微納衛星標準接口連接分離機構技術研究

唐杰　康士朋　王金童　任海遼　江濤　周遇仁 （上海宇航系統工程研究所）

微納衛星標準接口連接分離機構技術研究

唐杰康士朋王金童任海遼江濤周遇仁 （上海宇航系統工程研究所）

微納衛星通常是指質量小于100kg、具有實際使用功能的衛星。隨著航天型號產品的日益增多，小型化、輕型化的衛星平臺是未來發展的一大趨勢。隨著高新技術發展和需求的推動，微納衛星以體積小、功耗低、開發周期短，可編隊組網，以更低的成本完成很多復雜的空間任務的優勢，在科研、國防和商用等領域發揮著重要作用。

微納衛星多以“一箭多星”形式發射，尤其是2016年我國長征-6新一代火箭首飛，成功進行了“一箭二十星”發射，衛星在火箭上的安裝形式多樣，對星箭連接分離機構提出了更高的要求。

目前，微納衛星的發射與運載器間尚無系列化通用標準接口，連接分離機構形式差異較大，通用性差。因此，每顆新衛星研制基本均需與運載器重新制定獨立接口協議，研制一套全新的分離機構。這種情況下造成研制周期長、成本高，不利于微納衛星的快速研制和部署。

為了解決微納衛星快速發射部署的需求，根據衛星的構型、質量、包絡、連接分離方式等需求進行差異化設計，開展了系列化通用連接分離機構研究，以滿足不同種類衛星發射任務的需求。本文以衛星質量為單位，開展了4類分離機構典型產品的研究，提出了產品方案，進行了仿真設計研究，完成了地面驗證試驗。研究成果為微納衛星分離機構標準接口的推廣應用提供參考。

1　皮衛星軌道適配器

5kg以內的微納衛星，以立方體衛星（CubeSat）為國際標準接口，1U為一個標準單元（體積100mm×100mm×100mm的立方體），質量約1kg。立方體衛星是模塊化的架構，可以在1個軸或多個軸上擴展，形成2U、3U甚至更大的立方體衛星，國際上一般采用通用的皮衛星軌道適配器（POD）作為連接分離機構。目前，國際上發射最多的是3U構型的立方體衛星，因此，重點開展3U立方體衛星POD的研制，其設計遵循系列化、通用化原則，根據需求，逐步擴展1U、2U、6U產品的研制。

立方體衛星適配器

POD通常組成為承載結構體、艙門、彈簧、鎖緊釋放機構等。承載結構需根據不同衛星體積大小需求進行調整；彈簧需根據衛星質量進行調整；艙門、推板和鎖緊釋放機構則可作為通用零組件。

POD的工作原理：衛星壓入POD箱體內后，由艙門對POD進行壓緊，接到電信號后鎖緊釋放機構解鎖，艙門在扭簧的作用下打開，當門板轉動到90°后，衛星在彈簧和推板的作用下彈出，衛星的分離速度及分離姿態精度均由分離機構保證。

針對不同質量的衛星，POD可分為1U、2U、3U、6U四種規格。

POD的產品規格

數值仿真：建立剛體仿真計算模型，對衛星分離速度及分離姿態進行數值仿真，模型中考慮導軌間的接觸力、底座與衛星間的接觸力。

根據仿真計算，衛星分離速度約為1.6m/s，最大分離角速度約為2.25（°）/s。

試驗驗證：分配器通過了相關環境、功能性能試驗驗證，試驗結果和仿真預示吻合，達到預期效果。

分離仿真計算

POD的彈射試驗

2　點式盒型連接分離機構

對于質量在5～30kg的微納衛星，開展了模塊化標準接口產品研制，通過點式盒型連接分離機構進行星箭連接、分離。分離機構由適配器、連接解鎖裝置、彈簧裝置三部分組成。采用模塊化設計，連接解鎖裝置、彈簧裝置為獨立單元，可以根據衛星進行組合安裝，以適應不同衛星需求。

