微纳卫星标准接口连接分离机构技术研究

唐杰　康士朋　王金童　任海辽　江涛　周遇仁 （上海宇航系统工程研究所）

微纳卫星标准接口连接分离机构技术研究

唐杰康士朋王金童任海辽江涛周遇仁 （上海宇航系统工程研究所）

微纳卫星通常是指质量小于100kg、具有实际使用功能的卫星。随着航天型号产品的日益增多，小型化、轻型化的卫星平台是未来发展的一大趋势。随着高新技术发展和需求的推动，微纳卫星以体积小、功耗低、开发周期短，可编队组网，以更低的成本完成很多复杂的空间任务的优势，在科研、国防和商用等领域发挥着重要作用。

微纳卫星多以“一箭多星”形式发射，尤其是2016年我国长征-6新一代火箭首飞，成功进行了“一箭二十星”发射，卫星在火箭上的安装形式多样，对星箭连接分离机构提出了更高的要求。

目前，微纳卫星的发射与运载器间尚无系列化通用标准接口，连接分离机构形式差异较大，通用性差。因此，每颗新卫星研制基本均需与运载器重新制定独立接口协议，研制一套全新的分离机构。这种情况下造成研制周期长、成本高，不利于微纳卫星的快速研制和部署。

为了解决微纳卫星快速发射部署的需求，根据卫星的构型、质量、包络、连接分离方式等需求进行差异化设计，开展了系列化通用连接分离机构研究，以满足不同种类卫星发射任务的需求。本文以卫星质量为单位，开展了4类分离机构典型产品的研究，提出了产品方案，进行了仿真设计研究，完成了地面验证试验。研究成果为微纳卫星分离机构标准接口的推广应用提供参考。

1　皮卫星轨道适配器

5kg以内的微纳卫星，以立方体卫星（CubeSat）为国际标准接口，1U为一个标准单元（体积100mm×100mm×100mm的立方体），质量约1kg。立方体卫星是模块化的架构，可以在1个轴或多个轴上扩展，形成2U、3U甚至更大的立方体卫星，国际上一般采用通用的皮卫星轨道适配器（POD）作为连接分离机构。目前，国际上发射最多的是3U构型的立方体卫星，因此，重点开展3U立方体卫星POD的研制，其设计遵循系列化、通用化原则，根据需求，逐步扩展1U、2U、6U产品的研制。

立方体卫星适配器

POD通常组成为承载结构体、舱门、弹簧、锁紧释放机构等。承载结构需根据不同卫星体积大小需求进行调整；弹簧需根据卫星质量进行调整；舱门、推板和锁紧释放机构则可作为通用零组件。

POD的工作原理：卫星压入POD箱体内后，由舱门对POD进行压紧，接到电信号后锁紧释放机构解锁，舱门在扭簧的作用下打开，当门板转动到90°后，卫星在弹簧和推板的作用下弹出，卫星的分离速度及分离姿态精度均由分离机构保证。

针对不同质量的卫星，POD可分为1U、2U、3U、6U四种规格。

POD的产品规格

数值仿真：建立刚体仿真计算模型，对卫星分离速度及分离姿态进行数值仿真，模型中考虑导轨间的接触力、底座与卫星间的接触力。

根据仿真计算，卫星分离速度约为1.6m/s，最大分离角速度约为2.25（°）/s。

试验验证：分配器通过了相关环境、功能性能试验验证，试验结果和仿真预示吻合，达到预期效果。

分离仿真计算

POD的弹射试验

2　点式盒型连接分离机构

对于质量在5～30kg的微纳卫星，开展了模块化标准接口产品研制，通过点式盒型连接分离机构进行星箭连接、分离。分离机构由适配器、连接解锁装置、弹簧装置三部分组成。采用模块化设计，连接解锁装置、弹簧装置为独立单元，可以根据卫星进行组合安装，以适应不同卫星需求。

点式盒型连接分离机构

连接分离机构的振动试验

连接分离机构的分离试验

工作原理：分离机构通过对角布置的2个拉紧杆与卫星底板连接，实现星箭可靠连接，承剪销分布在连接解锁装置附近，承载剪切载荷，采用火工品切断拉紧杆实现星箭解锁。弹簧装置周向呈90°均匀分布，弹簧装置处于压缩状态，当星箭解锁时弹簧工作，把卫星从火箭上弹出，实现星箭分离。

数值仿真：建立刚体仿真计算模型，对卫星分离速度及分离姿态进行数值仿真，模型中考虑质心偏差、弹簧力偏差和弹簧效率。根据仿真计算，星箭分离速度约为1.303m/s，最大分离角速度约为1.133（°）/s。

试验验证：连接分离机构通过了相关环境、功能性能试验验证，试验结果和仿真预示吻合，达到预期效果。

3　Φ300包带连接解锁装置

对于质量在30～80kg的卫星，按照国际标准接口，采用Φ300包带连接解锁装置进行星箭连接、分离。该装置主要由包带装置、适配器和弹簧分离装置等产品组成。

工作原理：连接时，将包带连接解锁装置的V型块卡紧分离面两对接框的凸缘，预紧金属带切向安装火工品，在预紧力作用下牢牢地将两对接框连在一起。分离时，火工品起爆解锁，V型块脱落，两对接框松开，在弹簧分离装置作用下，将2个分离体分离。包带连接解锁装置具有受力均匀、承载能力大、可靠性高，分离时卫星上受到的分离振动和冲击载荷小，有利于卫星与箭体分离后的正常工作，具有确保入轨精度等显著优点，现广泛应用于星箭分离。

包带连接解锁装置振动试验

包带连接解锁装置分离试验

数值仿真：建立刚体仿真计算模型，对卫星分离速度及分离姿态进行数值仿真，模型中考虑质心偏差、弹簧力偏差和弹簧效率。根据仿真计算，星箭分离速度约为0.693m/s，最大分离角速度约为2.485（°）/s。

试验验证：Φ300包带连接解锁装置通过了相关环境、功能性能试验验证，试验结果和仿真预示吻合，达到预期效果。

4　四点式连接分离机构

点式分离机构的特点是结构简单、质量轻、传力路径优，可以按照卫星布局调整，适应性好。对于质量在80～150kg、构型为桁架式结构的卫星，四点式分离机构可作为理想的选择方案。

四点式分离机构要实现可靠连接、安全解锁，选择一种合适的火工品是至关重要的。设计上采用系列化产品，通过提供不同承载力的火工品实现连接、解锁，满足卫星连接刚度、强度需求。

工作原理：卫星底板通过4个火工品与运载火箭进行连接，连接解锁装置呈45°均布；采用4个相同的弹簧分离装置作为分离动力源，弹簧力作用点呈45°均布，实现了卫星与运载火箭的连接，火工品解锁后由收集装置进行收集，弹簧分离装置提供分离动力源，使星箭按要求的相对分离速度完成分离。

四点式星箭连接分离机构

四点式星箭连接分离机构分离试验

数值仿真：建立刚体仿真计算模型，对卫星分离速度及分离姿态进行数值仿真，模型中考虑质心偏差、弹簧力偏差和弹簧效率。根据仿真计算，星箭分离速度约为1m/s，最大分离角速度约为3.69（°）/s。

试验验证：连接分离机构通过了相关环境、功能性能试验验证，试验结果和仿真预示吻合，达到预期。

5　结束语

为了适应微纳卫星快速发射任务，按照不同卫星需求，研究形成系列化标准微纳卫星通用接口，完成了系列化通用星箭连接分离机构产品研制，并成功地进行了地面模拟试验，验证了产品的合理性和正确性，具有广泛的通用性。

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