Satelliten übereinander stapeln? „Hundert Sterne mit einem Pfeil“ ist kein Traum!

Seit der Geburt des ersten künstlichen Satelliten hat sich die Form des Satelliten kontinuierlich weiterentwickelt, von einfach zu komplex, von kugelförmig und zylindrisch zu prismatisch und polyedrisch. Die stapelbaren Flachbildschirmsatelliten, die in den letzten Jahren entwickelt wurden, vermitteln den Menschen allesamt ein Gefühl der Einfachheit. Was also ist eine stapelbare Satellitenplattform und warum sollten wir dieses Design verwenden? Schauen wir uns das genauer an.

▲ Gestapelte „Starlink“-Satelliten

Was ist eine stapelbare Flachbildschirm-Satellitenplattform?

Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei der stapelbaren Flachbildschirm-Satellitenplattform um einen Satelliten mit flacher, offener Konfiguration. Herkömmliche Satellitenplattformen haben normalerweise dreidimensionale Formen wie Rechtecke und Zylinder. Vergleicht man herkömmliche Satellitenplattformen mit Desktop-Computern, so handelt es sich bei stapelbaren Satellitenplattformen mit Flachbildschirm um Notebooks oder Tablet-Computer. Sie haben eine einfache Form und ein kompaktes Layout, sodass sie problemlos in Massenproduktion am Fließband hergestellt werden können. Sie stellen eine revolutionäre Neuerung im Hinblick auf traditionelle Satellitendesignkonzepte dar und stellen eine bahnbrechende und transformierende Technologie dar. Sie entwickeln sich allmählich zu einer wichtigen treibenden Kraft für die Entwicklung einer neuen Qualitätsproduktivität in der Luft- und Raumfahrtindustrie meines Landes.

▲ Flachbild-Satellitenfernsehen

Das Shanghai Satellite Engineering Institute ist eine der ersten Forschungs- und Entwicklungseinheiten in China, die stapelbare Satellitenplattformen mit Flachbildschirmen entwickelt. Es wurden Durchbrüche in der Technologie für flach konfigurierte gestapelte Satellitentragstrukturen, der Technologie für die dezentralisierte Entriegelung und Trennung gestapelter Satelliten und der Technologie für die kollisionsfreie Streuung gestapelter Satellitencluster erzielt. Derzeit haben zwei Arten von Satellitenkonstellationen diese Plattform übernommen und sind in die Prototypenentwicklungsphase eingetreten. Da die Entwicklungsaufgaben weiter zunehmen, wird das Shanghai Satellite Engineering Institute den Entwicklungszyklus weiter verkürzen, die Produktionseffizienz verbessern und durch modulares Design und Massenproduktion schnell auf Notfallaufgaben oder plötzliche Anforderungen reagieren.

Warum verwenden Satelliten ein stapelbares Flachbildschirmdesign?

Satelliten werden mit Trägerraketen ins All geschossen. Der Platz in der Verkleidung einer Trägerrakete ist klein und die Anzahl der unterzubringenden Satelliten ist begrenzt. Daher können bei herkömmlichen dreidimensionalen Satellitenplattformen normalerweise nur ein oder wenige Satelliten gleichzeitig gestartet werden. Stapelbare Flachbildschirmsatelliten können wie Flachbildschirme in der Verkleidung einer Trägerrakete kompakt gestapelt werden. Durch eine sinnvolle Raumaufteilung kann eine Rakete Dutzende oder sogar Hunderte von Satelliten aufnehmen, was den Startmodus „eine Rakete, einhundert Satelliten“ ermöglicht. Sowohl mein Land als auch die Vereinigten Staaten haben Pläne zum Aufbau von Satellitenkonstellationen vorgeschlagen, die aus Zehntausenden von Satelliten bestehen. Das Aufkommen stapelbarer Satellitenplattformen mit flachen Panels hat zu einem qualitativen Sprung bei der Effizienz von Satellitenstarts geführt und wird den Plan meines Landes zum Aufbau eines Satellitennetzwerks stark voranbringen.

▲ Der „Starlink“-Satellit bringt 60 Satelliten auf einmal ins All

Die stapelbare Satellitenplattform mit Flachbildschirmen hat auch zu Änderungen bei den Kosten der Satellitenentwicklung geführt. Das Design der Plattform berücksichtigt in vollem Umfang die Vorteile automatisierter Fertigung und Montage, räumt der Verwendung ausgereifter inländischer Komponenten den Vorzug ein, lädt zahlreiche private Unternehmen ein, sich der Produktlieferkette anzuschließen, und ermutigt Lieferanten, sich mit Toyotas Lagerbestandsnull-Produktionsmodell vertraut zu machen. Durch Massenproduktion und Fließbandmontage werden die Entwicklungskosten eines einzelnen Satelliten auf mehrere Millionen bis mehrere zehn Millionen Yuan gesenkt, was es mehr Unternehmen ermöglicht, sich an der Satellitenentwicklung zu beteiligen und gemeinsam zum Aufbau groß angelegter Satellitennetzwerke beizutragen.

Wie werden gestapelte Satelliten mit der Trägerrakete verbunden?

Traditionell werden mehrere Satelliten mit einer Rakete gestartet. Die meisten davon werden über ein zentrales Stützrohr in der Trägerverkleidung montiert. Das heißt, mehrere Satelliten werden separat auf dem zentralen Trägerrohr des Trägers installiert. Diese Methode der Satelliten-Raketen-Verbindung weist zwei offensichtliche Mängel auf. Erstens nimmt das zentrale Stützrohr Platz in der Verkleidung ein, wodurch die Anzahl der Satelliten, die bei einem Start untergebracht werden können, reduziert wird und die Effizienz der Vernetzung der Satellitenkonstellation beeinträchtigt wird. Zweitens wird durch die Installationsmethode des zentralen Stützrohrs der Schwerpunkt des Satellitenclusters angehoben, sodass der Satellit während der Startphase strengeren mechanischen Bedingungen standhalten muss.

