“星鏈”堆疊式衛星連接與分離技術及應用

陳牧野 牟宇 周寧 王乾 趙文 呂鵬偉 (北京宇航系統工程研究所)

1 引言

“一箭多星”是指用一枚運載火箭將兩顆及以上的衛星發射至預定軌道。傳統的“一箭多星”發射模式需要依靠質量體積較大的衛星適配器，對整流罩內寶貴空間的利用率不足，一次可以發射的衛星數量也受到限制。為此，美國太空探索技術公司（SpaceX）探索了一種新的“一箭多星”發射模式——堆疊式衛星發射。堆疊式衛星不再需要專門的衛星適配器，節省了運載能力的同時，也可以充分利用運載火箭整流罩的可用空間，通過合理設計可突破一次發射的衛星數量，提高發射效率。

2021年1月，SpaceX公 司 利 用獵鷹-9（Falcon-9）實現了“一箭143星”的發射壯舉，將10顆“星鏈”（Starlink）衛星和133顆小衛星送入軌道，大幅刷新了世界“一箭多星”發射衛星數量的紀錄。其中“星鏈”衛星就是SpaceX公司利用衛星和載荷支架統一設計的優勢，設計的一種標準化的堆疊式衛星。此外，SpaceX公司利用獵鷹-9也實現了“星鏈”衛星組的“一箭60星”常態發射。

目前，我國的“一箭多星”的紀錄為長征八號遙二運載火箭“一箭22星”，該次發射仍采用錐形載荷支架+中心承力筒+頂部圓盤的衛星適配器方案，單次發射衛星的數量距離國際主流火箭的紀錄還有較大差距。在未來星網、通信衛星等需求下，亟需開展“一箭多星”發射模式的技術儲備。本文針對SpaceX公司“星鏈”堆疊式衛星連接與分離開展研究，對堆疊式衛星連接與分離的關鍵技術和未來發展方向進行分析和展望。

2 “星鏈”衛星連接與分離概述

“星鏈”星座是SpaceX公司推出的一項通過近地球軌道衛星群來提供覆蓋全球的高速互聯網接入服務。最初的設想是在地球上空的預定軌道部署由12000顆衛星組成的巨型星座。2018年2月22日，SpaceX公司在美國加州范登堡空軍基地成功發射了一枚獵鷹-9火箭，并將兩顆小型實驗通信衛星送入軌道，“星鏈”計劃由此開啟。2019年10月22日，埃隆·馬斯克成功通過“星鏈”發送推特，表示“星鏈”已能提供天基互聯網服務。

為實現“星鏈”星座的部署，若采取“一箭雙星”的方式發射，將共需約6000次發射才能完成整個星座的建設。為了能夠快速部署星座，最大化地利用整流罩內部的空間，SpaceX公司創新提出衛星標準接口，并將衛星設計成扁平的結構，通過堆疊式的布局，取消了中央適配器結構。在“星鏈”星座的發射任務中，采用了“一箭60星”的堆疊式搭載模式。

“星鏈衛星”堆疊連接方式

60顆“星鏈”衛星共被分為兩堆，每堆各30顆衛星。“星鏈”單顆衛星的平面示意圖如下圖所示。其中，A、B、C分別為3個圓環垂直承力支柱，用于衛星的堆疊并作為衛星的承力結構。三者高度并不一致，A支柱高度最高，B、C的高度為A的一半。兩堆衛星通過支柱交錯堆疊在一起，形成“拉鏈式”的布局結構。

為保證整個結構在發射中的剛度，每一個承力支柱都配備有一個張緊機構，它由兩根長桿和長桿間的連接結構（類似于卡箍）及其附屬電纜組成。承力支柱是由每個衛星的垂直支柱堆疊構成的，主承力柱兩側的長桿即為張緊機構。

“星鏈”單顆衛星結構及堆疊方式

衛星的堆疊方式

在衛星堆疊的最上方的垂直支柱上設置一個橫向軸銷作為頂部壓緊裝置，通過兩個張力桿連接的機構將軸銷壓緊，用于固定整體衛星組。當接到分離指令時，靠近載荷支架的張緊機構首先解鎖，解除衛星組下端固定，接著張緊機構在分離能源帶動下緩緩拔出，至特定位置后，解除上方固定。

