批量生产小卫星设计标准研究

李超 侯颖辉 刘峰 曹伟 马赫

（航天科工空间工程发展有限公司， 北京， 100854）

随着航天产业快速发展， 低轨通信卫星成为国际互联网领域的新兴地带。

低轨卫星互联网作为卫星通信技术与互联网相融合的新型通信网络， 利用低轨卫星为地面、 海上、 空中等各类用户提供互联网接入服务， 成为重塑国家经济、 政治、 军事、 文化新格局的重要力量。

近两年， 全球低轨卫星互联网发展呈现加速态势， 以SpaceX、 OneWeb 为代表的国外卫星研制企业纷纷发布低轨通信卫星星座计划， SpaceX 的“Starlink” 星座包含 41927 颗卫星， OneWeb 卫星星座包含4.8 万颗卫星。

星座系统一般要求在很短的时间内在轨道上布置大量同样的卫星， 伴随互联网卫星星座批量发射和快速部署的新需求， 卫星生产模式已由单件定制、 小批量试制， 转变为批量化、 定制化生产模式。

为适应以卫星互联网工程为代表的低轨星座生产与应用任务需求， 国内外航天企业相继开展了小卫星批量化生产线的建设， 目前国内外均已具备一定的小卫星批量化生产能力。

随着小卫星的新型研制生产AIT （总装集成测试） 产线的投入使用， 传统卫星设计已难以适应卫星的批量化快速生产需要， 需持续开展批量化生产小卫星设计标准研究。

依据 “可生产性”设计， 确保制造阶段能够满足易操作、 易维修、易组装和集成、 易测试的要求， 推动产品集成化、 标准化、 模块化， 建立系统等多层次型谱，实现卫星批量化生产， 满足卫星星座部署需求。

从小卫星生产的未来发展方向看， 小卫星自动化、 批量化生产是主要的发展趋势， 通过建立小卫星自动化生产线， 采用自动化、 智能化设备及生产线管控系统， 实现卫星批量化生产。

但是， 受卫星传统研制模式的影响， 现有卫星的设计与生产线的适配程度还处于较低的水平， 导致小卫星批量生产面临以下问题。

1.1 生产效率降低

小卫星具有装配零件多、 装配空间狭小等特点， 多数星载设备外形并不规则， 无法进行夹取或吸附， 零部件自动化装配难度大， 批量化生产后仍然存在人机协同的工序， 且人机交互频繁， 导致自动化设备运行不连续， 从而降低了生产效率。

1.2 生产工艺难度大

小卫星批量化生产， 主要采用以机器人为主的自动化设备进行装配， 但是目前小卫星设计的集成化程度较低， 很多工序如异形设备、 平垫、弹垫的安装等工序很难由机器人完成， 因此采用自动化装配后， 需要额外进行工艺工装的设计与调试， 增加了产品装配的工艺难度。

1.3 生产成本增加

小卫星星载设备外形各异， 且装配精度要求高， 采用以机器人为主的自动化设备进行卫星装配时， 需要配备多种设备夹持机构和定位工装，将额外增加夹持机构及定位工装设计及调试工作， 增加卫星生产成本。

综上， 小卫星进行批量生产后， 需要对传统的、 以人工装配为主的卫星设计方法进行研究优化， 形成面向批量生产的小卫星设计方法及标准， 进而提升小卫星批生产效率， 降低生产成本， 为小卫星星座快速部署奠定基础。

在航空航天领域， 以美国、 欧洲为代表的西方发达国家具有一定技术优势。

NASA、 ESA 等航天组织机构在航天器技术研发、 项目管理方面具有先进的水平。

以SpaceX、 OneWeb 等为代表的企业在航天器快速研制、 批量制造以及生产管理等方面有着丰富的经验和先进的技术水平。

这些国外先进宇航企业广泛应用自动化生产技术，大幅提升了生产效率和产品质量， 实现了不同类型卫星的快速批量化生产[1]。

国外低轨卫星星座建设步伐领先于国内， 批量化自动卫星生产线已经进入到实际生产应用阶段，从卫星设计、 AIT 流程等方面进行了较大的革新，运用模块化设计、 大数据分析、 自动装配检测和自动测试等技术， 提高卫星产能和质量， 降低生产成本， 目前已经具备了批量生产卫星的能力。

SpaceX 小卫星采用平板式设计， 降低了卫星总装集成难度， 已经实现卫星流水线生产。

据公开报道， SpaceX 小卫星生产能力约为每月120颗， 单颗卫星制造成本低于50 万美元。

OneWeb 公司开创了利用自动生产、 组装流水线进行大规模、 低成本卫星生产的全球先例，在卫星设计阶段充分贯彻面向制造的设计理念，进行大规模模块化设计， 各模块间结构耦合程度低。

对于特殊设备， 将接插件预埋至卫星结构的夹层板内， 通过这些插入件将仪器、 传感器等设备牢固附接到卫星结构上， 降低卫星在总装集成环节的工作复杂程度， 大大简化装配操作， 有利于总装集成环节的自动化。

