多星批量发射部署技术特点及发展趋势.pdf
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1、第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)多星批量发射部署技术特点及发展趋势陈振知1,张佰正1,纪彦宇1,赵静伟1,张欣耀1,樊宏湍2(1.上海宇航系统工程研究所,上海 201109;2.上海航天技术研究院,上海 201109)摘要:多星批量发射部署技术具有低成本、高效率的特点,是低轨大型星座建设部署不可或缺的技术。本文对多星批量发射部署技术发展历程进行了回顾、对应用现状进行了综述,重点分析了侧挂式和堆叠式多星批量发射部署技术的技术特点和应用特点,总结分析了发射构型规范化、运载接口通用化、卫星设计系列化、解锁分
2、离简洁化、运行管理自主化等 5项关键技术和发展趋势,为多星批量发射部署技术后续研究和应用提供参考和支撑。关键词:多星发射;大型星座;堆叠;侧挂中图分类号:V 438+.1 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.s1.002Characteristics And Development Trends of Multi-Satellite Launch And Deployment TechnologyCHEN Zhenzhi1,ZHANG Baizheng1,JI Yanyu1,ZHAO Jingwei1,ZHANG Xinyao1,FAN Hongtuan
3、2(1.Shanghai Aerospace System Engineering Institute,Shanghai 201109,China;2.Shanghai Academy of Spaceflight Technology,Shanghai 201109,China)Abstract:The multi-satellite launch and deployment technology owns the characteristics of low cost and high efficiency,thus can be an indispensable technology
4、for the construction and deployment of large-scale low-orbit constellations.This article has reviewed the development history of multi-satellite launch and deployment technology,summarized the current application status and focuses on the technical and application characteristics of side-hanging and
5、 stacking multi-satellite launch deployment technologies.Five key technologies and development trends had been studied and analyzed in this paper,including normalized launch configuration,universalized carrier interface,serialized satellite design,simplified separation system,and autonomous operatio
6、n management.This study has provided reference and support for subsequent research in the application of multi-satellite launch deployment technology.Key words:multi-satellite launch;large-scale constellation;stacking configuration;side-hanging configuration0引言 低轨大型星座通过大量有序运行在低地球轨道的低成本、小型化、智能化卫星相互协作
7、,形成“规模优势”,实现传统卫星所不具备的优点,主要包括:重访频率高、传输延时小、数据实时性强;单一节点失效对整体功能性能影响很小,整体可靠性高、系统生存能力强;卫星数量大、批量生产成本相对低廉。基于上述优点,低轨高密度大型星座在天基互联网、遥感监控、战时通信、预警等应用领域具有很高的应用价值和发展潜力1。传统一箭一星或一箭多星发射技术单次发射卫星数量太少,用来组建卫星容量几百甚至上万颗的低轨大型星座存在发射成本过高、星座组建周期过长的问题,无法适应大型星座的发射部署要求2。另一方面,随着火箭运载能力的不断提升,客观上也为多星批量发射部署提供了基础。因此,近年来越来越多的国家和组织机构开始加大
