“星链”堆叠式卫星连接与分离技术及应用

2022-05-27陈牧野牟宇周宁王乾赵文吕鹏伟北京宇航系统工程研究所

国际太空 2022年4期

陈牧野牟宇周宁王乾赵文吕鹏伟 (北京宇航系统工程研究所)

1 引言

“一箭多星”是指用一枚运载火箭将两颗及以上的卫星发射至预定轨道。传统的“一箭多星”发射模式需要依靠质量体积较大的卫星适配器，对整流罩内宝贵空间的利用率不足，一次可以发射的卫星数量也受到限制。为此，美国太空探索技术公司（SpaceX）探索了一种新的“一箭多星”发射模式——堆叠式卫星发射。堆叠式卫星不再需要专门的卫星适配器，节省了运载能力的同时，也可以充分利用运载火箭整流罩的可用空间，通过合理设计可突破一次发射的卫星数量，提高发射效率。

2021年1月，SpaceX公司利用猎鹰-9（Falcon-9）实现了“一箭143星”的发射壮举，将10颗“星链”（Starlink）卫星和133颗小卫星送入轨道，大幅刷新了世界“一箭多星”发射卫星数量的纪录。其中“星链”卫星就是SpaceX公司利用卫星和载荷支架统一设计的优势，设计的一种标准化的堆叠式卫星。此外，SpaceX公司利用猎鹰-9也实现了“星链”卫星组的“一箭60星”常态发射。

目前，我国的“一箭多星”的纪录为长征八号遥二运载火箭“一箭22星”，该次发射仍采用锥形载荷支架+中心承力筒+顶部圆盘的卫星适配器方案，单次发射卫星的数量距离国际主流火箭的纪录还有较大差距。在未来星网、通信卫星等需求下，亟需开展“一箭多星”发射模式的技术储备。本文针对SpaceX公司“星链”堆叠式卫星连接与分离开展研究，对堆叠式卫星连接与分离的关键技术和未来发展方向进行分析和展望。

2 “星链”卫星连接与分离概述

“星链”星座是SpaceX公司推出的一项通过近地球轨道卫星群来提供覆盖全球的高速互联网接入服务。最初的设想是在地球上空的预定轨道部署由12000颗卫星组成的巨型星座。2018年2月22日，SpaceX公司在美国加州范登堡空军基地成功发射了一枚猎鹰-9火箭，并将两颗小型实验通信卫星送入轨道，“星链”计划由此开启。2019年10月22日，埃隆·马斯克成功通过“星链”发送推特，表示“星链”已能提供天基互联网服务。

为实现“星链”星座的部署，若采取“一箭双星”的方式发射，将共需约6000次发射才能完成整个星座的建设。为了能够快速部署星座，最大化地利用整流罩内部的空间，SpaceX公司创新提出卫星标准接口，并将卫星设计成扁平的结构，通过堆叠式的布局，取消了中央适配器结构。在“星链”星座的发射任务中，采用了“一箭60星”的堆叠式搭载模式。

“星链卫星”堆叠连接方式

60颗“星链”卫星共被分为两堆，每堆各30颗卫星。“星链”单颗卫星的平面示意图如下图所示。其中，A、B、C分别为3个圆环垂直承力支柱，用于卫星的堆叠并作为卫星的承力结构。三者高度并不一致，A支柱高度最高，B、C的高度为A的一半。两堆卫星通过支柱交错堆叠在一起，形成“拉链式”的布局结构。

为保证整个结构在发射中的刚度，每一个承力支柱都配备有一个张紧机构，它由两根长杆和长杆间的连接结构（类似于卡箍）及其附属电缆组成。承力支柱是由每个卫星的垂直支柱堆叠构成的，主承力柱两侧的长杆即为张紧机构。

“星链”单颗卫星结构及堆叠方式

卫星的堆叠方式

在卫星堆叠的最上方的垂直支柱上设置一个横向轴销作为顶部压紧装置，通过两个张力杆连接的机构将轴销压紧，用于固定整体卫星组。当接到分离指令时，靠近载荷支架的张紧机构首先解锁，解除卫星组下端固定，接着张紧机构在分离能源带动下缓缓拔出，至特定位置后，解除上方固定。

