CN108304683A - 基于卫星发射重量零配重的布局设计方法 - Google Patents

Abstract

卫星布局设计工作开展时，配重设计通常作为卫星的余量进行考虑，因此卫星布局工作隐含了配重的分配这一内容。本发明的方法以卫星零配重作为设计目标，以此方法开展布局工作可以优化方案，减少配重重量分配。该方法对布局工作进行分析梳理，抽象出实现零配重布局的工作要素，结合这些要素的影响程度，明确实现零配重布局的基本方案。并给出了零配重布局方法的工作流程，以此可以节省设计成本，提高设计效率，减少研制迭代周期和方案的不确定性。

Description

基于卫星发射重量零配重的布局设计方法

技术领域

本发明涉及一种布局设计方法。

背景技术

当前国内通信卫星平台主要为GEO轨道，卫星发射整星重量约为5100Kg， 干重约2000kg。DFH-4平台采用中心承力筒加壁板的箱体结构形式，卫星本体 分为三个舱段：通信舱、推进舱、服务舱。推进舱由中心承力筒、中板、背地 板、推进舱隔板组成；通信舱由对地板、通信舱南板、通信舱北板及通信舱南 北隔板组成；服务舱由服务舱南板和服务舱北板组成；在东西方向分别有东板 和西板。中心承力筒为核心承力部件，传力路线清晰，易于满足构型布局、机 械接口、停放起吊等要求。其构型示意如图1。

卫星布局设计通常以满足性能指标作为优先考虑准则，卫星配重的布局设计 作为调节卫星质心的一种重要方式，一般而言零配重作为卫星布局的理想目标 之一。卫星质心调整所受约束要素包括发射条件、卫星在轨控制要求等。

(1)卫星发射条件一般如下：

卫星采用CZ-3B型运载火箭进行发射时，根据运载手册的要求，运载火箭 对卫星质心及重量要求如下：

运载火箭	卫星发射重量	纵向质心偏差	横向质心偏差
				LM-3B	5100Kg	±20mm	0±10mm
LM-3BE	5500Kg	±20mm	0±10mm

(2)卫星在轨控制要求一般如下：

卫星变轨期间，质心偏差将导致远地点发动机推力产生偏差，因此对于远地 点发动机干扰力矩进行了约束，干扰力矩影响因素包括发动机安装偏差及横向 质心的偏离，因此降低横向质心的偏离，可以有效减少发动机变轨期间的干扰 力矩。发动机干扰力矩要求如下：

转移轨道：控制分系统对490N发动机干扰力矩要求如下：

绕X轴的力矩TX＜4.87N·m；

绕Y轴的力矩TY＜4.87N·m；

绕Z轴的力矩TZ＜0.1N·m

除此之外，整星在轨天线、太阳翼等活动部件展开状态的质量特性应满足控 制分系统的要求。

(3)卫星布局配重分配及设计原则如下：

配重最小原则：配重作用在于调整卫星质心，通常在轨状态为固定方式。随 着卫星寿命的推进，配重将作为呆重长期存在，不利于在轨推进剂的使用，因 此配重设计应当尽可能少；

兼容性原则：卫星质量特性不尽要满足发射需求，还需综合考虑在轨质心的 偏移，权衡不同阶段质心调整带来的益处，使其综合效果达到最佳；

当前国内卫星的布局工作中针对配重的设计方法较为原始及被动。

卫星布局设计有限考虑机、电、热性能满足要求，在整星重量上留出一定的 余量，用于配重的设计。针对配重的安装位置，一般在卫星表面边缘位置预留 安装孔，根据出厂前质量特性测试计算再进行配重的安装。

由此可以看出，当前布局设工作中针对配重的设计内容，表现出以下特点：

(1)配重设计在流程和时间上较为滞后；

(2)鉴于配重的安装形式较为单一，导致配重效果有限；

(3)配重的重量分配可预知性差；

(4)占用整星发射重量多，最终在轨将成为无效质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种 基于卫星发射重量零配重的布局设计方法，本发明的方法以卫星零配重为目 标，解决卫星布局过程中的配重优化问题，节省设计成本，提高设计效率， 减少研制迭代周期和方案的不确定性。

本发明所采用的技术方案是：一种基于卫星发射重量零配重的布局设计 方法，包括以下步骤：

(1)建立卫星本体坐标系，按照卫星本体坐标系的X、Y、Z轴的方向 将卫星的结构分解为不同的设备安装区域；

(2)将设备进行分类，根据设备的空间安装要求、设备间的功能关联 关系将设备分为两类，其余设备分为第三类，将第三类设备定义为“自由砝 码”；

(3)采用集中质量方法对设备进行建模，统计及计算设备的质量特性 指标，包括：重量M，质心(X，Y，Z)，转动惯量I_x、I_y、I_z，惯性积I_xy、 I_yz、I_zx，设备的质量特性在其本体坐标系下进行计量；

