張洪波 張旭 周孝倫 梁翠娜

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

衛(wèi)星由有效載荷和衛(wèi)星平臺兩大部分組成，衛(wèi)星有效載荷承載能力直接決定了衛(wèi)星服務(wù)性能，是衡量衛(wèi)星平臺能力的核心指標(biāo)之一。國外主流衛(wèi)星平臺如波音公司的BSS-702、洛馬公司的A2100、勞拉公司的LS-1300、歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)的Eurostar3000、泰雷茲公司的SpaceBus4000等的整星發(fā)射質(zhì)量均超過6000 kg，載荷承載能力為1000～1200 kg[1]。我國現(xiàn)役主力中高軌衛(wèi)星平臺東方紅四號起飛質(zhì)量為5400 kg，載荷承載能力為600 kg[2]。

衛(wèi)星有效載荷承載能力，由運(yùn)載火箭水平和衛(wèi)星高承載設(shè)計水平兩方面因素決定。我國目前用于發(fā)射中高軌衛(wèi)星的長征三號系列火箭，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力上限為5400 kg，運(yùn)載能力和整流罩尺寸限制了衛(wèi)星的質(zhì)量和體積，進(jìn)而限制了有效載荷承載。同時，發(fā)射長征三號系列火箭的西昌衛(wèi)星發(fā)射中心緯度相對較高(28.5°N)，一般需要衛(wèi)星消耗較多的推進(jìn)劑進(jìn)行變軌，導(dǎo)致載荷承載的進(jìn)一步降低。值得指出的是，我國長征七號系列運(yùn)載火箭在海南文昌發(fā)射場(19.5°N)的運(yùn)載能力正日臻成熟，作為中國新一代主力中型運(yùn)載火箭，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力提高至7000 kg，運(yùn)載能力的提升和發(fā)射緯度的降低都將為載荷承載的提高提供充足條件[3]。

衛(wèi)星的高承載設(shè)計，包括衛(wèi)星平臺輕量化設(shè)計和高承載布局設(shè)計兩個方面。前者是指壓縮衛(wèi)星平臺各分系統(tǒng)質(zhì)量以增加有效載荷的質(zhì)量預(yù)算；后者則是指在有限的空間中布局更多有效載荷，將有效載荷質(zhì)量預(yù)算利用到極致。目前國內(nèi)關(guān)于衛(wèi)星平臺輕量化的研究較多[4-6]，而關(guān)于高承載布局設(shè)計的研究較少，布局設(shè)計普遍存在集成程度較低、空間利用率較低和散熱效率較低的問題，制約了衛(wèi)星承載能力的提高。后續(xù)應(yīng)用的長征七號系列運(yùn)載火箭，其在運(yùn)載能力提高的同時整流罩尺寸保持不變(與長征三號火箭相比)，因此高承載布局設(shè)計也是我國衛(wèi)星適應(yīng)新一代火箭的必然要求。

本文梳理出高承載布局設(shè)計的原則，并提出一種高承載布局設(shè)計方法，最后在基于東方紅4號(DFH-4)平臺的北斗三號(BD-3)地球靜止軌道(GEO)導(dǎo)航衛(wèi)星上進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。

1 高承載布局設(shè)計原則

傳統(tǒng)布局設(shè)計，需要考慮靜態(tài)包絡(luò)、動態(tài)包絡(luò)、安裝精度、散熱、敏感器視場、推力器羽流、質(zhì)量分布、電磁兼容和總裝可行性等因素。在此基礎(chǔ)上，高承載布局設(shè)計還要重點(diǎn)遵循以下原則。

(1)先星表后艙內(nèi)的布局順序。布局于星表的天線是有效載荷的重要組成部分，通常天線因尺寸較大、狀態(tài)復(fù)雜、安裝和指向要求較高等成為較為剛性的布局約束，因此星表多天線統(tǒng)籌布局是實(shí)現(xiàn)整星高承載布局的先決條件。星表天線布局，需要利用有限的星表空間和運(yùn)載整流罩可用包絡(luò)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各天線的安裝位置、安裝精度、視場指向、力熱條件、展開形式、口徑、頻段和電磁兼容性等。

