捕风一号卫星：构型与结构优化设计解析

摘  要: 根据捕风一号卫星的任务特点，对运载火箭、飞行姿态、设备布局、能源要求、总装测试等约束条件进行了需求分析，对卫星的总体构型进行了设计，优化了太阳翼安装形式，并最终确定了卫星的构型尺寸。之后依据构型设计结果，对主承力结构进行了详细设计，对主承力接头连接、结构减重进行了优化，并开展了力学分析与实验。结果表明捕风一号卫星具备高刚度和高强度的结构承载能力和良好的质量特性，并最终通过了运输环境、海上起竖及发射环境的考核验证，可为同类卫星的构型与结构设计提供参考。 关键词: 捕风一号卫星; 构型; 结构; 优化设计 中图分类号: V423   文献标识码: A  文章编号: 1000-2758( 2020) S0-0140-06

1 任务需求分析

1.1 卫星质量、包络、强度、刚度等需求 

捕风一号卫星选用长征十一号运载火箭，采用海上移动平台，一箭双星方式发射，对卫星质量、质心、包络、刚度、强度及安全性需求进行了分析，汇总如下:

1) 双星包络需求: <Φ1400 mm×1500 mm;

2) 双星质量需求: <160 kg;

3) 单星质心偏差需求: <5 mm;

4) 单星刚度需求: 一阶横向≥25Hz，一阶纵向≥50Hz;

5) 环境条件需求: 卫星要承受正弦、随机、冲击、噪声等力学条件，还要满足海上发射流程所带来的公路运输环境、海上运输环境、起竖过载环境及海上气象环境等;

6) 安全性需求: 为了保证分离安全，卫星安装主轴与运载火箭纵轴夹角为3°，并且双星最近间隙大于30 mm。

1.2 飞行姿态需求

卫星采用对地定向、三轴稳定控制方式，根据姿态控制部件以及数传天线等设备极性定义和布局要求，确定X轴(滚动轴) 与飞行方向一致，Y轴( 俯仰轴) 与轨道面法线方向一致，Z轴(偏航轴) 指向地面。

1.3 有效载荷布局需求

GNSS-R 天线安装在对地面，要满足安装倾角要求，并保证视场无遮挡。直达辅助天线安装在对天面，保证视场无遮挡。上述视场中心以天线的几何中心为准。

1.4 能源需求

由于整星的长期功耗大、轨道光照不断变化等 约束条件，电源分系统对星表电池片的需求面积为1.6m^2，太阳翼展开后与卫星纵轴夹角为100°。

1.5 其它设备布局需求

卫星共装载约70台单机设备，构型与结构设计在满足刚度、强度要求下，还需考虑各单机设备的安装要求，如磁力矩器、磁强计、陀螺、动量轮、推力组件等设备的极性要求，星敏感器、太阳敏感器等设备的视场要求，锂离子蓄电池、电源分流板、DC-DC 模块等设备的散热要求，以及其他设备的磁和EMC要求等。

1.6 总装和测试需求 

卫星构型设计应充分考虑卫星总装、起吊、翻转等可操作性，简化地面工装设备要求，使其具有良好的总装和测试开敞性，降低卫星总装操作难度和单机拆装难度，并尽量提高星体内部通透性和操作者可视范围。

2 卫星构型优化设计与确定

2.1 太阳翼安装形式优化 

由于卫星长期功耗高，能源需求大，因此要求太阳翼的面积尽量大。然而受运载整流罩包络的影响，进一步限制了卫星本体和太阳翼的尺寸。为了满足电池片布片面积需求，采用体装式太阳翼+展开式太阳翼的组合形式开展设计。初步开展2种太阳翼的安装方案:

方案1  太阳翼收拢时电池片朝向外侧，太阳翼展开方向为-Z向，展开太阳翼对±Y体装侧板有遮挡，为了弥补电池片面积不足，采用±X体装式太阳翼和±Y展开式太阳翼的组合安装形式，具体见图1。

图1 太阳翼安装形式 (方案1)

