低轨卫星星座多星发射技术及其对航天器结构设计的影响

《Acta Astronautica》：On the satellite constellation launching techniques and their implications for spacecraft structural design

　　

为满足日益增长的低地球轨道（Low Earth Orbit, LEO）需求，多卫星发射服务呈现蓬勃发展态势。新兴发射策略旨在通过大规模部署与运载火箭重复使用来降低发射成本。卫星堆叠（stacking）为星座部署提供了最高效的解决方案。基于分配器环（dispenser ring）的配置提供了更稳健且经过时间验证的解决方案。拼车发射（rideshare）提供了灵活性，但其每千克成本接近堆叠发射的5倍。

**低轨卫星星座发射技术及其对航天器结构设计的影响：综述解读**

现代经济体系的运行高度依赖太空技术，全球定位、卫星通信、广播和地球观测等应用已深入交通运输、应急服务、军事侦察等各领域。传统的中地球轨道（Medium Earth Orbit, MEO）和地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit, GEO）卫星虽然能以较少数量实现大范围覆盖，但传播时延较高，例如GEO卫星时延可达240 ms，难以满足第五代移动通信（5G）对低时延的要求。因此，卫星网络加速向低地球轨道（Low Earth Orbit, LEO）迁移，通过大量小型化卫星构成分布式空间系统（Distributed Space System, DSS），提供更快的通信速度、更强的鲁棒性和更广的覆盖。近年来，Starlink、OneWeb、Amazon Leo以及中国的千帆和国网等巨型星座项目相继推进，LEO卫星发射需求爆发式增长。尽管卫星小型化与发射服务进步使大规模部署成为可能，但如何经济、高效地将数千颗卫星送入轨道仍是一大挑战。因此，有必要系统研究多卫星发射与集成策略，评估其效率、约束条件及对航天器结构设计的影响，为未来任务决策提供依据。

研究人员针对上述挑战开展了系统综述，梳理了当前主要LEO星座项目和发射服务现状，分析了多卫星部署的任务约束，包括星座与卫星布局设计、运载火箭机械环境、发射场和运载火箭可用性、注入策略、报废处置及国际法规要求。在此基础上，将多卫星集成策略划分为三类：堆叠配置、分配器环配置和拼车发射，并分别考察其结构特点、分离机制和部署复杂度。通过定义发射质量效率（η_launch）和单次发射卫星交付质量（Satellite Delivered Mass per Launch, SDML）两个量化指标，结合真实任务数据进行估算和比较，得出堆叠配置在体积利用和每千克成本方面最具优势，分配器环配置成熟可靠，拼车发射灵活性高但效率最低。研究还归纳了分离系统向低冲击、可重复使用方向发展的趋势，并介绍了若干新兴部署概念。该综述为未来大规模LEO星座的发射策略选择与卫星结构设计提供了重要参考。

为开展研究，研究人员采用了以下关键技术方法：首先，基于公开发射数据库、运载火箭用户手册和卫星任务报告，收集了2021年至2026年间的发射与星座数据，建立了涵盖82个运载火箭项目和68个星座项目的清单。其次，定义了发射质量效率η_launch = N·m_sat/(N·m_sat+M_structure)和SDML = N·m_sat两个指标，用于量化结构附加质量占比和单次发射有效载荷量。随后，以Falcon 9的Starlink堆叠任务为对象，依据其准静态载荷包络和最小固有频率要求，设计并校核了压缩杆和支撑面尺寸，采用Timoshenko梁模型进行模态分析，并通过有限元模型验证。此外，利用公开发射总质量数据估算OneWeb分配器环的结构质量，进而计算效率指标；对三个典型拼车任务（Spaceflight SSO-A、Vega VV16、Rocket Lab ELaNa-19）也进行了相同的效率估算和比较。

**4.1 堆叠配置**：研究人员以Starlink任务为例，分析了扁平卫星垂直排列、压缩杆预紧的结构方案，并提出了线性与非线性理论模型。线性模型将压缩杆视为Euler–Bernoulli梁，卫星堆叠视为连续Timoshenko梁，预测固有频率与有限元结果偏差小于3%；非线性模型则考虑了接触非线性，试验验证主频偏差小于4%。研究表明，该配置在满足运载火箭频率约束下，结构质量效率可达约95%，每千克发射成本约5000美元，但分离动力学复杂，需精确设计分离顺序和初始角速度。

**4.2 分配器环配置**：以Globalstar、Iridium和OneWeb等任务为例，分配器环通过独立分离螺母（如Beyond Gravity PSM 3/8B）实现顺序释放。研究人员利用公开任务数据估算得出，该配置的结构质量效率约为91%，每千克发射成本约14700美元。其优点是技术成熟、可靠性高，允许逐颗分离，且无需上面级旋转，但体积利用率低于堆叠配置。

**4.3 发射失败案例分析**：研究人员统计了2021年至2026年4月的多卫星发射异常事件，其中推进系统故障占74%，软件/制导导航与控制（GNC）故障占11%，级或载荷分离故障占6%，集成装配错误占3%，电气系统异常占3%，环境因素占3%。典型的分离机构故障导致Transporter-9和Vega VV23任务中多颗卫星未能释放，凸显了分离硬件的关键作用。

**4.4 集成策略性能比较**：基于Falcon 9同平台任务，Starlink堆叠配置的SDML约为13,938 kg，OneWeb分配器环配置约为5,900 kg，而Spaceflight SSO-A拼车任务仅为1,585 kg。η_launch分别约为95%、91%和52%。估算得到的商业部署成本分别为约5000美元/kg、14700美元/kg和7000美元/kg。堆叠配置相比分配器环配置可降低约66%的每千克发射成本。

**4.5 新兴解决方案**：研究人员介绍了几种正在发展的部署概念，包括SpaceX的“PEZ分配器”系统，可沿整流罩槽口逐颗顺序释放堆叠卫星；Maxar Space LLC的“手风琴式链接”设计，通过可脱开铰链实现受控展开；ThinSat项目，将超小型平板卫星集成到标准CubeSat分配器中；以及Thales Alenia Space的基于扭杆和滑块的分离机构，旨在提供高精度、低碰撞风险的释放。

总结与讨论部分指出，堆叠配置虽然成本效率最高，但其分离动力学更为复杂，需要与分离机构、上面级旋转能力以及质量偏心等参数协同设计。分配器环配置由于技术成熟和模块化优势，仍然是当前许多任务的首选，如Amazon Leo项目就采用了碳纤维分配器环。拼车发射则适合预算有限、轨道要求不高的小型星座。研究结论强调，未来发射策略需要在集成密度、可靠性和成本之间进行权衡，新兴技术有望进一步推动大规模LEO星座经济高效部署的发展。