(2)艙內(nèi)合理功能分區(qū)。隨著衛(wèi)星載荷任務(wù)向多樣性發(fā)展，星上信息生成、處理、交互和流轉(zhuǎn)逐漸復(fù)雜，載荷不再是單純同類多路的轉(zhuǎn)發(fā)或數(shù)傳通道，而是由功能、狀態(tài)和布局要求不同的分系統(tǒng)、子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)。艙內(nèi)布局需要綜合考慮載荷信息流向、星表天線位置、星內(nèi)鏈路損耗和設(shè)備布局要求等，進(jìn)行合理的功能分區(qū)。

(3)提高空間利用率的統(tǒng)籌優(yōu)先級。布局設(shè)計需要統(tǒng)籌考慮性能、力、熱、布局空間和質(zhì)量分布等因素，具體設(shè)計因星而異，沒有一定之規(guī)。高承載布局需要將空間利用率置于較高優(yōu)先級考慮，提高布局密度，拓展可布局空間，嘗試空間復(fù)用，并可考慮利用未來發(fā)射質(zhì)量余量較大的特點(diǎn)，以質(zhì)量換空間，以質(zhì)量換散熱。

2 高承載布局設(shè)計方法

衛(wèi)星布局設(shè)計是衛(wèi)星總體設(shè)計的重要組成部分，是機(jī)、電、熱協(xié)同迭代設(shè)計的過程，包括確定設(shè)備配套、設(shè)備接口協(xié)調(diào)、星表設(shè)備布局、星內(nèi)功能分區(qū)、星內(nèi)設(shè)備布局、星內(nèi)電纜及熱控布局以及機(jī)電熱分析復(fù)核等環(huán)節(jié)，如圖1所示。

圖1 高承載布局設(shè)計方法示意圖

傳統(tǒng)布局方法一般在確定設(shè)備配套后才開始著手，對單機(jī)集成設(shè)計關(guān)注較少，導(dǎo)致單機(jī)集成程度較低；空間利用方面，一般較少將大熱耗設(shè)備布局在非散熱面，較少將設(shè)備布局在艙外，布局密度不高，電纜、加熱器和外貼熱管均貼艙板布局，導(dǎo)致空間利用率較低；熱控設(shè)計方面，一般將大熱耗、耐高溫設(shè)備與普通設(shè)備混合布局，艙板之間無熱耦合，導(dǎo)致散熱效率較低。

高承載布局設(shè)計方法，在確定設(shè)備配套階段，通過機(jī)械集成，減少設(shè)備數(shù)量、質(zhì)量和體積，實(shí)現(xiàn)輕量化；在設(shè)備接口協(xié)調(diào)階段，通過遙測遙控集成，簡化電纜網(wǎng)和單機(jī)遙測遙控模塊設(shè)計；在星內(nèi)功能分區(qū)階段，將大熱耗設(shè)備集中布局，形成高溫區(qū)以提高散熱效率，將布局范圍拓展至非散熱面和艙外區(qū)域；在星內(nèi)設(shè)備布局階段，壓縮設(shè)備布局間距，提高布局密度；在星內(nèi)電纜及熱控布局階段，設(shè)計艙板間熱耦合通道以提高綜合散熱水平，壓縮電纜折彎半徑以節(jié)省空間，將電纜、加熱器和外貼熱管進(jìn)行空間復(fù)用設(shè)計。上述高密度布局方法，又可以歸納為提高集成度、提高散熱效率和提高空間利用率3個方面。

2.1 提高集成度

(1)機(jī)械設(shè)計集成。指將電子類單機(jī)主備份集成在一個機(jī)械殼體中成為一臺單機(jī)，甚至更進(jìn)一步將鏈路上下游的射頻濾波器和開關(guān)等無源設(shè)備一并集成。集成設(shè)計后，單機(jī)占用的布局空間減少，單機(jī)之間的電纜也變成了設(shè)備內(nèi)部連接，緊湊的內(nèi)部電纜走線也節(jié)省了布局空間，同時實(shí)現(xiàn)了輕量化。