衛星組頂部壓緊裝置

“星鏈”衛星分離方式

對于多星分離，最常見的星箭分離方式是彈簧彈射式。這些衛星通過火工裝置等物理分離機構固定在載荷支架上，在分離時刻，按照預定分離時序解鎖，一個接一個地被分離彈簧推離火箭，實現分離。而“星鏈”衛星則采用了一種不同尋常的方法：在分離時刻，它緩慢旋轉火箭的末級，然后釋放了它的有效載荷，即一整堆打包的“星鏈”衛星初始轉動角速度下逐漸分離。這些衛星組在距地440km處星箭分離，然后在接下來的幾天內衛星用霍爾推進器爬升到550km 軌道，分散開來。

根據圖像視頻分析，可能的分離過程為：一是火箭在俯仰方向上主動施加一定的角速度，在相同的俯仰角速度下，距離火箭較遠的衛星相對平動速度更大，從而形成了自然的分離能源，提供衛星整體一個遠離箭體的速度，同時由于堆疊位置差異造成遠端衛星與近端衛星線速度不同，分離后不同層的衛星之間也在該速度差異下拉開距離保證分離安全；二是在滾轉方向上施加一定的角速度，通過滾轉產生的離心力，使得同一層的兩顆衛星逐漸遠離并保證分離安全。

采用這種分離方式，不需要單獨為每顆衛星配置適配器和分離能源，這樣既節省了適配器的重量，也大大降低了分離系統的研制難度。

3 堆疊式衛星連接與分離關鍵技術

根據“星鏈”堆疊式衛星方案，衛星創新性地采用統一的平板型結構形式，采用統一的承力支柱接口進行堆疊安裝連接，采用整體60顆衛星組統一“拋灑”的分離方式。為了實現堆疊式衛星的連接與分離，星箭結構接口標準化設計、星箭壓緊設計和星箭組合體分離方案設計是尤為重要的三項關鍵技術。

星箭結構接口標準化設計

美國專利《可堆疊衛星和其堆疊方法》提出了一種可堆疊衛星及其堆疊方法。該專利給出了星箭結構接口的一種標準化設計方法，衛星主要由框架，具有下端和上端的垂直支柱，以及支撐各種衛星部件（諸如天線、貯箱和其他系統）的多個面板組成。其中，垂直支柱和面板通常用螺栓連接到衛星框架上。垂直支柱位于框架的每個拐角上，保持衛星框架的高度統一，以提高支柱結構的設計效率，保證整體連接剛度。衛星按照此標準接口進行設計，同時運載載荷支架與衛星的對接接口也按照該標準接口進行，即可以實現高效堆疊。

因此，星箭雙方需要協同開展星箭結構接口標準化設計，綜合考慮不同種類衛星功能需求、不同運載火箭整流罩空間要求，統一衛星包絡尺寸、衛星間及星箭間接口形式，以滿足不同衛星的組合性發射及適應多運載發射的接口兼容性。并在此接口上開展多數量、多種類衛星的堆疊布局方案設計。

星箭壓緊設計

星箭壓緊設計方案主要包括衛星垂直支柱和連接解鎖機構兩部分。

“星鏈”衛星組分離過程

根據美國專利《可堆疊衛星和其堆疊方法》，垂直支柱需要支撐安裝在其上的衛星以及位于其上方的所有衛星的重量，因此垂直支柱需要由非常高強度的材料支撐。但衛星框架僅需承載衛星自身的重量，因此可以由成本相對較低且強度稍弱的材料支撐。堆疊衛星之間的連接主要通過支柱實現，支柱基本上承受了其本身和所有上方衛星的垂直載荷。支柱的主要結構形式有弧面支撐和梯形支撐兩種，其中梯形支撐的方式比弧面支撐能夠提供更好的橫向支撐。

垂直支柱連接示意圖[5]

衛星垂直支柱在衛星堆疊中起到非常重要的作用，主要發揮以下四方面的功能：

衛星堆疊時各顆衛星之間只靠連接支柱接觸，由于衛星的結構都是相同的，所以每一顆衛星都必須設計成能夠支撐堆疊在上方的最大數量的衛星的質量，并傳遞至運載火箭衛星支架。

通過設置合理的支柱連接形式，可以通過多點連接將衛星準確定位，再通過壓桿張緊裝置將衛星組固定。

在火箭載荷支架上，設置同種類型的對接接口，保證衛星組與火箭末級的定位與連接。

在連接支柱內部提前設置碟簧（或其他形式）等分離能源，在星箭分離時提供星間分離沖量，保證衛星組分離安全。

通過衛星垂直支腳的連接，可以實現衛星組的堆疊和橫向定位。衛星組與衛星載荷支架在火箭箭體軸向方向上的壓緊和釋放還需要通過連接解鎖機構來實現。

根據美國專利《可堆疊衛星和其堆疊方法》，通過上蓋、下蓋、張緊軸、張緊軸支架和張緊軸螺栓實現衛星組的壓緊和釋放。其中，張緊軸沿著運載火箭的中心軸定位，以垂直地壓緊衛星堆。衛星組分離時，通過解除上蓋和張緊軸螺栓的約束，實現衛星組的分離。

