小卫星机械总体设计技术发展及展望

刘质加 张立华 韩冬

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

卫星的机械总体设计工作是卫星总体设计的重要组成部分，包含卫星构型布局设计、结构与机构设计、总装设计等。其中，构型布局设计的根本任务是在各类约束条件下，确定卫星的主承力结构方案、舱段组成，外形尺寸和星箭接口形式，完成卫星各类设备的布局设计和分析。结构与机构设计是为卫星及其仪器设备提供支撑，承受和传递载荷，并保持一定的刚度和尺寸稳定性，同时还要设计星上机构以实现星箭分离、星星分离、太阳翼展开等动作。总装设计是根据总体要求，设计确定各种星上仪器设备的安装位置、紧固方式、电缆波导以及管路走向，确保设备的功能以及整星的质量特性、精度都能满足总体要求。随着近年来小卫星技术及应用的快速发展，小卫星任务和载荷日趋多样化，对卫星构型设计也带来了多样化的需求，小卫星的高性能发展带来对强机动能力、高结构稳定性的需求，卫星大规模星群组网带来了对卫星模块化设计、批量化总装的需求，卫星不断缩短的研发周期带来了对数字化手段应用、流程优化的需求，这都对小卫星机械总体提出了越来越高的要求。

本文针对近年来的小卫星发展需求，系统分析总结了小卫星机械总体设计技术近年来的发展和应用情况，并提出了小卫星机械总体技术的展望。

1 小卫星机械总体设计需求分析

近年来，全球小卫星产业发展强劲，发射数量逐年大幅增长，成为世界航天活动的主要构成部分之一。小卫星不仅是当下的发展热点，未来也将保持快速增长的趋势[1-2]。小卫星由于其小型化、低成本、研制周期短的优势，完成的任务呈现多样性的特点，覆盖了一系列应用，包括对地观测、通信、空间科学、深空探测、技术试验等各个领域。针对多样化的任务需求，小卫星的构型设计也随之多样化，如太空探索技术(SpaceX)公司的星链卫星、国内商业卫星的代表吉林一号，都是出于任务的需求，对整体构型的个性化设计。

小卫星技术的快速发展和应用领域的不断扩大，对机械总体设计也提出了新的需求，其中主要发展趋势在于以下几点。

(1)对地观测类小卫星[3]为了实现看得全、看得清、看得准、看得快的目标，对快速机动能力及高分辨率提出了越来越高的要求，如国际上比较有代表性的法国昴宿星(Pleiades)，这就要求卫星机械总体设计要注重整体构型的紧凑性、加强与载荷的一体化设计以优化卫星质量特性，同时采用新材料、新方法实现高稳定的卫星结构。

(2)在通信类小卫星以及其它低轨卫星互联网星座任务的牵引下以SpaceX星链为代表的高密度、低成本、高度模块化的小卫星构型设计发展势头强劲[4-5]，为适应大批量研制发射的需求，开创性的引进了卫星堆叠发射技术，首次将批量化生产、发射技术引入卫星领域，引领了整个行业的潮流，如何满足小卫星批量化生产和发射的需求，也是小卫星机械总体设计要考虑的重要问题。

(3)小卫星具有作为在轨技术验证的先天优势，近些年来，各类依靠新型载荷实现的复杂航天任务，如空间操作、地球电磁场探测[6]、引力波探测[7]等空间任务，以及小卫星向超低轨以及深空一近一远两个方向的任务扩展应用，对小卫星的外形设计、超精超稳的结构设计、高精度质量特性设计都提出了挑战。

(4)由于小卫星需求的增加，以火工品驱动为代表的传统星箭包带连接解锁机构、太阳翼连接解锁机构等已不能满足小卫星对接口多样化、低冲击、低成本的需求。近些年来，星箭解锁分离由对接环-包带式向多点解锁分离式发展，解锁装置由高冲击高危险不可重复使用的火工品向以利用记忆合金新材料为代表的新型低冲击可重复使用解锁装置发展，成本不断降低。同时星上机构还要根据需求发展多星堆叠压紧释放以及在轨可重复收展、即插即用的各类技术[8]。

(5)小卫星研制周期越来越短，完成一颗卫星的全部研制工作已从10年前的20～30个月缩短到现在的6～9个月。为了解决市场需求与研制能力不足的问题，小卫星机械总体设计必须采取分舱、分块的模块化设计，化主线为辅线，变串行为并行，同时在机械设计上大量采用数字化手段，推动二维到三维的转化、推动数字化协同设计、实现数字化的精细验证，确保高效率完成设计并确保一次做对。