方案2  太阳翼收拢时电池片朝向内侧，太阳翼展开方向为+Z 向，展开太阳翼对本体无遮挡，为 了弥补电池片面积不足，采用±X，±Y 体装式太阳翼 和±Y 展开式太阳翼的组合安装形式，具体见图 2。

图2 太阳翼安装形式(方案2)

本文对2种太阳翼安装方案进行了对比，见表1。对比可知方案2具有以下优点:  ①整星发射状态纵向包络更小，有利于减小卫星结构的体积和质量; ②整星发射状态纵向质心更低，有利于整星刚度的提高，尤其是卫星需要在厂房内与运载对接，然后随着运载水平运输至海上发射平台，因此整星质心越低，更能克服水平运输带来的风险; ③展开太阳翼的尺寸更小、质量更小，更利于太阳翼平面度的保证; ④展开太阳翼的基频更高，可以避免与整星频率的耦合。

综上所述，无论是技术指标还是太阳翼研制可行性，方案2都更具优势，因此最终确定太阳翼展开方向为+Z向，±X、±Y体装式太阳翼和±Y展开式太阳翼的组合安装形式，除去结构安装孔、设备穿舱孔、热控散热面等需求面积，有效太阳翼面积为 1.8m^2，满足电源分系统 1.6m^2 使用要求。

2.2 构型尺寸和质量的确定 

根据卫星总体约束条件及各分系统仪器设备的安装要求，综合考虑了机、电、热、指向及视场等相互之间的约束关系后，给出最终发射和飞行状态构型尺寸和质量，示意图见图3和图4:

1)卫星本体: 526 mm(X)× 626 mm(Y)× 856mm(Z) ; 

2)卫星收拢尺寸: 655 mm(X) ×703 mm(Y) ×1075 mm(Z) ( 含天线和太阳翼) ;

3)双星发射状态最大包络: <Φ1398 mm×1100 mm;

4)太阳翼在轨展开跨度2228 mm; 

5)双星发射质量158 kg。

图3 卫星发射状态尺寸图

图4 卫星飞行状态尺寸图

3 结构优化设计

3.1 主结构的组成与确定 

通过对构型设计结果和各项约束条件分析，最终确定了采用“板框结合式”结构设计方案，即卫星本体采用铝蒙皮铝蜂窝板+铝合金框架形式的主结构。通过选用成熟材料及加工工艺，进一步降低结构研制成本和生产周期。

主结构由底板、十字承力框架、上端承力框架、 顶板组成主承力结构，±X侧板、±Y侧板组成辅助承力结构。其中底板、顶板、侧板采用铝蒙皮铝蜂窝板，其余的框架结构采用铝合金框架。

3.2 主承力连接点加强设计优化

捕风一号卫星采用新研制的对接环，对接环下端面通过4个爆炸螺栓与运载适配器相连接，对接环上端面与底板连接，然后底板与十字框架连接，具体见图5。经过力学分析发现，十字框架与底板连接螺钉和埋件受力较大不能满足强度裕度设计要求。

图5 对接环与底板和框架连接示意图

为此开展了主承力连接点加强设计优化，在十字框架与底板、对接环连接处预埋 4个主承力接头 埋件，具体见图 6。这样可以实现对接环与十字框

图6 主承力接头埋件示意图

架的直接连接，不仅优化了传力路径，而且使得主承 力连接点得到了加强。通过 4 处主承力接头连接， 可以直接将振动力传递到框架结构上，提高了结构的承载能力。

3.3 主结构减重优化设计 

由于受到运载能力约束，捕风一号卫星整星质量受限，这就要求结构质量占比越小越好。在主结构形式和尺寸确定的情况下，开展了结构质量优化设计，为结构整体减质约 5kg，主要优化措施如下:

1) 对承力框架进行镂空设计，剔除非承载质量; 在框架承载筋条上设计“U”形减轻槽，进一步降低框架质量;

2) 所有蜂窝板蒙皮厚度从原有的 0.5 mm 优化为 0.3 mm，降低了蜂窝板蒙皮质量;

