不同发射需求下的多星分配器结构设计技术

姚瑞娟，郭 雷，曹景乐，杨熙璇，尹莲花

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引言

多星适配器在一箭多星发射任务中起到非常关键的作用，其设计的合理性是每颗卫星承载特性、刚度特性、分离安全性和布局合理性等各项关键指标的保障。随着中国一箭多星发射技术的发展，多样化的多星发射需求也越来越旺盛，多星发射任务中卫星的大小、质量以及任务目标特点的不同，对多星分配器的设计也提出了不同的设计需求。本文对并联式和串联式典型分配器结构设计方案、设计要素等进行分析，为中国多星发射任务箭体结构设计提供设计思路。

1 并联布局下的典型分配器结构

1.1 并联式多星分配器

针对长征二号丙一箭三星并联布局（见图1）［1］，王淑范等［2］通过拓扑优化、有限元仿真、试验验证等各项有效措施提出了变截面、高刚度的并联式三星分配器结构（见图2），为一箭三星适配器提供了设计方案。

图1 并联式一箭三星布局Fig.1 Layout of one vehicle with triple-satellites in parallel

图2 并联式一箭三星分配器结构Fig.2 Distributor structure of one vehicle with triple-satellites in parallel

长征二号丙运载火箭上面级的双星分配器也采用了梁式结构（见图3）。多星并联式布局由于整流罩空间的限制会对卫星的尺寸包络有明显约束，以确保飞行过程中的各项间隙数据满足动态要求，同时分离时一般需要考虑一定的安装角，确保分离过程的安全。

并联式多星分配器的设计除了考虑空间约束外，还需进行合理的传力设计，一般来说并联布局不可避免地会带来卫星质心与火箭箭轴不重合的问题，因此除了结构强度和连接强度，还需特别注意分配器的刚度设计，从而保证结构的轴向、横向和扭转刚度均能满足要求，避免引发频率耦合问题。

1.2 “主星任务+并联式搭载星”布局

搭载星发射任务一般利用火箭的运载余力实施搭载设计。搭载星任务的实施不应该影响主星任务的发射。此类型分配器的搭载星适配结构一般与主任务的有效载荷支架或过渡支架结构集成设计。

1.2.1 平台式一箭多星分配器

长征二号丙运载火箭中用到的一箭多星适配器采用平台式设计方案（见图4），安装平台采用“三角撑+高刚度蜂窝”的连接方式在过渡支架结构中实施，搭载星的接口采用三点式低冲击连接，搭载星安装接口一般设计为通用接口便于实现快速搭载发射。发射任务中一般主星任务先实现分离，确定分离安全后搭载星再完成分离。分配器中平台的大小和面积可灵活设置，既可充分发挥运载能力，又不会对主星任务带来影响，具有很好的经济性。平台式设计方案中需充分考虑主星支撑结构的刚度以及三角撑平行安装可能带来的扭转刚度问题，必要时需要开展充分的分析和试验验证。

图4 主星+平台式搭载星分配器Fig.4 Distributor of main satellite and platform mounted satellites

阿里安火箭多星分配器也采用了平台式搭载星分配器的结构（见图5），平台采用“腰带式+撑杆式”的连接方法来保证平台的连接刚度。该连接方法可能带来平台悬臂长和撑杆不稳定，带来的强度和刚度问题需开展适应性评估。

图5 阿里安火箭多星分配器Fig.5 Multi-satellites distributor of Ariane

1.2.2 侧挂式多星分配器结构

德尔塔运载火箭多星适配器［3］（见图6）采用侧挂结构，具有模块化和空间利用率高的优点，分离安全性也可得到保证。但由于整流罩空间有限，卫星的高度及质量均受到一定程度的影响。

图6 德尔塔火箭多星适配器Fig.6 Multi-satellites adapter of Delta

2 串联布局下的典型分配器结构

串联式多星发射根据支撑方式的不同分为内支撑式和外支撑式。

2.1 内支撑式串联多星分配器

内支撑式串联多星布局（见图7）是指上下两层卫星的支撑结构均设置在整流罩内部，内支撑方案最大的优点就是无须改变原有运载火箭的整流罩及其分离系统的结构［4］，而上面级等结构由于设置在整流罩内部，不直接承受气动冲刷，因此承受的载荷更确定，可有效减少末级质量。内支撑式串联布局的缺点是支撑结构占用了罩内空间，对有效载荷的空间限制比较硬性，因此不适用于尺寸较大的卫星发射。

图7 内支撑式串联多星布局Fig.7 Internally supported layout of triple-satellites in series connection

内支撑式串联布局一般采用上下双层支撑结构，每层支撑均单独设计，支撑结构可参考并联式分配器的设计方案。长征二号丙/SMA 火箭采用了典型的内支撑式串联布局方案。

2.2 外支撑式串联多星分配器

外支撑式串联多星布局也采用上下层布局（见图8），外支撑主要是指下星的分配器与整流罩功能集成，从而获得更大的卫星包络。外支撑的优点是在有限的整流罩空间内提供给卫星的空间包络更大。从另一角度来说就是发射同样体积的多星载荷，可有效缩小整流罩直径尺寸，减小全箭的飞行载荷以提高运载能力。