8、多星批量发射部署技术的研究,并大量在发射实践中进行应用,形成了侧挂式、堆叠式等多种多星发射部署技术。收稿日期:20230604;修回日期:20230611作者简介:陈振知(1985),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为运载火箭总体设计。通信作者:仓 飚(1967),男,硕士,研究员,主要研究方向为运载火箭总体设计和型号管理。12第 40 卷 2023 年第 s1 期陈振知,等:多星批量发射部署技术特点及发展趋势1国外多星发射技术概况 美国和前苏联早在冷战时期就率先开始研究和实施多星发射技术。1960 年 6 月 22 日,雷神号(Thor Ablestar)运载火箭率先完成一箭双星发射,将
9、一 颗 Transit 2A 卫 星(101 kg)和 一 颗 GRAB 1(19.05 kg)送入预定轨道,使美国成为全球首个掌握一箭多星技术的国家3。冷战时期的多星发射技术脱胎于导弹的多弹头分导技术,卫星体积和重量均比较小,以科学试验卫星为主。雷神火箭一箭双星测试如图 1所示。自上世纪 90年代开始,随着集成电子技术的发展,卫星小型化的概念被提出并逐步投入航天应用,各主要航天国家也适应性地研究并发展了相应多星发射技术,推出了适合传统构型中大型卫星的多星发射技术,包括双星并联、双星串联、串并联混合等多种构型4。其中,最具代表性的为阿里安 5运载火箭一箭双星过渡舱串联技术。阿里安 5运载火箭是
10、欧空局牵头研制的欧洲主力大型运载火箭,采用复合材料内支过渡舱,可以实现一箭双星串联发射,将 2 颗中大型卫星一次送入预定轨道,从而最大化利用运载火箭的运载能力、降低单星发射成本。阿里安 5 运载火箭于 1999年 12 月 10 日 首 次 执 行 一 箭 双 星 发 射 任 务,将XMM-Newton X 射 线 天 文 台 卫 星(3 800 kg)和Asiasat 3S 通信卫星(3 670 kg)分别送入预定轨道。经统计,阿里安 5运载火箭共执行过 78次一箭多星发射任务,占其总发射次数 113 次的比例为 69%。阿里安 5 ECA 构型内过渡舱串联一箭双星构型如图 2所示。近 10
11、年来,随着小卫星应用和星座概念的成熟、投入商业应用,多星发射任务逐步专业化、常态化,多星发射任务年发射次数和占全年总发射次数的比值均增长十分迅速。对近 5年的发射情况进行统计分析可知,全球范围内,多星发射任务次数从 2018年的55次增长至2022年的111次,发射次数翻了一番。多星发射任务数量占全年总发射次数的比值同时也在稳步提升,由 2018 年的 48%逐步提升至2022 年的 60%,如图 3所示。其中,一网星座(Oneweb)、星链星座(Starlink)等大型、超大型低轨星座的建设和投入使用是多星发射数量迅猛增长主要因素之一,两型星座发射次数占年度多星任务发射次数比例分别为 201
12、9 年 6%、2020 年 27.9%、2021年 32.5%和 2022年 34.2%。一网星座于 2015 年提出,首批计划在高度 1 200 km 的 12个轨道面上部署 648颗卫星,是首个投入实际建设的大型低轨互联网星座。一网卫星采用美国猎鹰九号、俄罗斯联盟号、印度 GSLV 等多星国际主流中型运载火箭执行发射任务,自 2019年图 1雷神火箭一箭双星测试Fig.1Two satellites preparation on top of Thor Ablestar图 2阿里安 5 ECA构型内过渡舱串联一箭双星构型Fig.2Ariane 5 ECA configuration for
13、 dual-satellite launch13第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)首次发射至 2023 年 3 月,在轨卫星数量已超过 620颗。一网星座发射采用了侧挂式多星批量发射部署构型,典型发射状态如下:在卫星整流罩中心设置一个复合材料承力筒,卫星分 4 层侧挂在承力筒侧壁,每层安装 8 颗;承力筒顶部还设置有一个锥台,倾斜安装 24颗卫星。卫星与运载火箭的连接解锁采用传统点式连接解锁机构,承力筒和连接解锁机构有瑞士华格公司进行配套。分离时,卫星分段(分层)有序分离,每层 8 颗(顶部 4 颗)星
