一種適合組批部署的小衛(wèi)星構(gòu)型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉江 田宗軍 徐欣 扈勇強(qiáng) 劉質(zhì)加

(1 南京航空航天大學(xué),南京 210016)

(2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

隨著星座衛(wèi)星的發(fā)展,小衛(wèi)星以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1-2],尤其質(zhì)量在150～300kg的小衛(wèi)星已經(jīng)成為星座衛(wèi)星研制的重點(diǎn)[3-5],要求衛(wèi)星構(gòu)型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從定制化向強(qiáng)適應(yīng)性的平臺(tái)化轉(zhuǎn)變,同時(shí)具備多種載荷布局適應(yīng)能力、多型運(yùn)載火箭發(fā)射環(huán)境適應(yīng)能力、組批快速部署能力[6]。

針對(duì)組批部署的小衛(wèi)星,國(guó)內(nèi)外研究聚焦的衛(wèi)星構(gòu)型結(jié)構(gòu)以立方體、圓柱體、六棱柱體居多,其適應(yīng)載荷布局能力強(qiáng),分離裝置安裝在衛(wèi)星底部,可實(shí)現(xiàn)多顆主星串聯(lián)發(fā)射或自串聯(lián)發(fā)射[7-8],但受制于整流罩包絡(luò)與力學(xué)環(huán)境,發(fā)射主星數(shù)量一般不超過(guò)3個(gè),不適用于衛(wèi)星的組批快速部署。文獻(xiàn)[9]中提到的第一代星座“銥星”為細(xì)長(zhǎng)三棱柱體構(gòu)型,采用多星直立并聯(lián)發(fā)射,但其星內(nèi)空間利用率很低,很難大規(guī)模應(yīng)用;文獻(xiàn)[10]中提到的“星鏈”衛(wèi)星采用堆疊式串聯(lián)發(fā)射的平板構(gòu)型與結(jié)構(gòu),顯著地提高了單箭發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量,但衛(wèi)星層間距離限制了配套設(shè)備與載荷狀態(tài),適合定制化載荷,適應(yīng)范圍有限;文獻(xiàn)[11-13]中提到的“銥星”二代等衛(wèi)星均采用壁掛式梯形截面構(gòu)型與結(jié)構(gòu),較適合多種載荷小衛(wèi)星批量部署的需求[14],但是它們均針對(duì)800千克量級(jí)的通信或?qū)Ш叫l(wèi)星設(shè)計(jì),當(dāng)衛(wèi)星體積和質(zhì)量減小后,內(nèi)部空間利用率會(huì)極大降低,面向低質(zhì)量小衛(wèi)星的適應(yīng)能力不足;文獻(xiàn)[15]中提出了適合一箭八星壁掛式主頻可調(diào)節(jié)的衛(wèi)星結(jié)構(gòu),解決了衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性的問(wèn)題,但結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜、布局空間小,只適用于120kg以內(nèi)且載荷較簡(jiǎn)單的微小衛(wèi)星。綜上所述,目前針對(duì)質(zhì)量在150～300kg小衛(wèi)星可供選擇的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)普遍存在面向特定載荷、特定運(yùn)載器的定制化設(shè)計(jì),同時(shí)面向多種載荷布局、多型運(yùn)載火箭發(fā)射環(huán)境、組批快速部署的適應(yīng)能力不強(qiáng)。

本文基于壁掛式一箭多星發(fā)射方式,設(shè)計(jì)了一種雙隔板四點(diǎn)連接式小衛(wèi)星構(gòu)型與結(jié)構(gòu),開(kāi)展了構(gòu)型結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化,可適應(yīng)質(zhì)量在150～300kg小衛(wèi)星的組批部署需求。

1 構(gòu)型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)本文所研究衛(wèi)星的特點(diǎn),較傳統(tǒng)衛(wèi)星,提出了以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)約束:①能夠提供較大的布局空間,以適應(yīng)多種載荷的布局;②具有標(biāo)準(zhǔn)化的主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),能實(shí)現(xiàn)不同功能配置衛(wèi)星設(shè)備的快速布局;③具有一定的剛度與強(qiáng)度,在承載范圍內(nèi)可以適應(yīng)多型運(yùn)載的發(fā)射環(huán)境。本文以可變衛(wèi)星構(gòu)型截面、標(biāo)準(zhǔn)主承力結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)思路,從構(gòu)型與結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)、主承力接頭及位置可調(diào)設(shè)計(jì)、截面形狀變化設(shè)計(jì)三方面出發(fā),設(shè)計(jì)了一種雙隔板四點(diǎn)連接式小衛(wèi)星構(gòu)型與結(jié)構(gòu)。