(4)针对每个安装区域，根据对称原则，在设备安装板上确定电缆网 路和管路路径，将设备初步安装在电缆网路、管路路径之外的安装区域内， 设备安放过程遵循重量大的设备布置在-Z侧的原则；

(5)根据步骤(4)的布局结果，计算卫星的质量特性，求解卫星质心 偏差，以此作为布局调整的输入，其中，卫星质量特性目标要求为：X＝0， Y＝0，Z＝Z0，Z0为运载火箭对卫星的质心高度的约束值；

如果计算结果满足卫星质量特性目标要求，则结束；如果不满足卫星质 量特性目标要求进行步骤(6)的调整；

(6)根据卫星质量特性计算结果，对不满足要求的方向进行布局调整；

(7)布局调整后，返回步骤(5)，直至满足质量特性要求。

所述步骤(5)中，在进行计算分析过程中设备质量特性的不确定性采 用简化近似方法进行处理，其中设备重量M包含三个状态：重量下限值 M1＝M(1-4％)，重量标称值M2＝M，重量上限值M3＝M(1+1％)，质心、 转动惯量、惯性积保持不变。

所述步骤(6)中的调整方法选用以下五种的一种或几种的组合，具体 如下：

对称调整方法，具体步骤如下：针对每个安装区域，在其需要调整的方 向，将设备按照基准坐标轴依据静矩相等的原则进行调整；

等效对换方法，具体步骤如下：针对每个安装区域，在其需要调整的方 向，选取安装面积近似，重量不同的设备进行位置互换；

单机设备集成优化方法，具体步骤如下：将部分设备集成为一个功能模 块进行整合，优化原则为：整合前后，设备总共安装底面积减小，设备总计 减小；将集成后的设备在质心需要调整的方向进行移动；

“自由砝码”调整方法，具体步骤如下：根据质量特性计算结果，针对每 个安装区域，或者不同安装预期，采用“自由砝码”进行调整，以此来修正卫 星质心；

总装辅料调整方法，具体步骤如下：根据卫星质心的偏离方向，在相反 反向的设备安装区域增加总装辅料的使用量来调整卫星的质心。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的方法能够节省卫星发射重量，在满足卫星发射要求条件 下，减少配重可以降低发射重量，在运载火箭能力不变的条件下，卫星可以 获得更加优化的入轨参数，为大系统方案设计中提供较大的便利；

(2)本发明的方法能够节省卫星燃料。零配重布局不仅可以带来整星 重量余量可以用于补加燃料，同时没有了配重块卫星在轨的无效重量也减少。 由此可增加卫星推进剂的携带量，从而延长卫星在轨使用寿命，同时没有了 无效重量，卫星在轨推进消耗也将减少，同样起到了延长寿命的效果；

(3)本发明的方法能够增加总体设计的自由度。鉴于零配重的布局设 计，总体重量指标分配过程中可以降低对单机及分系统的设计要求，进而将 减少其设计难度。总体设计在系统间进行重量调配时，可以获得更多的裕度。

附图说明

图1为卫星基本构型图。

图2为构型爆炸图。

图3为设备分类布局图。

图4为建立等效模型(电缆网)图。

图5为设备布局图。

图6为对称调整图。

图7为等效对换调整图。

图8为设备集成优化图。

图9为自由砝码调配图。

图10为总装辅料调整图。

图11为卫星配重及质心位置图。

图12为卫星变轨期间最大干扰力矩图。

图13为零配重布局流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图13所示，一种基于卫星发射重量零配重的布局设计方法，包括步 骤如下：

(1)建立卫星本体坐标系，按照卫星本体坐标系的X、Y、Z轴的方向 将卫星的结构分解为不同的设备安装区域；

例如：在本实施例中，建立的卫星本体坐标系OXYZ的原点O位于卫 星与火箭的对接面中心，Z轴位于竖直方向，XOY平面位于卫星与火箭的 对接面内，X轴、Y轴与Z轴满足右手定则；

依据卫星构型，确定卫星仪器设备安装位置。按照对称式分布的原则， 将卫星结构舱板的可用安装面积进行分区规划。如图1所示，为一个卫星的 基本构型外形图，图2为卫星爆炸视图，根据构型可以看出，卫星在六个方 向，±X，±Y，±Z的结构板上均可以进行仪器设备的安装，其中定义±X结 构板外表面上进行天线(大型部件)的安装，±Y结构板外表面上进行太阳 翼(大型部件)的安装，±Z结构板及其他结构板内表面可进行其他仪器设备的安装；