14、对称同时分离,卫星对称沿径向向外侧分离,通过合理匹配、控制分离动力源和卫星质量、质心,可以确保分离过程无干涉碰撞。GSLV 火箭侧挂式一箭 36 星发射一网卫星如图 4所示。星链星座由 SpaceX公司提出,计划在轨道设置4 40029 988 颗卫星,属于超大型低轨互联网星座。星链卫星典型状态单星质量 200306 kg,轨道高度约 340 km,使用 SpaceX 公司猎鹰九号运载火箭执行发射任务。星链星座于 2018 年首次发射试验星,至 2023年 3月,星链星座已完成 4 053颗卫星发射,目前在轨卫星达到 3 756颗,一跃成为目前在轨卫星数量最多的星座。星链星座采用了堆叠式多星发
15、射技术进行批量发射部署,典型发射状态如下:星链卫星均为平板式构型,典型发射状态厚度不超过 260 mm;卫星与卫星之间通过星上承力环结构互相对接形成堆叠组合体,堆叠组合体最下面一层卫星与运载火箭对接;卫星与卫星、卫星与火箭之间不设置单独的锁紧装置,整个堆叠组合体通过一套拉紧杆式连接解锁装置进行拉紧、锁紧;猎鹰九号运载火箭最多可一次发射 60颗星链卫星,到达指定轨道后,拉紧杆连接解锁装置解锁,堆叠卫星在惯性作用下缓慢散开、分离入轨。猎鹰九号火箭堆叠式发射 v1.5版本星链卫星如图 5所示。2国内多星发射技术概况 我国多星发射技术起步相对较晚。1981 年 9月,由上海航天研制的风暴一号(FB-1
16、)运载火箭首次同时将实践二号、实践二号甲、实践二号乙等 3颗科学实验卫星送入预定轨道,我国自此成为继美国、前苏联、欧洲航天局之后全球第四个独立掌握图 320182022年全球多星发射任务数量及占比Fig.3Multi-satellite flight mission numbers and ratios from 2018 to 2022 globally图 4GSLV火箭侧挂式一箭 36星发射一网卫星Fig.436 OneWeb satellites launch preparation during one GSLV launch图 5猎鹰九号火箭堆叠式发射 v1.5版本星链卫星Fig.5
17、Falcon 9 launch Starlink v1.5 using stacking configuration14第 40 卷 2023 年第 s1 期陈振知,等:多星批量发射部署技术特点及发展趋势一箭多星技术的国家3。随着我国航天事业的蓬勃发展,在多星组网遥感星座、导航星座等国家重大工程建设需求以及以微小卫星低成本商业发射需求的双重牵引下,国内多星发射任务数量稳步攀升。对我国近 5年宇航发射任务进行统计,多星发射任务占全年任务总量比重稳定在约一半左右(38%59%),多星发射任务数量从 2018 年的 23 次增长至 2022 年的 30 次5-9。随着后续我国低轨卫星互联网、千帆计划
18、等大型、超大型星座投入建设和使用,多星发射任务数量即将迎来阶跃式大幅增长。20182022 年中国多星发射任务数量及占比如图 6所示。我国多星发射技术在工程实践过程中迅速发展,逐步形成了包括多星并联发射、过渡舱串联发射、侧挂发射等多种构型为主的多星发射部署技术,积累了丰富的一箭多星发射经验。其中,过渡舱串联发射构型技术主要用于发射一箭 24星,尤其适合卫星高度方向尺寸较小的情况,典型应用为长征四号系列运载火箭一箭多星发射任务。长征四号系列运载火箭由上海航天研究院研制,作为国内一箭多星发射研制和实践的先驱者,首发任务以一箭双星过渡舱串联发射构型在1999 年 5 月成功将风云一号 C 星和实践五
19、号两颗中型卫星准确送入了 800 km 太阳同步轨道10。目前,CZ-4B/4C 火箭采用过渡舱串联发射构型技术圆满完成了实践六号组星、发射高分一号 02/03/04星、遥感三十一号组星等 24 发一箭多星发射部署任务。过渡舱串联构型的卫星均有独立的安装空间,最上面一颗卫星在卫星整流罩空间内,其余卫星在各自独立的载荷舱空间内。星箭分离时,卫星、载荷舱由上至下依次根据独立指令解锁,在弹簧或反推火箭作用下依次分离。过渡舱串联构型为每颗卫星提供独立的安装空间、配套独立完整的星箭电接口,其不足在于,增加的过渡舱、支承舱等多星状态附加舱段占用较大运载能力和较大的包络空间;且过渡舱串联构型每增加一颗卫星就
20、需要增加一个舱段分离面和一个载荷舱分离体,分离程序较复杂且产生与卫星数等量的空间碎片,难以适应一箭4 星以上的发射任务。CZ-4B/4C 火箭典型过渡舱串联发射构型如图 7所示。图 620182022年中国多星发射任务数量及占比Fig.6Multi-satellite flight mission numbers and ratios from 2018 to 2022 China图 7CZ-4B/4C火箭典型过渡舱串联发射构型Fig.7LM-4B/4C typical series configuration for multi-satellite mission15第 40 卷 2023
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