1.1 總體設(shè)計(jì)

為了充分利用運(yùn)載整流罩內(nèi)部空間,衛(wèi)星采用中心多星承力支架、周邊壁掛布置數(shù)層數(shù)顆衛(wèi)星的一箭多星發(fā)射方案,每顆衛(wèi)星占用的扇形區(qū)域包絡(luò)體積一致,實(shí)際一箭發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量由中心多星承力支架直徑及整流罩尺寸確定。衛(wèi)星主承力接頭與運(yùn)載之間采用四點(diǎn)式分離裝置連接,較傳統(tǒng)對(duì)接環(huán)包帶式分離裝置,布局設(shè)計(jì)靈活,對(duì)衛(wèi)星連接面占用空間更小。艙內(nèi)設(shè)備一般以方箱類為主,為了充分利用星內(nèi)空間,衛(wèi)星本體基礎(chǔ)構(gòu)型設(shè)計(jì)為矩形截面,內(nèi)部設(shè)計(jì)可布置設(shè)備的雙長(zhǎng)、短隔板結(jié)構(gòu),此狀態(tài)星內(nèi)可用布局空間理論上可達(dá)到100%;載荷安裝板提供大面積載荷布置區(qū)域,通過(guò)調(diào)整載荷安裝板尺寸,衛(wèi)星構(gòu)型截面可由矩形變化為梯形,既能適應(yīng)多種載荷的布局需求,又能充分利用整流罩內(nèi)空間。構(gòu)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示,由壁掛面安裝板、載荷安裝板、±Y主承力長(zhǎng)隔板、±X短隔板、±Y側(cè)板和±X側(cè)板組成,4個(gè)主承力接頭設(shè)置在主承力長(zhǎng)隔板、短隔板與壁掛面安裝板相交的位置;衛(wèi)星截面形狀與主承力接頭X向間距設(shè)計(jì)為可調(diào),以滿足各種衛(wèi)星配置的布局需求。在發(fā)射過(guò)程中,衛(wèi)星X方向與整流罩軸向方向一致,發(fā)射方向?yàn)檎较?衛(wèi)星Z方向與整流罩徑向方向一致,中心指向周邊方向?yàn)檎较颉?/p>

注:L為矩形截面狀態(tài)Y方向尺寸;B為主承力長(zhǎng)隔板Z方向尺寸;La為梯形截面狀態(tài)載荷安裝板Y方向尺寸;Lb為梯形截面狀態(tài)壁掛面安裝板Y方向尺寸;θ為載荷安裝板與±Y側(cè)板之間的角度。圖1 衛(wèi)星構(gòu)型截面示意圖Fig.1 Satellite configuration cross section

注:Dxd為主承力接頭X向間距(即±X短隔板間距);Dyd為主承力接頭Y向間距;H為主承力長(zhǎng)隔板X方向尺寸。圖2 主承力接頭分布示意圖Fig.2 Distribution of the main load-bearing joints

1.2 位置可調(diào)式主承力接頭設(shè)計(jì)

星上各設(shè)備的慣性過(guò)載通過(guò)長(zhǎng)、短隔板傳到4個(gè)主承力接頭(星箭接頭)上。衛(wèi)星4個(gè)主承力接頭采用相同設(shè)計(jì),分別由1個(gè)星箭接頭埋塊、1個(gè)隔板加強(qiáng)埋塊、1個(gè)大外貼角盒和2個(gè)小外貼角盒組成,均采用鋁合金材料,其中星箭接頭埋塊埋置于壁掛面安裝板內(nèi),隔板加強(qiáng)埋塊埋置于主承力長(zhǎng)隔板內(nèi),結(jié)構(gòu)板內(nèi)部相應(yīng)位置填充發(fā)泡膠補(bǔ)強(qiáng)處理。單個(gè)主承力接頭結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3。各結(jié)構(gòu)板均選用質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)性較好的鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu),其中衛(wèi)星主承力長(zhǎng)隔板、短隔板與壁掛面安裝板的厚度為25.6mm,其余結(jié)構(gòu)板根據(jù)其承載和應(yīng)力情況可選厚度為25.6mm或16mm。

綜合考慮小衛(wèi)星星內(nèi)設(shè)備配套狀態(tài)、平均布局密度、裝配可操作性,衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)尺寸H為1000mm,B為500mm,L為1000mm;Dyd取400mm,此時(shí)±Y側(cè)板分別與±Y主承力長(zhǎng)隔板之間的距離為300mm;Dxd設(shè)計(jì)為可調(diào)整,初步設(shè)計(jì)為400～700mm,具體尺寸范圍由下文主承力接頭位置對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度的影響分析確定。

