一种适合组批部署的小卫星构型与结构设计

刘江 田宗军 徐欣 扈勇强 刘质加

(1 南京航空航天大学,南京 210016)

(2 航天东方红卫星有限公司,北京 100094)

随着星座卫星的发展,小卫星以其独特的优势发挥着越来越重要的作用[1-2],尤其质量在150～300kg的小卫星已经成为星座卫星研制的重点[3-5],要求卫星构型与结构设计从定制化向强适应性的平台化转变,同时具备多种载荷布局适应能力、多型运载火箭发射环境适应能力、组批快速部署能力[6]。

针对组批部署的小卫星,国内外研究聚焦的卫星构型结构以立方体、圆柱体、六棱柱体居多,其适应载荷布局能力强,分离装置安装在卫星底部,可实现多颗主星串联发射或自串联发射[7-8],但受制于整流罩包络与力学环境,发射主星数量一般不超过3个,不适用于卫星的组批快速部署。文献[9]中提到的第一代星座“铱星”为细长三棱柱体构型,采用多星直立并联发射,但其星内空间利用率很低,很难大规模应用;文献[10]中提到的“星链”卫星采用堆叠式串联发射的平板构型与结构,显著地提高了单箭发射卫星数量,但卫星层间距离限制了配套设备与载荷状态,适合定制化载荷,适应范围有限;文献[11-13]中提到的“铱星”二代等卫星均采用壁挂式梯形截面构型与结构,较适合多种载荷小卫星批量部署的需求[14],但是它们均针对800千克量级的通信或导航卫星设计,当卫星体积和质量减小后,内部空间利用率会极大降低,面向低质量小卫星的适应能力不足;文献[15]中提出了适合一箭八星壁挂式主频可调节的卫星结构,解决了卫星环境适应性的问题,但结构过于复杂、布局空间小,只适用于120kg以内且载荷较简单的微小卫星。综上所述,目前针对质量在150～300kg小卫星可供选择的构型与结构设计普遍存在面向特定载荷、特定运载器的定制化设计,同时面向多种载荷布局、多型运载火箭发射环境、组批快速部署的适应能力不强。

本文基于壁挂式一箭多星发射方式,设计了一种双隔板四点连接式小卫星构型与结构,开展了构型结构分析与优化,可适应质量在150～300kg小卫星的组批部署需求。

1 构型与结构设计

针对本文所研究卫星的特点,较传统卫星,提出了以下几点设计约束:①能够提供较大的布局空间,以适应多种载荷的布局;②具有标准化的主承力结构设计,能实现不同功能配置卫星设备的快速布局;③具有一定的刚度与强度,在承载范围内可以适应多型运载的发射环境。本文以可变卫星构型截面、标准主承力结构作为设计思路,从构型与结构总体设计、主承力接头及位置可调设计、截面形状变化设计三方面出发,设计了一种双隔板四点连接式小卫星构型与结构。

1.1 总体设计

为了充分利用运载整流罩内部空间,卫星采用中心多星承力支架、周边壁挂布置数层数颗卫星的一箭多星发射方案,每颗卫星占用的扇形区域包络体积一致,实际一箭发射的卫星数量由中心多星承力支架直径及整流罩尺寸确定。卫星主承力接头与运载之间采用四点式分离装置连接,较传统对接环包带式分离装置,布局设计灵活,对卫星连接面占用空间更小。舱内设备一般以方箱类为主,为了充分利用星内空间,卫星本体基础构型设计为矩形截面,内部设计可布置设备的双长、短隔板结构,此状态星内可用布局空间理论上可达到100%;载荷安装板提供大面积载荷布置区域,通过调整载荷安装板尺寸,卫星构型截面可由矩形变化为梯形,既能适应多种载荷的布局需求,又能充分利用整流罩内空间。构型结构设计如图1、图2所示,由壁挂面安装板、载荷安装板、±Y主承力长隔板、±X短隔板、±Y侧板和±X侧板组成,4个主承力接头设置在主承力长隔板、短隔板与壁挂面安装板相交的位置;卫星截面形状与主承力接头X向间距设计为可调,以满足各种卫星配置的布局需求。在发射过程中,卫星X方向与整流罩轴向方向一致,发射方向为正方向;卫星Z方向与整流罩径向方向一致,中心指向周边方向为正方向。