卫星组顶部压紧装置

“星链”卫星分离方式

对于多星分离，最常见的星箭分离方式是弹簧弹射式。这些卫星通过火工装置等物理分离机构固定在载荷支架上，在分离时刻，按照预定分离时序解锁，一个接一个地被分离弹簧推离火箭，实现分离。而“星链”卫星则采用了一种不同寻常的方法：在分离时刻，它缓慢旋转火箭的末级，然后释放了它的有效载荷，即一整堆打包的“星链”卫星初始转动角速度下逐渐分离。这些卫星组在距地440km处星箭分离，然后在接下来的几天内卫星用霍尔推进器爬升到550km 轨道，分散开来。

根据图像视频分析，可能的分离过程为：一是火箭在俯仰方向上主动施加一定的角速度，在相同的俯仰角速度下，距离火箭较远的卫星相对平动速度更大，从而形成了自然的分离能源，提供卫星整体一个远离箭体的速度，同时由于堆叠位置差异造成远端卫星与近端卫星线速度不同，分离后不同层的卫星之间也在该速度差异下拉开距离保证分离安全；二是在滚转方向上施加一定的角速度，通过滚转产生的离心力，使得同一层的两颗卫星逐渐远离并保证分离安全。

采用这种分离方式，不需要单独为每颗卫星配置适配器和分离能源，这样既节省了适配器的重量，也大大降低了分离系统的研制难度。

3 堆叠式卫星连接与分离关键技术

根据“星链”堆叠式卫星方案，卫星创新性地采用统一的平板型结构形式，采用统一的承力支柱接口进行堆叠安装连接，采用整体60颗卫星组统一“抛洒”的分离方式。为了实现堆叠式卫星的连接与分离，星箭结构接口标准化设计、星箭压紧设计和星箭组合体分离方案设计是尤为重要的三项关键技术。

星箭结构接口标准化设计

美国专利《可堆叠卫星和其堆叠方法》提出了一种可堆叠卫星及其堆叠方法。该专利给出了星箭结构接口的一种标准化设计方法，卫星主要由框架，具有下端和上端的垂直支柱，以及支撑各种卫星部件（诸如天线、贮箱和其他系统）的多个面板组成。其中，垂直支柱和面板通常用螺栓连接到卫星框架上。垂直支柱位于框架的每个拐角上，保持卫星框架的高度统一，以提高支柱结构的设计效率，保证整体连接刚度。卫星按照此标准接口进行设计，同时运载载荷支架与卫星的对接接口也按照该标准接口进行，即可以实现高效堆叠。

因此，星箭双方需要协同开展星箭结构接口标准化设计，综合考虑不同种类卫星功能需求、不同运载火箭整流罩空间要求，统一卫星包络尺寸、卫星间及星箭间接口形式，以满足不同卫星的组合性发射及适应多运载发射的接口兼容性。并在此接口上开展多数量、多种类卫星的堆叠布局方案设计。

星箭压紧设计

星箭压紧设计方案主要包括卫星垂直支柱和连接解锁机构两部分。

“星链”卫星组分离过程

根据美国专利《可堆叠卫星和其堆叠方法》，垂直支柱需要支撑安装在其上的卫星以及位于其上方的所有卫星的重量，因此垂直支柱需要由非常高强度的材料支撑。但卫星框架仅需承载卫星自身的重量，因此可以由成本相对较低且强度稍弱的材料支撑。堆叠卫星之间的连接主要通过支柱实现，支柱基本上承受了其本身和所有上方卫星的垂直载荷。支柱的主要结构形式有弧面支撑和梯形支撑两种，其中梯形支撑的方式比弧面支撑能够提供更好的横向支撑。

垂直支柱连接示意图[5]

