基于卫星发射重量零配重的布局设计方法技术

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。本发明专利技术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。

Layout design method based on zero weight of satellite launching weight

When satellite layout design is carried out, weight design is usually considered as a satellite remainder, so satellite layout work implies the distribution of weight. The method of the invention takes the zero weight of satellite as the design goal, and the layout work can optimize the scheme and reduce the weight weight distribution. This method analyzes and combs the layout work, abstracts the work elements to realize the zero counterweight layout, and combines the influence degree of these elements to realize the basic plan of the zero distribution layout. The work flow of the zero weight distribution method is given, which can save the design cost, improve the design efficiency, reduce the iteration period and the uncertainty of the scheme.

【技术实现步骤摘要】
基于卫星发射重量零配重的布局设计方法
本专利技术涉及一种布局设计方法。
技术介绍
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-3B5100Kg±20mm0±10mmLM-3BE5500Kg±20mm0±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。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于卫星发射重量零配重的布局设计方法，本专利技术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。本专利技术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Ix、Iy、Iz，惯性积Ixy、Iyz、Izx，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。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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专利技术进行进一步说明。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，确定卫星本文档来自技高网...

【技术保护点】
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Ix、Iy、Iz，惯性积Ixy、Iyz、Izx，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。...

【技术特征摘要】
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Ix、Iy、Iz，惯性积Ixy、Iyz、Izx，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭真，杨凌轩，梅杰，邹晨，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11