3) 对于±X 侧板、±Y 侧板组成的辅助承力结构，开展铝蜂窝板厚度优化设计，这对于整星而言是个巨大挑战。因为±X 侧板、±Y 侧板不仅起到辅助承力作用，还承载了体装式太阳电池片，结构板厚度越小，越容易产生相对变形，稍有不慎会导致电池片破裂。最终在保证体装太阳电池片安全情况下，铝蜂窝板整体厚度从原有16 mm，优化设计为10 mm。

4 力学分析与验证

4.1 分析模型建立

将卫星主结构中底板、侧板、±Y 顶板等结构板处理为铝蒙皮+铝蜂窝芯子的复合材料板壳单元; 主承力框架用梁单元模拟; 星上关键仪器设备均在其质心处简化为集中质量元，用刚性MPC单元与结构板连接; 整星模型的边界条件为对接环下端与运载连接的4个螺栓处固支约束。根据设计参数，利用 MSC / Patran 软件建立了卫星有限元模型，整星结构和“十字”框架有限元模型分别见图 7 所示。

图7  整星结构和“十字”框架有限元模型

4.2 模态分析与验证

用 MSC / Nastran 软件对整星模型进行整星模态分析，得到卫星模态计算结果，一阶频率约60 Hz。 然后卫星进行了专项力学实验，得到卫星整星的Y向弯曲一阶频率为61.3 Hz，X向弯曲一阶频率为69.5 Hz，Z 向一阶频率为 250.1 Hz。从实验结果来看，结构设计满足运载对卫星的刚度要求，并且上述 频率分析结果与力学实验结果基本吻合，证明了分析的正确性。

5 主要技术特点

捕风一号卫星构型和结构设计有以下特点:

1) 实现了电池片大面积需求和紧凑包络约束的相容性设计

由于长征十一号运载火箭整流罩内部空间有限，并且卫星在整流罩内与纵轴夹角3°安装，水平排列布局，进一步限制了卫星本体尺寸大小; 然而卫星长期功耗较大，对于太阳翼贴片面积有着较大需求，这就要求卫星本体尽量大，造成了构型设计的矛盾和难点。通过不断优化构型布局，满足了卫星对电池片的大面积需求和运载对卫星的包络要求。

2) 整星结构具有高刚度的承载能力

为了对比说明，定义卫星结构刚度质量因数 = 基频/结构占整星质量比。通过对国内典型微纳卫

星结构的刚度质量因数对比分析(见表 2) ，可以发现捕风一号卫星结构的刚度质量因数其中是最高的，也就说明结构占整星质量比一致的情况下，捕风一号卫星的结构可以提供更高的刚度。

3) 卫星的质量特性较优，可控性较高

通过对国内典型微纳卫星的横向质心偏离和惯量主轴与质心坐标系夹角情况对比分析(见表 3)，可以发现捕风一号卫星的横向质心的偏离是最小的，有利于降低发射阶段的振动耦合响应，并且有利于降低星箭分离时卫星姿态角速度; 捕风一号卫星的惯量主轴与质心坐标系最大夹角是其中最小的，可以降低在轨飞行过程的姿态耦合，有利于实现较高的姿态控制精度。

4) 实现了具有辅助承力结构功能属性的 10 mm 厚蜂窝板式体装太阳翼设计与验证

作为具有辅助承力结构功能的体装式太阳翼，国内典型微小卫星皮纳二号采用铝合金的金属基板，质量密度比铝蒙皮铝蜂窝基板大; 部分卫星体装式太阳翼虽然采用了铝蒙皮铝蜂窝基板，但厚度是16 mm。捕风一号卫星经优化设计，采用了10 mm厚度的铝蒙皮铝蜂窝基板。经过对比分析，捕风一号卫星体装式太阳翼基板是国内典型微小卫星中承载密度是最大的，不仅实现了整星结构的减重、体装太阳翼的安装保证，而且同时具备了结构辅助承力功能。（完）

原文献：单悌磊, 白照广, 陈寅昕. 捕风一号卫星构型与结构优化设计[J]. 西北工业大学学报, 2020, 38(增刊):140-145.

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