2 小卫星构型布局技术发展和应用情况

卫星构型是指卫星整体的基本空间构架和形式，卫星构型设计在总体设计中具有较高的地位和重要性，其主要内容是设计适应复杂系统产品外部工程环境、有利于产品功能实现、有利于研制和能促进产品发展的总体空间布局、舱段划分、轮廓尺寸和形状。因此，保证和有利于卫星功能实现就是卫星构型的主要目的，近20年来，卫星功能要求的不断提升，就是构型设计技术发展的最大推力。

卫星的姿态控制方式对构型设计有很大的影响。小卫星的姿态控制经历了自旋稳定和三轴稳定两种方式，适用于不同的任务。自旋稳定卫星对构型有严格的要求。空间环境探测双星[9]就是采用自旋稳定控制的卫星(见图1)，其构型为圆柱体，采用体装太阳翼，卫星直径大于高度，其目的是保证自旋轴与最大惯量轴重合。

自旋稳定型卫星只适用于特定的空间任务需求，三轴稳定型的姿态控制系统是目前小卫星的主流控制方式，构型设计与自旋稳定型卫星也有较大的差别。对于采用三轴稳定姿态控制的卫星在满足姿控设备极性要求的前提下，卫星的构型设计更多的是与有效载荷的形态和要求有关。基于轻量化设计思路的板式箱体型构型是当时选择的小卫星构型最佳方案，一般以六面体为主。如以环境减灾一号卫星[10](见图2)为代表的CAST968平台的卫星构型都是这种形式。

图2 CAST968平台卫星构型

随着遥感卫星的发展，以遥感二号卫星为代表的系列卫星统称为CAST2000平台卫星。主要是光学载荷为主，特点是载荷较大，姿控系统设备较多，与CAST968平台的卫星构型相比，CAST2000平台的卫星构型(见图3)在总装的便捷与快速实现上有了更高的需求，要尽可能的把各个总装工序并行设计以减少主线的长度，是当时构型设计重点考虑的一项原则。自此，由载荷舱、平台舱、推进舱构成的分舱设计，实现载荷、平台设备总装与推进管路焊装并行，缩短卫星研制主线周期，在小卫星构型模块化设计道路上迈出了第一步。

图3 CAST2000平台卫星构型

后续的天绘系列卫星[11]、实践九号卫星、委内瑞拉遥感卫星等小卫星都是采用该构型形式。这种构型与CAST968平台的构型本质都是立方体式的箱板式结构，这种构型结构简单，内部设备布局空间充足，设备装填密度较高、外部形状规整，构型对称性好，至今仍是小卫星构型设计的主流。

随着卫星功能的日益增强和新载荷的不断涌现，对构型设计的新需求也逐渐显现，近年来，比较有代表性的小卫星构型设计主要有以下3种。

1)面向敏捷要求的快速机动型小卫星构型设计

高分辨率、高精度、高敏捷型的高分专项系列卫星是“十二五”之后小卫星领域的重点型号，其快速机动的需求对整星构型提出了新的要求。整星构型要紧凑布局，使卫星沿俯仰和滚动轴方向的转动惯量尽量小，紧凑型六面体配置3块刚性太阳翼的CAST3000平台构型(见图4)应运而生。与CAST2000系列卫星的构型相比，CAST3000平台的六面体构型具有结构更紧凑、设备布局面积更大、同等能源需求下太阳翼伸展长度最短等特点。同等配置下，其一方面实现了较低的转动惯量；另一方面，太阳翼采用单板展开并增加撑杆的设计，有效提高了整星刚度，可以更好地满足卫星快速机动的需求。尤其对于搭配了主动指向超静平台的敏捷型卫星，这种构型设计可以更好地发挥三超平台的高稳定性快速机动的功效。

图4 CAST3000平台卫星构型

2)面向快速总装、批产、批发射要求的小卫星构型设计

随着小卫星组网和星群应用需求的逐渐增加，以批量化生产为目的的构型设计成为当前要解决的一个问题。如何实现快速总装、批量发射是目前的重点研究方向。基于模块化设计的卫星构型形式以及面向批发射需求高度定制化的卫星构型形式浮出水面。

模块化的设计思路，首先是分舱的设计思想，平台、载荷、推进是最基本的三舱设计方案，三舱间耦合关系最小，可并行总装。在此基础上进一步扩展，衍生出太阳翼模块、载荷模块等各个功能模块，原则就是各个模块间可并行、模块间装配关系简单。模块化构型的代表卫星有CAST4000平台卫星(见图5)、微纳平台系列卫星(见图6)等。

图5 CAST4000平台卫星构型

图6 采用分舱设计的某微纳平台

另一方面，就是以堆叠式平板卫星(见图7)为代表的面向批量发射的卫星。其设计宗旨在于充分利用运载的包络空间与能力，不但在卫星的构型设计上颠覆传统设计理念，还要针对传统单机设计扁平化改进，最终实现以平板堆叠形式为代表的发射数量最优，从而实现大规模批量发射组网的目的。