注:L为矩形截面状态Y方向尺寸;B为主承力长隔板Z方向尺寸;La为梯形截面状态载荷安装板Y方向尺寸;Lb为梯形截面状态壁挂面安装板Y方向尺寸;θ为载荷安装板与±Y侧板之间的角度。图1 卫星构型截面示意图Fig.1 Satellite configuration cross section

注:Dxd为主承力接头X向间距(即±X短隔板间距);Dyd为主承力接头Y向间距;H为主承力长隔板X方向尺寸。图2 主承力接头分布示意图Fig.2 Distribution of the main load-bearing joints

1.2 位置可调式主承力接头设计

星上各设备的惯性过载通过长、短隔板传到4个主承力接头(星箭接头)上。卫星4个主承力接头采用相同设计,分别由1个星箭接头埋块、1个隔板加强埋块、1个大外贴角盒和2个小外贴角盒组成,均采用铝合金材料,其中星箭接头埋块埋置于壁挂面安装板内,隔板加强埋块埋置于主承力长隔板内,结构板内部相应位置填充发泡胶补强处理。单个主承力接头结构示意见图3。各结构板均选用质量及经济性较好的铝蜂窝夹层结构,其中卫星主承力长隔板、短隔板与壁挂面安装板的厚度为25.6mm,其余结构板根据其承载和应力情况可选厚度为25.6mm或16mm。

综合考虑小卫星星内设备配套状态、平均布局密度、装配可操作性,卫星本体结构尺寸H为1000mm,B为500mm,L为1000mm;Dyd取400mm,此时±Y侧板分别与±Y主承力长隔板之间的距离为300mm;Dxd设计为可调整,初步设计为400～700mm,具体尺寸范围由下文主承力接头位置对卫星结构刚度与强度的影响分析确定。

1.3 截面形状变化设计

矩形和梯形两种截面状态星内可提供的设备安装空间应一致,即星内容积一定,但梯形截面状态星内空间利用率会适当降低,得

(1)

式中:η为梯形截面状态星内空间利用率系数。

由梯形尺寸关系可得

(2)

η取0.9,将H=1000mm,B=500mm代入式(1)、(2),可得

(3)

根据主承力接头设计状态及Y向间距,Lb的尺寸可调范围初步确定为600～1000mm,具体尺寸范围由下文截面形状对卫星结构刚度的影响分析确定。仅当Lb为1000mm时,卫星为矩形截面;其余情况下,为梯形截面。

2 构型结构分析与优化设计

卫星结构刚度与强度是结构设计的重要指标,本文所设计卫星结构的刚度受到卫星隔板间距、截面形状、结构承载、结构参数等变化的影响,其强度受到运载火箭发射环境、结构承载、结构参数等影响,下面对其刚度和强度特性分别开展详细分析与优化设计。

2.1 结构刚度分析与优化设计

各结构板采用壳单元模拟,其上质量根据承载情况按均布考虑,以矩形截面为例,分别在整星承载150kg与300kg、结构侧板铝蜂窝夹层结构厚度25.6mm与16.0mm不同组合4种状态下开展有限元建模与分析,得到整星结构一阶固有频率随Dxd变化关系,如图4所示。

图4 结构一阶固有频率随Dxd变化关系Fig.4 Structure first-order natural frequency trend with Dxd

由图4可以看出:4种状态下的整星结构一阶固有频率表现出了相同的规律,当Dxd在400～450mm时,随着间距增大,整星结构一阶固有频率急剧增大,增加了约6Hz,频率变化率平均达到了13.2%;但间距在450～700mm时,整星结构一阶固有频率增速缓慢,频率变化值平均约2Hz,频率变化率平均约4%,Dxd变化对结构一阶固有频率影响较小;结构侧板厚度改变时,整星结构一阶固有频率在承载150kg状态下平均变化率为1.1%,在承载300kg状态下平均变化率为0.5%,侧板厚度变化对结构一阶固有频率影响较小,其设计应优先满足局部强度要求。

由于Dxd与侧板厚度对结构一阶固有频率影响较小,选取Dxd为500mm,整星结构承载300kg,结构侧板铝蜂窝夹层结构厚度16.0mm,对卫星结构进行有限元建模与分析,得到整星结构一阶固有频率随Lb变化(即截面形状变化)关系如图5所示。