OneWeb 公司卫星生产线具备每天生产2 颗～4 颗卫星的能力， 单颗卫星的造价低于100 万美元。

泰雷兹公司设计制造的 “下一代铱星” 采用模块化设计思路， 通过标准化接口实现不同载荷模块的选配， 达到降低研制难度的目的。

为实现低成本和快速生产， 采取了面向生产的设计， 所有卫星上线时状态完全一致， 各单机或模块装配简单、 可达性好， 充分发挥自动化生产线的优势。

国内以航天科工集团、 航天科技集团、 吉利集团为代表的多家单位开展了卫星批量化生产线建设， 但针对批量化生产的小卫星设计尚处于起步论证和研究阶段。

国内其他行业在适应装配的设计[2-4]， 适应自动化设计[5-6]， 智能化生产设计[7-8]等方面已有一定的研究。

但是， 受卫星传统研制模式影响， 小卫星设计主要以面向人工生产的方式为主， 未充分考虑批量化生产适配性。

针对目前小卫星设计与批量自动化生产线适配性差的问题， 开展小卫星总体构型设计、 星载设备结构设计、 总装设计、 集成化设计、 标识设计等方面的设计研究[9-10]， 并依托航天科工集团小卫星智能生产线， 验证相关设计的可行性。

结果表明， 采用适应批量生产的小卫星设计， 结合小卫星智能生产线进行生产， 小卫星生产效率提升75%以上。

3.1 总体构型设计

在卫星构型布局设计中， 采用模块化设计思路， 采用 “框架+舱板” 式或 “箱板” 式的卫星构型布局方案， 各个舱板分别安装不同模块的星上设备， 便于卫星批量化生产过程中各个舱板并行总装， 最后在总装工位统一集成为整星。

此外， 卫星构型布局设计中还可以采取分舱段设计， 如划分为推进舱、 平台舱、 载荷舱等多舱段模块， 并与 “框架+舱板” 设计相结合。

典型 “框架+舱板” 卫星构型布局设计方案如图1所示。

主框架上设置与总装工装的对接接口结构，便于主结构与总装工装对接。

可采用螺钉+定位销的方式实现工装与主框架的定位与固定。

舱板上设置工艺定位孔， 用于与工装定位。

卫星、 主框架与舱板等大型结构件提供吊装孔， 用于产品吊装。

3.2 星载设备结构设计

星载设备设计时， 设备上应有供机器人夹持的结构特征， 可采用平面夹持或卡扣式夹持， 若夹持区域为平面， 则夹持区域尺寸不小于设备夹爪尺寸， 且夹持区域能够承受一定的夹持力。

若夹持区域设计为卡扣式， 则卡扣处设计应便于夹持， 且能够承受设备重力。

卡扣式夹持位置如图2所示。

采用支架安装的设备， 设备支架与单机采用一体化设计， 便于设备安装。

单机机械安装孔孔内颜色应与孔口平面颜色有明显色差， 方便采用视觉辅助定位。

3.3 总装设计

卫星舱板之间的线缆插接， 应将线缆接插件接头设计在舱板的边缘， 并靠近舱板拐角处， 便于线缆插接， 位置示意如图3 所示。

舱板对合时， 要留有电缆连接与安装空间， 并预留电缆长度。

最后对合的舱板建议选取设备最少的舱板，尽量减少整星合舱时的电缆连接操作。

舱板上设备安装时， 各设备间留有设备安装间距， 用于末端执行器夹持与释放。

3.4 集成化设计

卫星设计过程中， 充分考虑集成化设计， 通过功能合并、 功能替代等方式， 将多个设备的通用功能进行整合， 进而将多个设备集成为一个设备， 降低整星所需单机产品的种类与数量， 降低系统复杂度。

卫星总体与分系统设计时， 打破原有设计关系， 将总体设计与分系统产品设计紧密结合， 形成整体最优。

例如， 隔热垫与设备等集成设计，将隔热垫固定到设备上；

星载设备安装支架与设备联合设计， 作为整体交付， 总装现场无需二次安装。

单机设备设计时， 将单个设备的多个电气接口集成为单个电气接口， 以减少星上电缆数量，简化板间设备的电缆连接方式。

将热控产品电气接口与设备自身电气接口集成化设计， 将热敏电阻、 加热回路等设备上热控器件的电气接口集成到设备自身电气接口上， 简化整星AIT 操作。

当需要采用螺钉紧固、 平垫、 弹垫防松时，优先采用平弹垫一体的螺钉组合；

螺钉规格尽量统一， 减少同一块舱板上螺钉的规格种类。

3.5 标识设计

卫星及设备设计时， 在设备本体上和产品质量文件上， 采用包含二维码的产品标识进行物品标识， 便于自动化生产过程中产品的自动化流转与识别， 产品标识示意如图4 所示， 当产品尺寸较小时， 可以在产品表面只制作产品标识中的二维码。

本文以批量生产的小卫星为研究对象， 针对批量化生产小卫星应用需求， 从设计源头出发，开展适应批量化生产的小卫星设计标准研究， 阐述了目前小卫星批量生产面临的主要问题， 从小卫星总体构型设计、 星载设备结构设计、 总装设计、 集成化设计、 标识设计等方面， 提出了若干适应批量化生产的小卫星设计方法并进行了验证， 以指导批量化生产小卫星设计， 解决目前小卫星设计与批量化生产线适配性差的问题， 提升小卫星生产效率， 为小卫星批量化生产奠定基础， 也可为其他面向批量化生产的航天产品设计提供借鉴。