图7 堆叠式平板卫星构型

3)具有特殊功能需求的小卫星构型设计

随着小卫星任务的多样化，小卫星在新技术验证、空间科学、深空探测等领域的不断深入，促进了面向各类新型载荷的小卫星构型的提出。如在空间技术试验方面，适应子母星空间释放、交会、接近等技术验证的小卫星构型设计，典型代表是皮纳二号(PN-2)卫星等(见图8)；在地球重力场、引力波探测方面，精密测量载荷对卫星外形、表面状态、力热稳定性能、质心控制都提出了极高的要求，如低轨重力场测量类卫星的构型(见图9)就充分考虑了其减小低轨迎风面积、优化整星外形气动表现以及高精度热控、超稳定结构的特点；在月球探测方面，为适应地月远距离中继通信，鹊桥卫星[12]整星构型(见图10)上需适应高增益大型伞状天线，结构采用最简化的十字隔板型设计，整体轻小紧凑，在最大程度上实现轻量化设计。

图8 PN-2卫星构型

图9 低轨重力场测量卫星构型示意

图10 鹊桥卫星构型

3 小卫星结构与机构技术发展情况

在小卫星结构与机构技术发展方面，卫星主结构主要采用了“箱板式+对接环”或“箱板式+推进舱”形式，太阳翼机械部分采用了“刚性基板+涡卷弹簧驱动铰链”的形式，星箭接口主要为660、937和1194型包带接口。小卫星广泛使用具有比强度比刚度较高、可设计性好、结构形式简单、生产工艺成熟、周期短和经济成本低的铝合金面板铝蜂窝夹层结构板，适合小卫星低成本、短周期的研制特点。为了满足主结构减轻质量的需求，一些小卫星任务中局部采用了质量轻、刚度好的碳纤维面板铝蜂窝夹层结构板，但该结构板导电和导热性能差、成本相对高，并没有在小卫星中得到广泛使用。CAST2000平台小卫星推进舱采用“上下端框+铝桁条+铝蒙皮”的结构形式，下端框既是推进舱结构一部分也是对接环，推进舱质量约40 kg左右，主要用于质量在1000 kg左右的小卫星任务。小卫星太阳翼刚性基板采用蜂窝夹层结构形式，面板为高模量碳纤维/改性环氧树脂复合材料网格状面板，压紧释放机构主要为压紧杆式，火工切割器为释放动力装置，展开锁定机构采用涡卷弹簧驱动铰链。

近年来，特别是2015年以后，微纳卫星发展迅速，针对微纳卫星的低成本、短周期、搭载空间有限、搭载形式多样等特点，微纳卫星结构与机构设计不断创新。在主结构设计方面，“铝合金加筋结构板+铝合金框架”、“铝合金面板铝蜂窝夹层结构板+铝合金框架”及“侧板主承力”等结构形式被应用于微纳卫星，充分兼顾了成本、周期、设备布局、结构性能等综合需求(见图11)。在分离机构方面，面向轻量化、低成本、低冲击、可重复使用、批量压紧释放等需求，各种新型星箭分离机构、星星分离机构、太阳翼展开机构以及堆叠式平板卫星压紧释放机构成为研制热点(见图12、13)。其中，旋转式小包带分离机构具有质量轻、刚度高、结构紧凑的特点，可满足200 kg以下微纳卫星使用需求。低成本“铝合金加筋基板+扭簧铰链+记忆合金拔销器锁紧释放”太阳翼，将记忆合金等新材料应用于锁紧释放装置，具有可重复使用、低成本、低冲击等区别于传统火工品解锁的优势，先后成功应用于多型微纳卫星任务中。

图11 多样化微纳卫星结构

图12 多样化微纳卫星机构

图13 堆叠卫星压紧释放机构

近年来为满足微纳卫星结构更短研制周期、更轻质量、更高稳定性等需求，在结构设计理念、新材料新工艺使用方面取得了新的突破[13-14]。例如在采用拓扑优化及3D打印技术方面，面向鹊桥卫星的减轻质量需求研制出了3D打印动量轮支架和星敏支架，在埃及二号卫星上研制了一体化星敏支架，这些次结构的减轻质量均达到50%以上(见图14)，其中一体化星敏支架减轻质量甚至达到80%。