(2)将设备进行分类，根据设备的空间安装要求、设备间的功能关联 关系将设备分为两类，其余设备分为第三类，将第三类设备定义为“自由砝 码”；如图3所示，对于辐冷型行波管放大器，其辐冷头需要放置在结构外 侧，因此该类设备布置在结构板边缘，属于满足空间安装要求；对于多工器， 它由多台功能关联的设备集同构成一个大型模块。还有部分设备特殊安装要 求，作为自由砝码，可以在舱板上灵活布置。

(3)采用集中质量方法对设备进行建模，统计及计算设备的质量特性 指标，包括重量M(单位Kg)、质心(X，Y，Z)(单位mm)、转动惯 量_Ix，I_y，I_z(单位Kgm·m)、惯性积I_xy，I_yz，I_zx(单位Kgm·m)，设 备的质量特性在其本体坐标系下进行计量；

采用集中质量方法对设备进行建模，计算设备的质量特性指标；其中， 根据实际情况，尺寸不大于200mm×200mm×200mm的设备，转动惯量 和惯性积可按照0进行计算，尺寸大于上述数值的设备，需要具有实物测量 结果或者建模分析结果，用以保证卫星布局及质量特性计算的正确。

(4)布局实施：

针对每个安装区域，根据对称原则，在设备安装板上确定电缆网路和管 路路径，将设备初步安装在电缆网路、管路路径之外的安装区域内，设备安 放过程遵循重量大的设备布置在-Z侧的原则。

首先对星上电缆网、管路的路径进行规划，预留其安装所需要的位置， 以电缆路径为例，如图4所示，采用鱼骨式结构。布局过程遵循重量对称分 布原则。纵向质心高度越低越有利于卫星力学环境，因此布局期间将仪器设 备重量较大的放置在下侧(-Z侧)。对于每个安装区域，如单个结构板而言， 见图5所示，设备i的质量为Mi，在坐标系中坐标为(Xi，Zi)，单板布局 为满足横向保持平衡，则所有仪器设备整体的质心X∑(Mi*Xi)/ ∑Mi，i＝1,2,3,…,n；布局完成后X的数值不大于10mm；n为正整数。

(5)根据布局结果，计算卫星质量特性，求解卫星质心偏差，以此作 为布局调整的输入，其中卫星质量特性目标要求为(X＝0，Y＝0，Z＝Z0，Z0 Z0为运载火箭对卫星的质心高度的约束值；)。

在进行计算分析过程中设备质量特性的不确定性采用简化近似方法进 行处理，其中设备重量M包含三个状态：重量下限值M1＝M(1-4％)，重 量标称值M2＝M，重量下限值M3＝M(1+1％)，质心、转动惯量、惯性积 保持不变；

根据计算结果进行以下判断：

若：X≤1，Y≤1，Z0+10＞Z＞Z0-10，布局满足要求；

若：10＞X＞1，10＞Y＞1，Z0+10＞Z＞Z0-10，卫星系统总体指标无 其他额外要求，布局满足要求

若：10＞X＞1，10＞Y＞1，Z0+10＞Z＞Z0-10，卫星系统总体指标有 其他额外要求，进行步骤6布局调整；

若：Z≤Z0-10，或Z≥Z0+10，或X≥10，或Y≥10，进行步骤(6)布局 调整。

(6)布局调整：

根据卫星质量特性计算结果，对不满足要求的方向进行布局调整，调整 方法选用以下五种。

对称调整：针对每个安装区域，在其需要调整的方向，将设备按照基准 坐标轴进行静矩相等的原则进行调整，即M4·L1＝M5·L2，其中质量为 M4的设备和质量为M5的设备分别位于坐标轴两侧，对称调整的设备可以 是单台设备与单台设备，也可以按照数台设备构成一组的方式进行调整，如 图6所示。

等效对换：针对每个安装区域，在其需要调整的方向，选取安装面积近 似，重量不同的设备进行位置互换，即假设两个设备的质量分别为M6、M7， 设备底面积S1≈S2，重量M6≠M7，互换设备位于卫星质心需要调整的轴向 两侧，设备可以为单个或者几个构成一组，如图7所示，为了调整Z方向质 心，将上下两组设备进行对换。对换前上方两台设备作为一组，与下方一台 安装面积相当的设备进行位置对调。与此相同，在不同安装区域之间采用同 样原则进行需要的对换；