图8 外支撑式串联多星布局Fig.8 Externally supported layout of triple-satellites in series connection

长征四号乙和长征四号丙运载火箭多星串联发射任务采用了外支撑式布局方案［5］。长征三号乙运载火箭G1构型串联双星布局成功实现了Φ3700mm直径整流罩内双主星高轨任务的发射。长征七号甲运载火箭G1 构型将双主星高轨发射的单颗卫星运力提高至3 t以上，超过了商用大力神Ⅲ采用上面级后的GTO 运载能力。

外支撑式串联多星分配器根据卫星情况可采取图8 所示的锥壳式设计，也可采用图9 所示的内悬式设计。内悬式设计可实现整流罩有效空间的利用率最大化。但内悬式设计需充分考虑结构的模态分析和验证，保证各个方向的频率满足要求。

图9 内悬式分配器结构Fig.9 Structure of inner suspended distributor

分配器设计时需尤其注意结构刚度分析，结构刚度不足会引起结构组合体基频降低、影响飞行可靠性。特别对于多星发射分配器，较低的有效载荷局部分支频率可能与组合体主结构频率耦合，增加动态干涉的风险，使振动环境变得更为恶劣［6］。

3 典型分配器结构设计方法

本节以如图9 所示内悬式下星分配器结构为例，阐述分配器结构的设计方法。长征七号甲运载火箭为发射双主星任务而设计了内悬式分配器结构，它采用外支撑式串联布局，由于单颗卫星质量大于3 t，因此其分配器结构设计具备代表性。

3.1 设计域及基本设计指标

首先根据任务需求确定可用空间包络。将可用空间包络确定为设计域开展设计，初步提出的如图10所示撑梁式设计方案。对于内悬式结构，首先要保证整体结构频率满足设计要求，避免频率耦合。

图10 初步设计方案Fig.10 Preliminary design scheme

3.2 外支路支撑刚度影响分析

提出初步设计方案后基于频率目标开展优化设计工作，由于外支路的侧壁支撑刚度对整体结构频率也会存在影响，因此先开展外支路支撑刚度的影响分析。对于外支撑式串联布局模式，外支路的结构主要需满足上星整流罩、上星等外支路载荷的承载能力。外支路等效厚度对频率影响分析，主要考察约束刚度的影响，若影响较大则需加强设计或开展多目标优化设计。表1 分析结果说明外支路的约束刚度已经足够，继续提高刚度对整体频率影响不大。

表1 外支路刚度的影响分析Tab.1 Analysis of the influence of external branch stiffness

3.3 支撑梁数量影响分析

外支路影响分析完成后，开展支撑梁数量的设计分析。由于运载火箭结构设计时，要严格控制低频段的耦合效应，因此对一阶频率提出严格要求。根据最低一阶频率要求、安装空间、制造难度、质量等多方面的设计需求，确定梁的根数在8、12 和16 根左右，并分析支撑梁数量对一阶频率的影响，具体见表2。

表2 支撑梁数量的影响分析Tab.2 Analysis of the influence of the number of support beams

通过方案1、方案3 对比可知：梁总重相同情况下，梁的数量增加上相比单根梁的刚度增加对一阶频率的提高更为有效。再由方案3、方案4的对比可知，16根支撑梁相比12 根支撑梁无明显优势，但增重多、操作空间更小。综合各种设计因素，确定支撑梁数量为12 根，并开展进一步详细结构优化设计。

3.4 支撑梁拓扑优化

在表2 中方案4 的基础上开展拓扑优化，去除价值不高的区域材料。

优化模型中翼缘、腹板均设置为壳单元，通过拓扑优化去除低价值材料区域。拓扑优化设计域为支撑梁非连接区，优化目标为一阶频率最高［7］，约束条件为剩余体积占支撑梁总体积比Vf＜0.5，即单根梁的目标质量不大于12.5 kg。经优化迭代，最终频率优化结果约为15 Hz。

支撑梁拓扑优化结果见图11，根据优化过程及强度、刚度校核结果，支撑梁最终设计为如图12 所示结构，单根梁质量为12 kg。获得最终结构方案及结构参数后再开展联合的强度、刚度校核，获得最终的整体优化设计方案如图9所示。

图11 支撑梁拓扑优化结果Fig.11 Optimization results of support beams

图12 支撑梁最终结构示意Fig.12 Schematic of structure of the support beams

解决轴向频率问题的同时还需要考虑梁式结构带来的扭转刚度问题，为了提高扭转刚度，在支撑梁之间需要增加约束连接，如轻质高刚度板式结构等。

模态试验结果显示轴向一阶频率大于19 Hz，支撑梁之间不增加约束时扭转一阶频率不足10 Hz，增加约束后可提高至20 Hz。

4 结束语

本文梳理了国内外一箭多星发射任务的典型布局及特点，并分析了各种布局对应的典型分配器结构形式、结构特点及关键设计要素，同时以串联式外支撑式典型内悬式分配器结构为例，介绍了分配器的设计方法，供同类结构设计参考借鉴，有利于搭载任务的快速实施。