高集成度的卫星平台，需要突破卫星机、电、热一体化设计与制造技术，推进接口标准化与模块化；③为推进结构轻量化，一方面要强化基于新材料、3D打印技术的结构件优化设计，另一方面还要推动基于微电子、微机械技术的小型卫星平台研发。