(2)遙測遙控設(shè)計集成。隨著衛(wèi)星有效載荷規(guī)模和復(fù)雜程度的增加，需要發(fā)送的遙控指令和采集的遙測數(shù)據(jù)數(shù)量也急劇攀升，如每一路遙測或遙控均用獨(dú)立的物理線纜實(shí)現(xiàn)，則衛(wèi)星電纜網(wǎng)和單機(jī)均將十分龐大，給高承載布局設(shè)計帶來較大困難。遙測遙控集成設(shè)計是指利用日益成熟的星載總線技術(shù)和綜合電子技術(shù)，將數(shù)量龐大的遙測和遙控通道集成為總線，大幅簡化衛(wèi)星電纜網(wǎng)和單機(jī)遙測遙控模塊的設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn)高承載布局。

2.2 提高空間利用率

(1)壓縮布局間距。通常，設(shè)備外包絡(luò)、加熱器粘貼、電纜敷設(shè)等生產(chǎn)和實(shí)施環(huán)節(jié)產(chǎn)生的尺寸誤差在毫米量級，因此一般情況下設(shè)備、加熱器和電纜等之間預(yù)留10 mm左右的間距，而在細(xì)化設(shè)計和更嚴(yán)格的過程控制前提下，間距可以進(jìn)一步壓縮。此外，單機(jī)電纜根部折彎空間是制約布局間距的重要因素，電纜頂插為最優(yōu)，必須側(cè)插的電纜，低頻電纜可以在生產(chǎn)階段提前根據(jù)走向進(jìn)行根部賦形，高頻電纜可以加裝轉(zhuǎn)接頭(見圖2)，可將80～120 mm的折彎空間壓縮至<60 mm。

圖2 壓縮電纜折彎空間

(2)利用非散熱面。熱控通常選擇衛(wèi)星在軌長期不受照的艙板作為散熱面，內(nèi)埋熱管外貼散熱片，可布局大熱耗設(shè)備；其他艙板作為非散熱面，只能布局小熱耗設(shè)備。在散熱面布局飽和的情況下，可以將個別大熱耗設(shè)備布局在非散熱面，同時加裝擴(kuò)熱板，增大輻射傳熱能力，或加裝導(dǎo)熱板，將熱量通過傳導(dǎo)的方式傳遞給散熱面(見圖3)。

圖3 非散熱面布局的散熱措施

(3)利用艙外空間。當(dāng)艙內(nèi)布局飽和時，可以在單機(jī)力學(xué)、散熱和輻照條件等滿足要求的情況下，將設(shè)備布局在艙外。

(4)空間復(fù)用。衛(wèi)星因設(shè)備多、信息流復(fù)雜，高低頻電纜數(shù)量龐大；同時因載荷熱耗大，使用了大量外貼熱管，載荷不開機(jī)工況下也需要大量加熱器對艙溫進(jìn)行補(bǔ)償，電纜、外貼熱管和熱控加熱器占用了可觀的布局空間?？刹捎每臻g復(fù)用方法，電纜通過電纜支架安裝，上層為高頻電纜，中間為低頻電纜，電纜下方的艙板上則為熱控加熱器或外貼熱管(見圖4)。

圖4 電纜與加熱器、外貼熱管空間復(fù)用

2.3 提高散熱效率

(1)高低溫分區(qū)設(shè)計。根據(jù)輻射散熱原理，散熱效率與物體溫度四次方成正比[7]，因此提高設(shè)備工作溫度能夠顯著促進(jìn)艙板散熱。布局設(shè)計時，可將行波管組件等大熱耗且工作溫度上限較高的設(shè)備集中布局，形成高溫區(qū)，其余區(qū)域作為低溫區(qū)，高溫區(qū)與低溫區(qū)絕熱處理，這樣可以顯著提高高溫區(qū)乃至整個載荷艙的散熱能力。

(2)艙板熱耦合。衛(wèi)星在軌通常存在不同散熱面輪流受照的情況，即不同散熱面輪流經(jīng)歷高溫工況，因此可以利用艙板間的耦合熱管將不同的散熱面進(jìn)行熱交換，在某散熱面受照時將熱量通過耦合熱管傳導(dǎo)至其他非受照的散熱面進(jìn)行輔助散熱。

