自第一颗人造卫星诞生起，卫星的外形就开始了不断演化的进程，经历了由简单到复杂，从球形、圆柱形到棱柱形、多面体形的演变。而近年来诞生的可堆叠平板卫星，都给人一种大道至简的感觉。那什么是可堆叠卫星平台，为什么要采用这种设计呢，下面就来详细介绍一下。

▲ 堆叠排列的“星链”卫星

什么是可堆叠平板卫星平台？

可堆叠平板卫星平台，顾名思义，就是把卫星设计成平板式、敞开式的构型。传统的卫星平台形状通常是长方体、圆柱体等三维立体形状，如果把传统卫星平台比作台式电脑，那么可堆叠平板卫星平台就是笔记本或者平板电脑，形式简约，布局紧凑，便于 “流水线”式的批量化制造，是对传统卫星设计理念的革命性创新，是一项划时代、变革性技术，正逐步成为我国航天新质生产力发展的重要推动力量。

▲ 平板卫星

上海卫星工程研究所是国内最早一批开展可堆叠平板卫星平台的研制单位，突破了扁平化构型堆叠式卫星承载结构技术、去中心化堆叠式卫星解锁分离技术以及堆叠卫星群无碰分散技术，目前已有两型卫星星座采用该平台进入了正样研制阶段。随着研制任务的不断增加，上海卫星工程研究所将通过模块化设计、批量化生产进一步缩短研制周期，提高生产效率，快速响应紧急任务或突发需求。

卫星为什么要采用可堆叠平板式的设计？

卫星是通过运载火箭发射到太空的，运载火箭整流罩的空间较小，能容纳的卫星数量有限，因此对于传统的立体卫星平台，通常一次只能发射一颗或几颗卫星。可堆叠平板卫星则可以像平板一样紧凑地堆放在运载火箭的整流罩内，通过合理的空间布局设计，一发火箭可以容纳几十颗甚至上百颗卫星，使得“一箭百星”的发射模式成为可能。我国和美国都提出了建设由上万颗卫星组网而成的卫星星座计划，可堆叠平板卫星平台的出现为卫星发射效率带来了质的飞跃，将有力地推动我国卫星组网建设计划。

▲ "星链"卫星的一箭60星

可堆叠平板卫星平台也带来了卫星研制成本上的变革。平台在设计方案上充分考虑了自动化制造与装配的便利性，优先选用国产成熟的元器件，邀请多家民营企业加入产品供应链，鼓励供应商学习丰田零库存生产模式。通过批量化制造、流水线式装配，单颗卫星的研制成本将压缩至百万元至千万元量级，这使得更多的企业都能参与卫星研制，共同助力卫星的大规模组网建设。

堆叠卫星如何与运载火箭连接？

传统一箭多星发射卫星大多通过中心承力筒安装在运载整流罩内，即多颗卫星分别安装在运载提供的中心承力筒上，这样的星箭连接方式有两个明显的不足。一是中心承力筒的存在占用了整流罩空间，减少了一次发射能够容纳的卫星数量，影响卫星星座组网效率；二是中心承力筒的安装方式抬升了卫星群的质心高度，导致卫星在发射段将承受更严苛的力学条件。

▲ 采用中心承力筒的星箭连接方式

▲ 去中心承力筒的星箭连接方式

为了提高运载整流罩空间利用率、降低卫星群质心高度，可堆叠平板卫星之间通过星上连接套筒直接连接，并使用拉杆进行压紧，形成每层两颗的多层式布局，最底层的卫星通过星上连接套筒安装在星箭连接环上，从而实现与运载火箭的连接。

▲ 堆叠卫星群示意图

扁平化构型如何提高力学性能？

堆叠卫星的连接方式为结构的强度与刚度设计带来了困难。堆叠卫星群在底部只有四个连接套筒进行支撑，支撑点之间的尺寸跨度接近3m，单颗卫星的重量又在百公斤以上，导致其固有频率较低，卫星上载荷单机的力学环境也不够理想。另外，连接套筒与卫星结构之间的连接区域较少，连接的刚度和强度也是结构设计的主要困难之一。

▲ 堆叠卫星群示意图

针对这些困难，卫星结构采用拓扑优化的方法辅助规划舱板的位置和数量配置，使用轻量化蜂窝夹层板或高比模量高比强度栅格金属结构，提升结构的整体刚度和强度。对于局部结构，开展精细化设计与仿真，采用高强度材料、阻尼材料提升强度，吸收振动能量。

堆叠卫星发射后是如何分离的呢？

堆叠卫星在发射时是通过拉杆和锁紧装置压紧在一起的，由底部的转接装置安装在运载火箭内。发射入轨后，待卫星群在轨起旋至稳定后，位于卫星群顶部的锁紧装置解锁并持续喷气，使拉杆和锁紧装置一起迅速外摆，  进而解除卫星群与运载之间的约束连接。

▲ 可堆叠平板卫星群在轨解锁示意图

卫星群与运载火箭分离的同时，卫星之间的约束也被解除，通过自旋解锁的方式实现卫星与卫星之间的分离，各卫星的质心应该沿解锁时刻的速度做惯性运动，同时卫星本体保持解锁时刻的角速度匀速旋转。以一层两颗卫星为例，卫星之间在轨分离过程如下所示，可以通过仿真分析计算得到最大碰撞风险状态下卫星的相对位置关系和速度，据此优化卫星构型尺寸以及质心位置，有效降低卫星群分离过程中的碰撞风险。

▲ 可堆叠平板卫星群在轨分离示意图

可堆叠平板卫星平台在通信、观测、科研等各领域展现出了强大的发展潜力，但目前在国内还处于研制与验证阶段，产品的成熟度、可靠性将不断提升。在国家规划与需求的推动下，未来可堆叠平板卫星平台将迅速走上舞台，让卫星“流水线”制造工厂走向现实并服务于社会，为全球航天产业的发展注入创新与活力。

来源：上海卫星

上观号作者：上海科协