1.3 截面形狀變化設(shè)計(jì)

矩形和梯形兩種截面狀態(tài)星內(nèi)可提供的設(shè)備安裝空間應(yīng)一致,即星內(nèi)容積一定,但梯形截面狀態(tài)星內(nèi)空間利用率會(huì)適當(dāng)降低,得

(1)

式中:η為梯形截面狀態(tài)星內(nèi)空間利用率系數(shù)。

由梯形尺寸關(guān)系可得

(2)

η取0.9,將H=1000mm,B=500mm代入式(1)、(2),可得

(3)

根據(jù)主承力接頭設(shè)計(jì)狀態(tài)及Y向間距,Lb的尺寸可調(diào)范圍初步確定為600～1000mm,具體尺寸范圍由下文截面形狀對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)剛度的影響分析確定。僅當(dāng)Lb為1000mm時(shí),衛(wèi)星為矩形截面;其余情況下,為梯形截面。

2 構(gòu)型結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),本文所設(shè)計(jì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的剛度受到衛(wèi)星隔板間距、截面形狀、結(jié)構(gòu)承載、結(jié)構(gòu)參數(shù)等變化的影響,其強(qiáng)度受到運(yùn)載火箭發(fā)射環(huán)境、結(jié)構(gòu)承載、結(jié)構(gòu)參數(shù)等影響,下面對(duì)其剛度和強(qiáng)度特性分別開(kāi)展詳細(xì)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 結(jié)構(gòu)剛度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

各結(jié)構(gòu)板采用殼單元模擬,其上質(zhì)量根據(jù)承載情況按均布考慮,以矩形截面為例,分別在整星承載150kg與300kg、結(jié)構(gòu)側(cè)板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)厚度25.6mm與16.0mm不同組合4種狀態(tài)下開(kāi)展有限元建模與分析,得到整星結(jié)構(gòu)一階固有頻率隨Dxd變化關(guān)系,如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)一階固有頻率隨Dxd變化關(guān)系Fig.4 Structure first-order natural frequency trend with Dxd

由圖4可以看出:4種狀態(tài)下的整星結(jié)構(gòu)一階固有頻率表現(xiàn)出了相同的規(guī)律,當(dāng)Dxd在400～450mm時(shí),隨著間距增大,整星結(jié)構(gòu)一階固有頻率急劇增大,增加了約6Hz,頻率變化率平均達(dá)到了13.2%;但間距在450～700mm時(shí),整星結(jié)構(gòu)一階固有頻率增速緩慢,頻率變化值平均約2Hz,頻率變化率平均約4%,Dxd變化對(duì)結(jié)構(gòu)一階固有頻率影響較小;結(jié)構(gòu)側(cè)板厚度改變時(shí),整星結(jié)構(gòu)一階固有頻率在承載150kg狀態(tài)下平均變化率為1.1%,在承載300kg狀態(tài)下平均變化率為0.5%,側(cè)板厚度變化對(duì)結(jié)構(gòu)一階固有頻率影響較小,其設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先滿足局部強(qiáng)度要求。

由于Dxd與側(cè)板厚度對(duì)結(jié)構(gòu)一階固有頻率影響較小,選取Dxd為500mm,整星結(jié)構(gòu)承載300kg,結(jié)構(gòu)側(cè)板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)厚度16.0mm,對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模與分析,得到整星結(jié)構(gòu)一階固有頻率隨Lb變化(即截面形狀變化)關(guān)系如圖5所示。

圖5 結(jié)構(gòu)一階固有頻率隨Lb變化關(guān)系Fig.5 Structure first-order natural frequency trend with Lb

由圖5可知:整星結(jié)構(gòu)一階固有頻率隨Lb的增大而升高,Lb在600～1000mm范圍調(diào)整時(shí)結(jié)構(gòu)一階固有頻率變化不到4Hz,在700～1000mm范圍調(diào)整時(shí)結(jié)構(gòu)一階固有頻率變化不到2Hz,截面形狀變化對(duì)剛度影響較小。

綜上所述,衛(wèi)星承載150～300kg,根據(jù)布局需要,整星結(jié)構(gòu)主承力接頭X方向間距Dxd可調(diào)整范圍為450～700mm,壁掛面安裝板Y方向尺寸Lb可調(diào)整范圍為700～1000mm,其變化對(duì)結(jié)構(gòu)一階固有頻率影響較小;當(dāng)整星結(jié)構(gòu)承載300kg、Dxd為450mm、Lb為700mm、側(cè)板鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)厚度為16.0mm時(shí),構(gòu)型為梯形截面,衛(wèi)星結(jié)構(gòu)一階固有頻率最小,為40.8Hz;衛(wèi)星結(jié)構(gòu)一階固有頻率均大于30Hz,滿足多型常用運(yùn)載火箭對(duì)衛(wèi)星剛度要求。

