[发明专利]一种壁挂式主频可调变截面一箭多星发射小卫星结构

说明书

本发明提供了一种壁挂式主频可调变截面一箭多星发射小卫星结构，包括卫星，所述卫星通过壁挂式连接到运载火箭上，所述卫星沿所述运载火箭的发射方向为变截面结构。本发明的有益效果是：提高了对不同运载火箭的刚度适应性，降低了星箭连接界面结构受力，提高了星内设备安装空间利用率。

技术领域

本发明涉及小卫星结构，尤其涉及一种壁挂式主频可调变截面一箭多星发射小卫星结构。

背景技术

多颗大小基本相同的小卫星共用一个运载火箭的“一箭多星”发射模式对传统的整流罩内多星串联布局模式提出了挑战。多星串联布局轴向尺寸大，发射卫星的数量受运载火箭整流罩尺寸限制，此外，位于高层的卫星因质心位置高而遭受更加恶劣的发射力学环境。为了解决这一问题，多星并联布局“一箭多星”发射小卫星的模式应运而生。多星并联卫星结构与运载火箭的连接通常有卫星底部连接和卫星侧壁壁挂式连接两种方式。相对于侧壁壁挂式连接方式，底部连接方式下的星箭连接界面一般承受更大的载荷。因此，国内外更倾向于采用侧壁壁挂式连接方式(后文简称壁挂式)。壁挂式连接的卫星结构一般通过火工装置(如爆炸螺栓)将整星侧壁连接到运载火箭整流罩内的卫星适配器上。为适应多星并联布局“一箭多星”发射小卫星模式下不同运载火箭的刚度要求，避免卫星结构与运载火箭发生频率耦合，设计壁挂式主频可调的小卫星结构十分必要。

1993～1998年，美国摩托罗拉公司研制并陆续成功发射了铱星系统(Iridium)^[1][2]，整星设计为三棱柱等截面结构，采用“一箭五星”、“一箭七星”和“一箭双星”^[2][3]等发射模式及多星并联布局底部连接方式。该星结构使得运载火箭整流罩内部空间利用率(指卫星体积占运载火箭整流罩内部空间总体积的百分比)达到75.68％(“一箭五星”)。通常设备自身和对应的安装操作空间的总和是一个长方体。长方体放置在该卫星三棱柱的内部空间，会导致该卫星的星内设备安装空间利用率(设备自身体积和安装操作空间所占体积的总和占星内空间总体积的百分比)较低。此外，该长细形卫星结构设计使得在横向过载情况下星箭连接界面承受较大的载荷。1991～1999年，美国劳拉公司和高通公司发起成立的全球星有限合伙公司成功研制出全球星(global-star)^[2]，该卫星结构设计为梯形等截面的棱柱形状，梯形短边所在侧壁挂在运载火箭的卫星适配器上，相对于底部连接方式的三棱柱等截面结构，该结构星箭连接界面受载有所减小。但该壁挂式连接容易导致整星与运载火箭发生频率耦合，同一结构对于不同运载火箭的刚度适应性较差。此外，等截面设计状态下，横截面尺寸由安装空间大的设备决定，而安装空间小的设备无法充分利用星内空间，进而导致星内设备安装空间利用率还比较低。文献^[4]虽然提出了将“一箭多星”底部连接方式改进为壁挂式连接的建议，但迄今为止未见公开报道壁挂式“一箭多星”发射小卫星的国内应用。2002年美国和德国联合研制并用“一箭双星”方式成功发射的地球引力试验卫星Grace^[5][6]；2011年ESA用“一箭双星”成功发射的导航卫星Galileo IOV^[7]；2017年美国“一箭十星”成功发射了下一代铱星Iridium Next^[8]。2002年以来发射的上述卫星都采用了与全球星相类似的壁挂式结构，所具备的优点和缺点都与全球星的相类似。

基于对国内外多星并联布局“一箭多星”发射模式下结构设计的现状及存在问题的分析，如何解决卫星结构对不同运载火箭的刚度适应性不强、星箭连接界面结构受力过大、星内设备安装空间利用率低，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

参考文献：

[1]Maley P D,Pizzicaroli J C.The visual appearance of the Iridiumsatellites[J].Acta Astronautica 52(2003)629-639

[2]朱剑涛，林益明.适合于“一箭多星”发射的卫星构型特点综述[J].国际太空，2007(6)：23