单机设备集成优化：将部分设备(逻辑关系相关联)集成为一个功能模 块进行整合，优化原则为整合前后设备总共安装底面积减小，设备总计减小。 将集成后的设备在质心需要调整的方向进行移动。如图8所示，输出多工器 为多个开关、耦合器、连接波导共同集合而成，集成的设备共用一个设备地 板，设备之间紧密相连，在卫星上安装时作为一个整体进行布置；

“自由砝码”调整：根据质量特性计算结果，针对每个安装区域，或者不 同安装预期，采用“自由砝码”进行调整，以此来修正卫星质心。图9所以， 一台天线控制器作为自由砝码进行布置，该设备与安装区域内的其他设备无 密切相关，对空间无特殊要求，为一长方体设备。“自由砝码”设备的布局原 则为其布置时机在工作后期，选择质心偏离的安装区域进行调整布置；

总装辅料调整：总装辅料，总装实施过程中作为安装固定、防护等功能 部件在卫星上使用。根据卫星质心的偏离方向，在相反反向的设备安装区域 增加使用量来调整卫星的质心。如图10所示在卫星-X安装区域上，针对六 个开口进行总装防护，防护钽箔作为总装辅料可以增加或减少用量，调整X 轴向卫星质心的偏移。

(7)布局调整后，进行步骤(5)的内容，直至满足质量特性要求完成 布局工作。

在以上分析迭代过程中，对于设备或者等效模型，需利用已有实物和信 息对模型进行校核修正，确保其质量特性的正确性，从而提高零配重布局的 准确性。发射重量零配重的布局设计方法流程图见图13。

经过调整及复核复算，最终输出布局报告中卫星质量特性分析，如表 11，图11-图12。

表11质量特性分析迭代数据表

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (3)

1.一种基于卫星发射重量零配重的布局设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立卫星本体坐标系，按照卫星本体坐标系的X、Y、Z轴的方向将卫星的结构分解为不同的设备安装区域；

(2)将设备进行分类，根据设备的空间安装要求、设备间的功能关联关系将设备分为两类，其余设备分为第三类，将第三类设备定义为“自由砝码”；

(3)采用集中质量方法对设备进行建模，统计及计算设备的质量特性指标，包括：重量M，质心(X，Y，Z)，转动惯量I_x、I_y、I_z，惯性积I_xy、I_yz、I_zx，设备的质量特性在其本体坐标系下进行计量；

(4)针对每个安装区域，根据对称原则，在设备安装板上确定电缆网路和管路路径，将设备初步安装在电缆网路、管路路径之外的安装区域内，设备安放过程遵循重量大的设备布置在-Z侧的原则；

(5)根据步骤(4)的布局结果，计算卫星的质量特性，求解卫星质心偏差，以此作为布局调整的输入，其中，卫星质量特性目标要求为：X＝0，Y＝0，Z＝Z0，Z0为运载火箭对卫星的质心高度的约束值；

如果计算结果满足卫星质量特性目标要求，则结束；如果不满足卫星质量特性目标要求进行步骤(6)的调整；

(6)根据卫星质量特性计算结果，对不满足要求的方向进行布局调整；

(7)布局调整后，返回步骤(5)，直至满足质量特性要求。

2.根据权利要求1所述的一种基于卫星发射重量零配重的布局设计方法，其特征在于：所述步骤(5)中，在进行计算分析过程中设备质量特性的不确定性采用简化近似方法进行处理，其中设备重量M包含三个状态：重量下限值M1＝M(1-4％)，重量标称值M2＝M，重量上限值M3＝M(1+1％)，质心、转动惯量、惯性积保持不变。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于卫星发射重量零配重的布局设计方法，其特征在于：所述步骤(6)中的调整方法选用以下五种的一种或几种的组合，具体如下：

对称调整方法，具体步骤如下：针对每个安装区域，在其需要调整的方向，将设备按照基准坐标轴依据静矩相等的原则进行调整；

等效对换方法，具体步骤如下：针对每个安装区域，在其需要调整的方向，选取安装面积近似，重量不同的设备进行位置互换；

单机设备集成优化方法，具体步骤如下：将部分设备集成为一个功能模块进行整合，优化原则为：整合前后，设备总共安装底面积减小，设备总计减小；将集成后的设备在质心需要调整的方向进行移动；

“自由砝码”调整方法，具体步骤如下：根据质量特性计算结果，针对每个安装区域，或者不同安装预期，采用“自由砝码”进行调整，以此来修正卫星质心；

总装辅料调整方法，具体步骤如下：根据卫星质心的偏离方向，在相反反向的设备安装区域增加总装辅料的使用量来调整卫星的质心。