連接解鎖機構通過螺旋傳動、連桿機構、凸輪機構等的自鎖原理實現高可靠壓緊，降低誤解鎖風險。達到預定軌道后，解鎖組件解鎖，釋放連接解鎖機構組件的縱向壓緊力，解除衛星組的固定，同時連接解鎖機構組件頂部在彈簧等驅動能源的作用下，沿預定軌跡向衛星組外側運動，遠離星組，保證星組分離安全。

星箭組合體分離方案設計

對于堆疊式衛星組，其星箭組合體的分離方案為：通過標準化的堆疊式結構接口，采用堆疊式的安裝方法，輔助壓緊組件的壓緊方式，實現衛星的可靠固定。通過給定運載末級特定的姿態角速度，使衛星組整體釋放，實現衛星組與運載末級的分離。保證在近場無碰撞的情況下，由衛星自帶能源實現后續編隊及入軌。

針對上述多星緊湊空間下多體同時分離的星箭分離模式，需要開展多星分離系統設計方案研究，建立多星分離的多體動力學模型，對多星壓緊狀態下的分離機構運動特性進行仿真分析，給出在多體無控狀態下的分離系統設計方案，星箭分離時，先給“火箭末級+堆疊衛星組”的組合體一定的姿態角速度，隨后連接解鎖結構分離，壓桿組件向組合體外側沿設定路線脫離并通過機械結構系留在火箭末級上。與此同時，衛星組整體與火箭上面級分離，各層衛星之間通過預先設置的分離能源產生分離間隙，確保分離安全。

為驗證衛星組整體分離的可行性，對衛星分離過程進行仿真計算，建立星箭分離模型，使用ADAMS軟件進行分離分析。

在給定衛星和火箭末級組合體一定的俯仰角速度的初始條件下，各衛星在自身的旋轉角速度和切向速度下進行分離，衛星之間逐步遠離。旋轉角速度與衛星的規模有密切聯系，若火箭無法提供較大的初始角速度，那么需要在衛星和衛星之間增加額外的分離能源，確保衛星之間不發生碰撞。同時，為避免火箭末級及支撐桿碰撞衛星，通常需要在火箭上設置一定的反向分離能源，使火箭主動遠離衛星。

星箭分離三維模型

分離后近場各衛星之間的狀態

4 堆疊式衛星連接與分離技術展望

為準確分析飛行過程中的衛星動力學環境和載荷條件，需要突破堆疊式衛星動力學建模技術。根據衛星和壓緊組件裝置的結構設計方案，建立衛星動力學模型。同時需要根據模態試驗結果，對模型進行修正；開展不同預緊力下的堆疊多星組合體模態試驗，通過靈敏度分析獲取不同預緊力下的堆疊多星組合體動力學參數，獲取堆疊多星組合體動力學模型。

堆疊式衛星的安裝方式導致衛星組的振動環境與傳統適配器下的振動環境有所不同。為保證衛星組在運載火箭飛行過程中良好的振動環境，需要開展振動環境優化技術研究。從結構低頻減振和高頻減振兩方面入手，開展堆疊多星組合體減振平臺優化設計。

堆疊衛星采用衛星組整體分離的方式，分離時衛星間距離小，衛星數量多，對星箭分離近場安全性帶來巨大考驗。針對多星分離過程中近場安全性進行分析，采用多體動力學模型，結合多星分離方案，識別分離過程中多星間碰撞危險點，與衛星方針對碰撞風險結合衛星實際功能需求，整體優化防碰撞結構設計，降低碰撞風險，減少碰撞損傷，提高多星入軌安全性。

5 結論

美國SpaceX公司使用堆疊式衛星實現“星鏈”“一箭60星”的發射，是“一箭多星”發展的一項重大突破，也是未來充分利用整流罩內空間，提升發射效率的重要方向。隨著低軌遙感、通信小衛星星座任務需求的增長，堆疊式衛星連接與分離技術將成為未來“一箭多星”發射模式的重要發展方向。