图14 一体化星敏支架拓扑优化及3D打印

在主结构设计上，也采用拓扑优化及3D打印技术研制开发了高度一体化的微纳主结构，主结构构件由传统的十余件缩减成一件，减轻质量效果好，集成度极高(见图15)。

图15 微纳卫星拓扑优化主结构及3D打印

重力场测量任务需通过整星次结构及主结构实现核心测量设备及设备之间的位置稳定。研制了近零膨胀的设备支架，采用碳纤维增强复合材料桁架结构(见图16)，通过铺层设计实现载荷设备安装点位移最小化，以满足载荷相对位置精度要求；开发了零膨胀桁架式支撑结构，热变形可控制在10-7/K量级；开展了低热膨胀的碳/碳结构板的研究，成功研制了高稳定重力梯度仪支撑结构并完成了相关地面试验，为未来型号应用奠定了坚实基础。

图16 碳纤维复合材料零膨胀桁架结构

4 数字化技术在小卫星机械总体设计中的应用

随着小卫星研制任务日益增多，研制周期越来越短，卫星机械总体设计必须充分利用数字化手段，实现高效率的设计以及高质量验证，确保一次做对，才能带来高效益。

传统小卫星设计生产制造流程中，通过三维模型软件进行建模，完成整星的构型布局，管路设计，电缆走向，结构设计，然后通过二维图纸将需要的卫星结构、管路、电缆、零部件的制造要求传递至生产制造单位，生产制造单位根据二维图纸进行投产加工。在卫星总装、测试与试验(AIT)过程中主要通过二维图纸和设计师编写的纸质文件进行设备安装，电缆敷设等工作，效率比较低。随着三维数字化设计技术迅猛发展，近十年来，在中国空间技术研究院宇航智造工程引领下，小卫星积极开展基于模型定义(MBD)的数字化设计与制造，其核心内容是卫星的完整精细化几何模型，所有相关的工艺描述信息、属性信息、管理信息等都附着在产品的三维模型中，结构、电缆、管路、热控、直属件、设备总装都实现了全三维下厂(见图17)，极大提高了小卫星研制的质量和效率。

图17 管路、电缆全三维设计

在设计流程方面，机械总体设计已经全面从传统一人一星的串行设计发展成为依靠全生命周期产品数据管理技术实现的多人多星协同设计模式，其特点如下：

(1)建立健全了产品数据管理(PDM)+仿真数据管理(SDM)+试验数据管理(TDM)的完整系统，实现了版本管理及多人协同；

(2)实现了自顶而下的规范设计(BOM)以及基于骨架模型发布的构型-总装-热控-电缆网多专业协同模型设计模式；

(3)建立健全了平台标准设备库、紧固件库、管阀件库、直属件库、电缆接插件库等各类通用库，支撑了快速协同设计的开展。

通过向全三维设计加协同设计的转型，小卫星机械总体设计在质量和效率上有了长足的进步。全三维设计模式下，以往卫星总装设计中的各类常发的机械干涉问题基本降至0。数字化协同设计使单星(如500 kg标准小卫星)的总装详细设计时间由10年前的近两个月缩短至现在的两周，是当前能够在人员不变的基础上完成倍增的型号设计任务的重要保证。

5 发展展望

随着航天技术的发展，未来小卫星机械总体技术必然要面对更为复杂的航天任务需求。同时，低成本、大批量、超精超稳等方面的需求也会不断增强，因此，未来小卫星机械总体技术的发展应重点关注以下3个方面：

(1)构型布局要从不同任务领域需求进行定制化设计并研究确定最佳构型参数，如面向批量发射的扁平化设计、面向快速响应的模块化设计、面向超低轨道的特殊气动外形设计、面向高机动的质量特性设计、面向在轨重构需求的变构型设计等，构型布局设计应从经验化设计走向细分领域的理论化设计，不断提高构型布局设计的科学性；

(2)在小卫星结构技术方面，应不断发展适应不同规模卫星的轻量化标准结构，星载一体化的多功能结构，高稳定的零膨胀结构，高度集成的轻量化拓扑结构。在小卫星机构技术方面，应发展大展收比的伸杆机构，适用于各类天线的低冲击展开机构，适应微小卫星的轻量化太阳翼机构，布局灵活的低冲击点式分离机构，面向组批发射的多星分离机构等；

(3)持续推进数字化技术在小卫星机械总体设计中的应用。要与基于模型的系统工程(MBSE)、数字孪生、虚拟现实、创成式设计、产品全生命周期管理等技术充分融合，不断提高小卫星机械总体设计能力，实现虚实数据的充分融合，进一步提升设计效率以及形成机械总体的全生命周期数字资产等。

6 结束语

本文根据小卫星机械总体技术近年来的发展，针对构型布局设计、结构与机构设计以及机械总体设计的数字化发展等方面进行了总结，并对小卫星机械总体技术的未来发展进行了展望。伴随着小卫星技术的快速发展和应用领域的不断扩大，对小卫星机械总体设计提出了更高的要求，未来小卫星机械总体设计必然面向新的需求，充分利用数字化手段，提出科学、高效、低成本的解决方案。