2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

在上述多型運(yùn)載火箭提供的準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)載系數(shù)條件基礎(chǔ)上,取最大包絡(luò),同時(shí)選取橫向最大載荷、軸向最大載荷組合工況,并乘以安全系數(shù)1.5后作為輸入載荷,得到主結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)分析工況(見(jiàn)表1)。按照式(4)計(jì)算衛(wèi)星主承力接頭最大拉拔力為

表1 主結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)分析工況Table 1 Static analysis conditions of the main structure g

F=mgn(αxHb/Dxd+αyHb/Dyd+|αz|/2)/2

(4)

式中:m為衛(wèi)星質(zhì)量;αx、αy、αz為3個(gè)方向的過(guò)載;Hb為質(zhì)心到四點(diǎn)連接底面的距離。

按照表1的準(zhǔn)靜態(tài)分析工況,將m為150kg和300kg,Dxd為400～700mm,Dyd為400mm,Hb為300mm,分別代入式(4),計(jì)算得到衛(wèi)星主承力接頭最大拉拔力與Dxd的關(guān)系圖(見(jiàn)圖6)。

圖6 主承力接頭最大拉拔力與Dxd關(guān)系Fig.6 The max force trend with Dxd

由圖6可知:承載越低,Dxd越大,拉拔力F越小;結(jié)構(gòu)承載300kg,Dxd為400mm時(shí),拉拔力F最大,為17.9kN。

為了獲取設(shè)計(jì)的主承力接頭最大承載力,進(jìn)行了主承力接頭的靜力承載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:主承力接頭最大承載拉拔力達(dá)到了23kN,相對(duì)于各承載狀態(tài)的主承力接頭最大拉拔力,對(duì)應(yīng)主承力結(jié)構(gòu)最低安全裕度為0.28,主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足多型運(yùn)載火箭環(huán)境要求。

3 在軌應(yīng)用

為了進(jìn)一步說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果,將所設(shè)計(jì)的小衛(wèi)星構(gòu)型與結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某組批部署衛(wèi)星。衛(wèi)星采用矩形截面構(gòu)型與結(jié)構(gòu),質(zhì)量為160kg,主承力接頭X向間距為500mm,衛(wèi)星在整流罩內(nèi)分為下層3顆、上層2顆壁掛在中心多星承力支架上。衛(wèi)星分兩次以一箭五星發(fā)射入軌,成功經(jīng)歷了實(shí)際運(yùn)載火箭發(fā)射環(huán)境和在軌穩(wěn)定運(yùn)行的飛行試驗(yàn)考核,進(jìn)一步驗(yàn)證了此構(gòu)型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種適用于150～300kg、組批部署的雙隔板四點(diǎn)連接式小衛(wèi)星構(gòu)型與結(jié)構(gòu),克服了構(gòu)型與結(jié)構(gòu)針對(duì)特定載荷及運(yùn)載火箭定制化設(shè)計(jì)的缺點(diǎn),滿足了多種載荷布局、多型運(yùn)載火箭發(fā)射環(huán)境、組批快速部署的需求,基于仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證得到如下結(jié)論。

(1)本文所設(shè)計(jì)的衛(wèi)星構(gòu)型與結(jié)構(gòu)采用雙隔板箱板式主承力結(jié)構(gòu),通過(guò)改變結(jié)構(gòu)主承力接頭X向間距(調(diào)整范圍為450～700mm)、載荷安裝板Y方向尺寸(調(diào)整范圍為700～1000mm),可調(diào)整星內(nèi)外布局空間與截面形狀,且在調(diào)整范圍內(nèi)相同承載下結(jié)構(gòu)一階固有頻率變化均不到2Hz,穩(wěn)定性好,能適應(yīng)多種載荷與設(shè)備布局。

(2)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)一階固有頻率不低于40.8Hz,均大于多型運(yùn)載火箭不低于30Hz的要求,主承力接頭最大承載拉拔力實(shí)測(cè)達(dá)到了23kN,對(duì)應(yīng)主承力結(jié)構(gòu)使用最低安全裕度為0.28,衛(wèi)星主承力結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度能夠滿足國(guó)內(nèi)多型運(yùn)載火箭的要求。

(3)衛(wèi)星構(gòu)型能充分利用運(yùn)載火箭整流罩,靈活采用多層、每層3～5顆衛(wèi)星的一箭多星壁掛式發(fā)射方式,組批快速部署適應(yīng)性強(qiáng)。