卫星垂直支柱在卫星堆叠中起到非常重要的作用，主要发挥以下四方面的功能：

卫星堆叠时各颗卫星之间只靠连接支柱接触，由于卫星的结构都是相同的，所以每一颗卫星都必须设计成能够支撑堆叠在上方的最大数量的卫星的质量，并传递至运载火箭卫星支架。

通过设置合理的支柱连接形式，可以通过多点连接将卫星准确定位，再通过压杆张紧装置将卫星组固定。

在火箭载荷支架上，设置同种类型的对接接口，保证卫星组与火箭末级的定位与连接。

在连接支柱内部提前设置碟簧（或其他形式）等分离能源，在星箭分离时提供星间分离冲量，保证卫星组分离安全。

通过卫星垂直支脚的连接，可以实现卫星组的堆叠和横向定位。卫星组与卫星载荷支架在火箭箭体轴向方向上的压紧和释放还需要通过连接解锁机构来实现。

根据美国专利《可堆叠卫星和其堆叠方法》，通过上盖、下盖、张紧轴、张紧轴支架和张紧轴螺栓实现卫星组的压紧和释放。其中，张紧轴沿着运载火箭的中心轴定位，以垂直地压紧卫星堆。卫星组分离时，通过解除上盖和张紧轴螺栓的约束，实现卫星组的分离。

连接解锁机构通过螺旋传动、连杆机构、凸轮机构等的自锁原理实现高可靠压紧，降低误解锁风险。达到预定轨道后，解锁组件解锁，释放连接解锁机构组件的纵向压紧力，解除卫星组的固定，同时连接解锁机构组件顶部在弹簧等驱动能源的作用下，沿预定轨迹向卫星组外侧运动，远离星组，保证星组分离安全。

星箭组合体分离方案设计

对于堆叠式卫星组，其星箭组合体的分离方案为：通过标准化的堆叠式结构接口，采用堆叠式的安装方法，辅助压紧组件的压紧方式，实现卫星的可靠固定。通过给定运载末级特定的姿态角速度，使卫星组整体释放，实现卫星组与运载末级的分离。保证在近场无碰撞的情况下，由卫星自带能源实现后续编队及入轨。

针对上述多星紧凑空间下多体同时分离的星箭分离模式，需要开展多星分离系统设计方案研究，建立多星分离的多体动力学模型，对多星压紧状态下的分离机构运动特性进行仿真分析，给出在多体无控状态下的分离系统设计方案，星箭分离时，先给“火箭末级+堆叠卫星组”的组合体一定的姿态角速度，随后连接解锁结构分离，压杆组件向组合体外侧沿设定路线脱离并通过机械结构系留在火箭末级上。与此同时，卫星组整体与火箭上面级分离，各层卫星之间通过预先设置的分离能源产生分离间隙，确保分离安全。

为验证卫星组整体分离的可行性，对卫星分离过程进行仿真计算，建立星箭分离模型，使用ADAMS软件进行分离分析。

在给定卫星和火箭末级组合体一定的俯仰角速度的初始条件下，各卫星在自身的旋转角速度和切向速度下进行分离，卫星之间逐步远离。旋转角速度与卫星的规模有密切联系，若火箭无法提供较大的初始角速度，那么需要在卫星和卫星之间增加额外的分离能源，确保卫星之间不发生碰撞。同时，为避免火箭末级及支撑杆碰撞卫星，通常需要在火箭上设置一定的反向分离能源，使火箭主动远离卫星。

星箭分离三维模型

分离后近场各卫星之间的状态

4 堆叠式卫星连接与分离技术展望

为准确分析飞行过程中的卫星动力学环境和载荷条件，需要突破堆叠式卫星动力学建模技术。根据卫星和压紧组件装置的结构设计方案，建立卫星动力学模型。同时需要根据模态试验结果，对模型进行修正；开展不同预紧力下的堆叠多星组合体模态试验，通过灵敏度分析获取不同预紧力下的堆叠多星组合体动力学参数，获取堆叠多星组合体动力学模型。

堆叠式卫星的安装方式导致卫星组的振动环境与传统适配器下的振动环境有所不同。为保证卫星组在运载火箭飞行过程中良好的振动环境，需要开展振动环境优化技术研究。从结构低频减振和高频减振两方面入手，开展堆叠多星组合体减振平台优化设计。

堆叠卫星采用卫星组整体分离的方式，分离时卫星间距离小，卫星数量多，对星箭分离近场安全性带来巨大考验。针对多星分离过程中近场安全性进行分析，采用多体动力学模型，结合多星分离方案，识别分离过程中多星间碰撞危险点，与卫星方针对碰撞风险结合卫星实际功能需求，整体优化防碰撞结构设计，降低碰撞风险，减少碰撞损伤，提高多星入轨安全性。