3 應(yīng)用與驗(yàn)證

本文以BD-3衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的GEO軌道衛(wèi)星為例，說明高承載布局的應(yīng)用與驗(yàn)證。衛(wèi)星采用DFH-4衛(wèi)星平臺主結(jié)構(gòu)，DFH-4是我國第三代通信衛(wèi)星平臺，起飛質(zhì)量5400 kg，有效載荷標(biāo)稱承載600 kg。衛(wèi)星本體尺寸2360 mm×2100 mm×3600 mm，由服務(wù)艙、推進(jìn)艙、載荷艙和東西板構(gòu)成(見圖5)[8]。

GEO導(dǎo)航衛(wèi)星載荷的布局任務(wù)包括[9-11]：

(1)無線電導(dǎo)航載荷(RNSS)，由時頻子系統(tǒng)、導(dǎo)航任務(wù)子系統(tǒng)、上行注入子系統(tǒng)、導(dǎo)航信號播發(fā)子系統(tǒng)等4部分組成。

(2)無線電測定載荷(RDSS)，由固定波束轉(zhuǎn)發(fā)器(L/C入站、C/S出站)、可動點(diǎn)波束轉(zhuǎn)發(fā)器(L/C入站、C/S出站)、站間時間同步與通信轉(zhuǎn)發(fā)器(上下行均為C頻段)等3部分組成。

(3)RNSS及RDSS天線，共5副天線：L注入天線接收RNSS上行注入信號，導(dǎo)航天線播發(fā)RNSS導(dǎo)航下行信號，固定波束天線和可動波束天線分別轉(zhuǎn)發(fā)RDSS固定和可動波束信號，C饋電天線用于轉(zhuǎn)發(fā)站間信號。

(4)星間鏈路載荷，由相控陣天線和相控陣收發(fā)信機(jī)組成。

圖5 DFH-4平臺結(jié)構(gòu)分解圖

與DFH-4平臺通信衛(wèi)星相比，GEO導(dǎo)航衛(wèi)星布局呈現(xiàn)以下特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)布局方法無法完成布局任務(wù)，對高承載布局提出了要求：

(1)多任務(wù)，衛(wèi)星載荷任務(wù)多樣，星上信息處理和流轉(zhuǎn)復(fù)雜，射頻信號涵蓋S、L、C和Ka頻段，射頻通道頻點(diǎn)多、數(shù)量多。

(2)質(zhì)量大，載荷承載達(dá)770 kg。

(3)熱耗高，衛(wèi)星配套大量國產(chǎn)行波管放大器和固態(tài)放大器，載荷艙熱耗達(dá)4000 W。

衛(wèi)星星表布局如圖6所示?？蓜硬ㄊ炀€和固定波束天線為窄波束可展開反射面天線，分別布局在衛(wèi)星東板和西板，在軌展開后波束指向地面要求區(qū)域，其余天線布局在對地板。導(dǎo)航天線和上注天線為覆球天線，天線波束指向地心。C饋電天線波束指向地面站，測控天線為全向天線，3副天線分布在對地板邊緣，并采用支架加高安裝，減少星體遮擋。相控陣天線為寬范圍電掃描天線，對地安裝即可實(shí)現(xiàn)星間建鏈。

圖6 載荷艙星表布局

載荷艙南北板為散熱面。北板布局RNSS載荷的時頻、導(dǎo)航任務(wù)處理、下行播發(fā)和上注子系統(tǒng)，以及部分RDSS載荷固定波束S出站鏈路設(shè)備和星間鏈路設(shè)備。南板布局RDSS載荷其余鏈路設(shè)備、測控分系統(tǒng)和部分星間鏈路設(shè)備(見圖7)。

