自第一顆人造衛星誕生起，衛星的外形就開始了不斷演化的進程，經歷了由簡單到復雜，從球形、圓柱形到棱柱形、多面體形的演變。而近年來誕生的可堆疊平板衛星，都給人一種大道至簡的感覺。那什么是可堆疊衛星平臺，為什么要采用這種設計呢，下面就來詳細介紹一下。
▲ 堆疊排列的“星鏈”衛星
什么是可堆疊平板衛星平臺？
可堆疊平板衛星平臺，顧名思義，就是把衛星設計成平板式、敞開式的構型。傳統的衛星平臺形狀通常是長方體、圓柱體等三維立體形狀，如果把傳統衛星平臺比作臺式電腦，那么可堆疊平板衛星平臺就是筆記本或者平板電腦，形式簡約，布局緊湊，便于 “流水線”式的批量化制造，是對傳統衛星設計理念的革命性創新，是一項劃時代、變革性技術，正逐步成為我國航天新質生產力發展的重要推動力量。
▲ 平板衛星
上海衛星工程研究所是國內最早一批開展可堆疊平板衛星平臺的研制單位，突破了扁平化構型堆疊式衛星承載結構技術、去中心化堆疊式衛星解鎖分離技術以及堆疊衛星群無碰分散技術，目前已有兩型衛星星座采用該平臺進入了正樣研制階段。隨著研制任務的不斷增加，上海衛星工程研究所將通過模塊化設計、批量化生產進一步縮短研制周期，提高生產效率，快速響應緊急任務或突發需求。
衛星為什么要采用可堆疊平板式的設計？
衛星是通過運載火箭發射到太空的，運載火箭整流罩的空間較小，能容納的衛星數量有限，因此對于傳統的立體衛星平臺，通常一次只能發射一顆或幾顆衛星。可堆疊平板衛星則可以像平板一樣緊湊地堆放在運載火箭的整流罩內，通過合理的空間布局設計，一發火箭可以容納幾十顆甚至上百顆衛星，使得“一箭百星”的發射模式成為可能。我國和美國都提出了建設由上萬顆衛星組網而成的衛星星座計劃，可堆疊平板衛星平臺的出現為衛星發射效率帶來了質的飛躍，將有力地推動我國衛星組網建設計劃。
▲ "星鏈"衛星的一箭60星
可堆疊平板衛星平臺也帶來了衛星研制成本上的變革。平臺在設計方案上充分考慮了自動化制造與裝配的便利性，優先選用國產成熟的元器件，邀請多家民營企業加入產品供應鏈，鼓勵供應商學習豐田零庫存生產模式。通過批量化制造、流水線式裝配，單顆衛星的研制成本將壓縮至百萬元至千萬元量級，這使得更多的企業都能參與衛星研制，共同助力衛星的大規模組網建設。
堆疊衛星如何與運載火箭連接？
傳統一箭多星發射衛星大多通過中心承力筒安裝在運載整流罩內，即多顆衛星分別安裝在運載提供的中心承力筒上，這樣的星箭連接方式有兩個明顯的不足。一是中心承力筒的存在占用了整流罩空間，減少了一次發射能夠容納的衛星數量，影響衛星星座組網效率；二是中心承力筒的安裝方式抬升了衛星群的質心高度，導致衛星在發射段將承受更嚴苛的力學條件。
▲ 采用中心承力筒的星箭連接方式
▲ 去中心承力筒的星箭連接方式
為了提高運載整流罩空間利用率、降低衛星群質心高度，可堆疊平板衛星之間通過星上連接套筒直接連接，并使用拉桿進行壓緊，形成每層兩顆的多層式布局，最底層的衛星通過星上連接套筒安裝在星箭連接環上，從而實現與運載火箭的連接。
▲ 堆疊衛星群示意圖
扁平化構型如何提高力學性能？
堆疊衛星的連接方式為結構的強度與剛度設計帶來了困難。堆疊衛星群在底部只有四個連接套筒進行支撐，支撐點之間的尺寸跨度接近3m，單顆衛星的重量又在百公斤以上，導致其固有頻率較低，衛星上載荷單機的力學環境也不夠理想。另外，連接套筒與衛星結構之間的連接區域較少，連接的剛度和強度也是結構設計的主要困難之一。
▲ 堆疊衛星群示意圖
針對這些困難，衛星結構采用拓撲優化的方法輔助規劃艙板的位置和數量配置，使用輕量化蜂窩夾層板或高比模量高比強度柵格金屬結構，提升結構的整體剛度和強度。對于局部結構，開展精細化設計與仿真，采用高強度材料、阻尼材料提升強度，吸收振動能量。
堆疊衛星發射后是如何分離的呢？
堆疊衛星在發射時是通過拉桿和鎖緊裝置壓緊在一起的，由底部的轉接裝置安裝在運載火箭內。發射入軌后，待衛星群在軌起旋至穩定后，位于衛星群頂部的鎖緊裝置解鎖并持續噴氣，使拉桿和鎖緊裝置一起迅速外擺， 進而解除衛星群與運載之間的約束連接。
▲ 可堆疊平板衛星群在軌解鎖示意圖
衛星群與運載火箭分離的同時，衛星之間的約束也被解除，通過自旋解鎖的方式實現衛星與衛星之間的分離，各衛星的質心應該沿解鎖時刻的速度做慣性運動，同時衛星本體保持解鎖時刻的角速度勻速旋轉。以一層兩顆衛星為例，衛星之間在軌分離過程如下所示，可以通過仿真分析計算得到最大碰撞風險狀態下衛星的相對位置關系和速度，據此優化衛星構型尺寸以及質心位置，有效降低衛星群分離過程中的碰撞風險。
▲ 可堆疊平板衛星群在軌分離示意圖
可堆疊平板衛星平臺在通信、觀測、科研等各領域展現出了強大的發展潛力，但目前在國內還處于研制與驗證階段，產品的成熟度、可靠性將不斷提升。在國家規劃與需求的推動下，未來可堆疊平板衛星平臺將迅速走上舞臺，讓衛星“流水線”制造工廠走向現實并服務于社會，為全球航天產業的發展注入創新與活力。
下一篇：返回列表
【免責聲明】本文轉載自網絡，與科技網無關。科技網站對文中陳述、觀點判斷保持中立，不對所包含內容的準確性、可靠性或完整性提供任何明示或暗示的保證。請讀者僅作參考，并請自行承擔全部責任。