图5 结构一阶固有频率随Lb变化关系Fig.5 Structure first-order natural frequency trend with Lb

由图5可知:整星结构一阶固有频率随Lb的增大而升高,Lb在600～1000mm范围调整时结构一阶固有频率变化不到4Hz,在700～1000mm范围调整时结构一阶固有频率变化不到2Hz,截面形状变化对刚度影响较小。

综上所述,卫星承载150～300kg,根据布局需要,整星结构主承力接头X方向间距Dxd可调整范围为450～700mm,壁挂面安装板Y方向尺寸Lb可调整范围为700～1000mm,其变化对结构一阶固有频率影响较小;当整星结构承载300kg、Dxd为450mm、Lb为700mm、侧板铝蜂窝夹层结构厚度为16.0mm时,构型为梯形截面,卫星结构一阶固有频率最小,为40.8Hz;卫星结构一阶固有频率均大于30Hz,满足多型常用运载火箭对卫星刚度要求。

2.2 结构强度分析与优化设计

在上述多型运载火箭提供的准静态过载系数条件基础上,取最大包络,同时选取横向最大载荷、轴向最大载荷组合工况,并乘以安全系数1.5后作为输入载荷,得到主结构准静态分析工况(见表1)。按照式(4)计算卫星主承力接头最大拉拔力为

表1 主结构准静态分析工况Table 1 Static analysis conditions of the main structure g

F=mgn(αxHb/Dxd+αyHb/Dyd+|αz|/2)/2

(4)

式中:m为卫星质量;αx、αy、αz为3个方向的过载;Hb为质心到四点连接底面的距离。

按照表1的准静态分析工况,将m为150kg和300kg,Dxd为400～700mm,Dyd为400mm,Hb为300mm,分别代入式(4),计算得到卫星主承力接头最大拉拔力与Dxd的关系图(见图6)。

图6 主承力接头最大拉拔力与Dxd关系Fig.6 The max force trend with Dxd

由图6可知:承载越低,Dxd越大,拉拔力F越小;结构承载300kg,Dxd为400mm时,拉拔力F最大,为17.9kN。

为了获取设计的主承力接头最大承载力,进行了主承力接头的静力承载试验。试验结果表明:主承力接头最大承载拉拔力达到了23kN,相对于各承载状态的主承力接头最大拉拔力,对应主承力结构最低安全裕度为0.28,主承力结构设计强度满足多型运载火箭环境要求。

3 在轨应用

为了进一步说明本文所设计结构的应用效果,将所设计的小卫星构型与结构应用于某组批部署卫星。卫星采用矩形截面构型与结构,质量为160kg,主承力接头X向间距为500mm,卫星在整流罩内分为下层3颗、上层2颗壁挂在中心多星承力支架上。卫星分两次以一箭五星发射入轨,成功经历了实际运载火箭发射环境和在轨稳定运行的飞行试验考核,进一步验证了此构型与结构设计的合理性。

4 结论

本文设计了一种适用于150～300kg、组批部署的双隔板四点连接式小卫星构型与结构,克服了构型与结构针对特定载荷及运载火箭定制化设计的缺点,满足了多种载荷布局、多型运载火箭发射环境、组批快速部署的需求,基于仿真分析及试验验证得到如下结论。

(1)本文所设计的卫星构型与结构采用双隔板箱板式主承力结构,通过改变结构主承力接头X向间距(调整范围为450～700mm)、载荷安装板Y方向尺寸(调整范围为700～1000mm),可调整星内外布局空间与截面形状,且在调整范围内相同承载下结构一阶固有频率变化均不到2Hz,稳定性好,能适应多种载荷与设备布局。

(2)卫星结构一阶固有频率不低于40.8Hz,均大于多型运载火箭不低于30Hz的要求,主承力接头最大承载拉拔力实测达到了23kN,对应主承力结构使用最低安全裕度为0.28,卫星主承力结构的刚度和强度能够满足国内多型运载火箭的要求。

(3)卫星构型能充分利用运载火箭整流罩,灵活采用多层、每层3～5颗卫星的一箭多星壁挂式发射方式,组批快速部署适应性强。