圖7 載荷艙艙內(nèi)布局

高承載布局設(shè)計方法的應(yīng)用及效果如下：

1)提高集成度

(1)機(jī)械設(shè)計集成。對載荷15臺接收機(jī)、4臺任務(wù)處理機(jī)進(jìn)行了機(jī)械集成。以某頻段接收機(jī)為例，由輸入切換開關(guān)、隔離器(主+備)、接收機(jī)(主+備)、合路器和輸出濾波器等共7臺設(shè)備組成，設(shè)備及電纜占用布局面積約1000 cm2，總質(zhì)量5.1 kg，見圖8(a)；集成后，設(shè)備占用布局面積為650 cm2，質(zhì)量為3.4 kg，見圖8(b)，降幅均超過30%。通過機(jī)械集成設(shè)計，整星布局面積累計壓縮0.6 m2，設(shè)備質(zhì)量累計減輕28 kg。

圖8 某頻段接收機(jī)集成前后外形圖

(2)遙測遙控設(shè)計集成。衛(wèi)星電纜網(wǎng)只為遙測遙控需求較少的單機(jī)、重要的遙控指令通道和遙測采集通道、供配電通道等提供獨(dú)立的物理線纜，遙測遙控需求較多的單機(jī)均進(jìn)行集成設(shè)計。采用1553B總線將載荷任務(wù)處理機(jī)接入綜合電子遙測遙控采集設(shè)備，共750條遙控指令和477條遙測參數(shù)通過總線傳輸，分別占整星遙控遙測總量的45%和26%，不再設(shè)計獨(dú)立的物理線纜，電纜網(wǎng)質(zhì)量累計減輕21 kg。

2)提高空間利用率

設(shè)備、加熱器和電纜等之間布局間距壓縮至2～3 mm。設(shè)備接口協(xié)調(diào)階段推動單機(jī)電纜頂插設(shè)計，對于側(cè)插低頻電纜均根據(jù)走向提前在生產(chǎn)階段進(jìn)行賦形，對于側(cè)插高頻電纜在鏈路損耗滿足要求的前提下加裝了轉(zhuǎn)接頭，所有電纜折彎空間壓縮至60 mm以下。載荷共31臺設(shè)備布局到非散熱面，熱耗累計86 W，其中大熱耗設(shè)備8臺，使用擴(kuò)熱板3塊、導(dǎo)熱板1塊。將C頻段輸出多工器布局在艙板外擴(kuò)區(qū)域，節(jié)省布局面積0.3 m2，單機(jī)設(shè)計了獨(dú)立的隔熱罩，并對抗輻照性能不足的高頻電纜包覆了金屬箔(見圖9)。高低頻電纜與加熱器、外貼熱管空間復(fù)用，節(jié)省布局面積0.55 m2。

圖9 利用艙外空間布局單機(jī)

3)提高散熱效率

將18路行波管組件集中布局，在載荷艙南板和北板各形成一個高溫區(qū)，其工作溫度較低溫區(qū)提高15～30 ℃，散熱效率提高10～15 W/m2。采用耦合熱管對南北板高溫區(qū)進(jìn)行導(dǎo)熱，夏至?xí)r載荷艙北板受照、南板不受照，北板熱量通過耦合熱管傳導(dǎo)至南板后散出艙外，冬至?xí)r載荷艙南板受照、北板不受照，南板熱量通過耦合熱管傳導(dǎo)至北板后散出艙外，利用載荷艙南北板輪流受照的特點(diǎn)，散熱效率進(jìn)一步提高20～30 W/m2。

4 結(jié)束語

本文提出的高承載布局設(shè)計方法，在星表合理統(tǒng)籌、艙內(nèi)合理分區(qū)和空間最大化利用的原則下，通過提高集成度、提高空間利用率和提高散熱效率等實(shí)現(xiàn)。BD-3衛(wèi)星的應(yīng)用實(shí)例表明，機(jī)械集成設(shè)計、遙測遙控集成設(shè)計、壓縮布局間距、利用非散熱面和艙外空間布局、空間復(fù)用、高低溫分區(qū)布局和艙板熱耦合等措施效果顯著，將載荷承載提高至770 kg，超出平臺標(biāo)稱承載約1/3，可以推廣應(yīng)用到其他衛(wèi)星。此外，高承載布局是我國衛(wèi)星隨著新一代運(yùn)載火箭發(fā)展的必然趨勢，本文在這一方向進(jìn)行了有益的探索。