點式盒型連接分離機構

連接分離機構的振動試驗

連接分離機構的分離試驗

工作原理：分離機構通過對角布置的2個拉緊桿與衛星底板連接，實現星箭可靠連接，承剪銷分布在連接解鎖裝置附近，承載剪切載荷，采用火工品切斷拉緊桿實現星箭解鎖。彈簧裝置周向呈90°均勻分布，彈簧裝置處于壓縮狀態，當星箭解鎖時彈簧工作，把衛星從火箭上彈出，實現星箭分離。

數值仿真：建立剛體仿真計算模型，對衛星分離速度及分離姿態進行數值仿真，模型中考慮質心偏差、彈簧力偏差和彈簧效率。根據仿真計算，星箭分離速度約為1.303m/s，最大分離角速度約為1.133（°）/s。

試驗驗證：連接分離機構通過了相關環境、功能性能試驗驗證，試驗結果和仿真預示吻合，達到預期效果。

3　Φ300包帶連接解鎖裝置

對于質量在30～80kg的衛星，按照國際標準接口，采用Φ300包帶連接解鎖裝置進行星箭連接、分離。該裝置主要由包帶裝置、適配器和彈簧分離裝置等產品組成。

工作原理：連接時，將包帶連接解鎖裝置的V型塊卡緊分離面兩對接框的凸緣，預緊金屬帶切向安裝火工品，在預緊力作用下牢牢地將兩對接框連在一起。分離時，火工品起爆解鎖，V型塊脫落，兩對接框松開，在彈簧分離裝置作用下，將2個分離體分離。包帶連接解鎖裝置具有受力均勻、承載能力大、可靠性高，分離時衛星上受到的分離振動和沖擊載荷小，有利于衛星與箭體分離后的正常工作，具有確保入軌精度等顯著優點，現廣泛應用于星箭分離。

包帶連接解鎖裝置振動試驗

包帶連接解鎖裝置分離試驗

數值仿真：建立剛體仿真計算模型，對衛星分離速度及分離姿態進行數值仿真，模型中考慮質心偏差、彈簧力偏差和彈簧效率。根據仿真計算，星箭分離速度約為0.693m/s，最大分離角速度約為2.485（°）/s。

試驗驗證：Φ300包帶連接解鎖裝置通過了相關環境、功能性能試驗驗證，試驗結果和仿真預示吻合，達到預期效果。

4　四點式連接分離機構

點式分離機構的特點是結構簡單、質量輕、傳力路徑優，可以按照衛星布局調整，適應性好。對于質量在80～150kg、構型為桁架式結構的衛星，四點式分離機構可作為理想的選擇方案。

四點式分離機構要實現可靠連接、安全解鎖，選擇一種合適的火工品是至關重要的。設計上采用系列化產品，通過提供不同承載力的火工品實現連接、解鎖，滿足衛星連接剛度、強度需求。

工作原理：衛星底板通過4個火工品與運載火箭進行連接，連接解鎖裝置呈45°均布；采用4個相同的彈簧分離裝置作為分離動力源，彈簧力作用點呈45°均布，實現了衛星與運載火箭的連接，火工品解鎖后由收集裝置進行收集，彈簧分離裝置提供分離動力源，使星箭按要求的相對分離速度完成分離。

四點式星箭連接分離機構

四點式星箭連接分離機構分離試驗

數值仿真：建立剛體仿真計算模型，對衛星分離速度及分離姿態進行數值仿真，模型中考慮質心偏差、彈簧力偏差和彈簧效率。根據仿真計算，星箭分離速度約為1m/s，最大分離角速度約為3.69（°）/s。

試驗驗證：連接分離機構通過了相關環境、功能性能試驗驗證，試驗結果和仿真預示吻合，達到預期。

5　結束語

為了適應微納衛星快速發射任務，按照不同衛星需求，研究形成系列化標準微納衛星通用接口，完成了系列化通用星箭連接分離機構產品研制，并成功地進行了地面模擬試驗，驗證了產品的合理性和正確性，具有廣泛的通用性。

Technologies of the Standard Interface Connection and Separation Mechanism of Micro-Nano Satellites