▲ Die Stern-Raketen-Verbindungsmethode verwendet einen zentralen tragenden Zylinder

▲ Die Stern-Raketen-Verbindungsmethode ohne Mittellagerzylinder

Um die Raumausnutzung der Startverkleidung zu verbessern und die Schwerpunkthöhe des Satellitenclusters zu verringern, werden die stapelbaren Flachbildschirmsatelliten über Verbindungshülsen an Bord direkt miteinander verbunden und mit Zugstangen zusammengezogen, um ein mehrschichtiges Layout mit zwei Satelliten auf jeder Schicht zu bilden. Der Satellit auf der unteren Ebene wird über die integrierte Verbindungshülse auf dem Satelliten-Raketen-Verbindungsring installiert, um eine Verbindung mit der Trägerrakete herzustellen.

▲ Schematische Darstellung gestapelter Satellitencluster

Wie verbessert eine abgeflachte Konfiguration die mechanischen Eigenschaften?

Die Verbindungsmethode gestapelter Satelliten bringt Schwierigkeiten bei der Konstruktion der strukturellen Festigkeit und Steifigkeit mit sich. Der gestapelte Satellitencluster verfügt unten nur über vier Verbindungshülsen zur Unterstützung und die Spannweite zwischen den Stützpunkten beträgt knapp 3 m. Das Gewicht eines einzelnen Satelliten beträgt über 100 Kilogramm, was zu einer niedrigen Eigenfrequenz führt. Auch die mechanischen Bedingungen der einzelnen Satellitennutzlast sind nicht ideal. Darüber hinaus ist der Verbindungsbereich zwischen der Verbindungshülse und der Satellitenstruktur klein und die Steifigkeit und Festigkeit der Verbindung stellen ebenfalls eine der Hauptschwierigkeiten bei der Konstruktionsplanung dar.

▲ Schematische Darstellung gestapelter Satellitencluster

Um diese Schwierigkeiten zu lösen, werden bei Satellitenstrukturen Methoden zur Topologieoptimierung eingesetzt, um die Planung der Position und Mengenkonfiguration der Kabinenplatten zu unterstützen. Außerdem werden leichte Waben-Sandwichplatten oder Gittermetallstrukturen mit hohem spezifischen Modul und hoher spezifischer Festigkeit verwendet, um die Gesamtsteifigkeit und Festigkeit der Struktur zu verbessern. Für lokale Strukturen werden detaillierte Konstruktionen und Simulationen durchgeführt und hochfeste Materialien sowie Dämpfungsmaterialien verwendet, um die Festigkeit zu verbessern und Schwingungsenergie zu absorbieren.

Wie werden gestapelte Satelliten nach dem Start getrennt?

Die gestapelten Satelliten werden beim Start durch Zugstangen und Verriegelungsvorrichtungen zusammengepresst und durch den Adapter an der Unterseite in der Trägerrakete installiert. Nach dem Start in die Umlaufbahn, wenn sich der Satellitencluster dreht und in der Umlaufbahn stabilisiert, wird die Verriegelungsvorrichtung an der Spitze des Satellitenclusters entriegelt und stößt weiterhin Luft aus, wodurch die Zugstange und die Verriegelungsvorrichtung schnell nach außen schwingen und dadurch die Halteverbindung zwischen dem Satellitencluster und dem Träger gelöst wird.

▲ Schematische Darstellung des stapelbaren Flachbildschirm-Satellitenclusters, der im Orbit entriegelt wird

Wenn sich der Satellitencluster von der Trägerrakete trennt, werden auch die Fesseln zwischen den Satelliten gelöst und die Trennung zwischen den Satelliten wird durch die Spin-Freigabe erreicht. Der Schwerpunkt jedes Satelliten sollte eine Trägheitsbewegung mit der Geschwindigkeit im Moment der Entriegelung ausführen, während der Satellitenkörper im Moment der Entriegelung eine gleichmäßige Winkelgeschwindigkeit beibehält und rotiert. Am Beispiel zweier Satelliten in einer Schicht wird der Trennungsprozess zwischen Satelliten im Orbit wie folgt dargestellt. Durch Simulationsanalysen können die relative Positionsbeziehung und Geschwindigkeit der Satelliten unter dem maximalen Kollisionsrisiko berechnet und die Größe der Satellitenkonfiguration sowie die Schwerpunktposition entsprechend optimiert werden, wodurch das Kollisionsrisiko bei der Trennung des Satellitenclusters effektiv verringert wird.

▲ Schematische Darstellung der Trennung stapelbarer Flachbildschirm-Satellitencluster im Orbit

Die stapelbare Satellitenplattform mit Flachbildschirm hat in verschiedenen Bereichen wie Kommunikation, Beobachtung und wissenschaftlicher Forschung großes Entwicklungspotenzial gezeigt, befindet sich in China jedoch noch in der Forschungs- und Verifizierungsphase und die Reife und Zuverlässigkeit des Produkts werden sich weiter verbessern. Angetrieben von nationaler Planung und Nachfrage werden stapelbare Satellitenplattformen mit Flachbildschirmen in Zukunft schnell auf den Markt kommen. Sie werden die Satellitenfertigung am Fließband ermöglichen und der Gesellschaft dienen, indem sie der Entwicklung der globalen Luft- und Raumfahrtindustrie Innovation und Dynamik verleihen.