空天飞行器设计

1.1航天工程系统组成:发射场、运载器、航天器系统、地面应用系统、运载与航天器测控网1.2航天器设计:解决每一个环节的具体设计，关键内容：航天任务分析与轨道设计、航天器构形设计、服务与支持分系统的具体设计1.3航天器系统设计的层次关系及各组成部分作用:有效载荷分系统：航天器上直接完成特定任务的仪器、设备和核心部分；航天器结构平台：整个航天器的结构体服务和支持系统：有效载荷正常工作的必要条件。

①结构分系统：提供其他系统的安装空间；满足各设备安装方位，精度要求；确保设备安全；满足刚度，强度，热防护要求，确保完整性；提供其他特定功能②电源分系统：向航天器各系统供电③测控与通信系统：对航天器进行跟踪，测轨，定位，遥控，通信；④热控系统：对内外能量管理和控制，实现航天器上废热朝外部空间的排散，满足在飞行各阶段，星船各阶段、仪器设备、舱内壁及结构所要求的温度条件；⑤姿态与轨道控制系统：姿态控制：姿态稳定，姿态机动；轨道控制：用于保持或改变航天器的运行轨道，包括轨道确定（导航）和轨道控制（制导）两方面，使航天器遵循正确的航线飞行⑥推进系统：向地球静轨道转移时的近地点与远地点点火；低轨道转移时，低轨到高轨的提升与离轨再入控制；星际航行向第二宇宙速度的加速过程；在轨运行⑦数据管理系统：将航天器遥控管理等综合在微机系统中⑧环境控制与生命保障：维持密闭舱内大气环境，保证航天员生命安全；1.4航天器设计的特点(1) 运载器有效载荷引发的设计特点：慎用质量和追求轻质量的特点追求小尺寸和巧安排的设计特点；(2) 适应外层空间环境引发的设计特点：创造必要的、可模拟真实环境进行航天器部件、设备、分系统和整体航天器检测、试验和验收的条件，使模拟真实环境的检测、试验和验收成为可能；(3) 特殊的一次使用性引发的设计特点：不存在维修、替换或补给，系统可靠性要求很高；(4) 单件生产引发的设计特点：每颗卫星都具有其特殊性2.1对航天活动存在较大影响的环境要素:太阳电磁辐射、地球中性大气、地球电离层、地球磁场以及空间带电粒子辐射、空间碎片及微流星等2.2航天器在近地轨道中运行受到的环境因素影响及这些因素所影响的分系统①地球引力分布的不均匀(轨道控制分系统)②重力梯度（姿态控制分系统）③高层大气密度（轨道控制分系统）④空间带电粒子辐射(电子元器件、功能材料、仪器设备以及航天员)⑤地球电离层（测控与通讯分系统）⑥太阳电磁辐射以及地球对其的反照（热控制分系统、姿态控制分系统） ⑦地磁场（姿态控制分系统）⑧空间碎片及微流星（结构分系统）2.3太阳辐射对近地轨道航天器的影响:1.对航天器温控系统的影响：太阳辐射是主要外热源2.对航天器姿控系统的影响：太阳辐射和地气辐射压是航天器姿态控制中所必须考虑的因素之一，引起大气密度的变化，使航天器所受阻力增加3.对航天器电源系统的影响：（光谱辐照度决定航天器太阳电池方阵功率的精确计算，影响控制回路的软、硬件设计，对航天器表面的剥蚀作用加剧，破坏太阳电池保护层、危害航天器能源系统）4.对航天器通信系统的影响（导致短波和中波无线电信号衰落，甚至完全中断，太阳射电爆发引起射电背景噪声的增强，在一定条件下也会对航天器通信系统造成干扰）5.对航天遥感器、探测器的影响（对绝缘材料、光学材料和高分子材料也存在损伤作用，从而对航天遥感器和探测器产生影响，对航天器上各种光学遥感系统形成污染）6.对人体和生物体的影响（对人体器官和眼睛有不同的损伤，诱发人体皮肤癌）2.4电离层对航天活动的影响:1、对航天器通信系统的影响（改变电波传播路径，出现电波时延、信号衰落，通信质量下降，引起电波聚焦或散焦，甚至造成电波信号丢失）2、对航天器定轨系统的影响（电波信号频率发生偏移）3、对航天器轨道和姿态的影响（阻力增大）4、航天器充电效应（表面充电和内部充电，充电电位达到一定值时，就会发生静电放电，对航天器电子系统产生影响）5、对航天器电源系统的影响（造成电源电流的无功泄露，降低了电源的供电效率）3.1轨道设计过程:确定轨道的类型；确定与轨道有关的任务要求；评价具体的轨道；单颗卫星或星座的选择；进行飞行任务轨道设计的权衡；运载工具，回收或报废轨道的选择；估计星座的发展和补充；建立△V的预算；编制有关轨道参数，选择准则和允许范围的文件3.2常用的轨道类型及应用范围：1.地球静止轨道及其星座：国际通信、区域和国内通信广播、海事通信、移动通信、区域导航、区域气象观测等卫星；2.太阳同步(回归)轨道及其星座：地球资源观测、全球气象观测、空间环境探测和科学技术试验、海洋监测等卫星；3.甚低轨道：返回式遥感卫星、载人飞船、航天飞机、空间试验室、空间站等；4.临界倾角大椭圆轨道(周期为12h)及其星座：高纬度通信、空间环境探测和科学技术试验卫星；5.高(约20000km)、中(约2000km)、低(1000km 左右)轨道实时全球覆盖星座：全球移动通信(含少量固定通信)、全球导航、全球环境监测等卫星网。

3.2卫星沿轨道的运动可由6个轨道要素描述:半长轴a：几何意义就是椭圆轨道的半长轴；轨道偏心率e：对椭圆轨道，偏心率为两焦点之间的距离与椭圆长轴之比，其数值0≤е<1；轨道倾角i：轨道平面和地球赤道平面的夹角，定义为轨道正法向和地球北极的夹角，0°≤i≤180°；升交点赤径Ω：自x轴（春分点）方向在赤道面内沿逆时针方向度量到升交点的地心张角。

从春分点向东度量，0°≤Ω≤360°；近地点幅角ω：自轨道升交点在轨道平面内沿卫星运动方向度量到近地点的角度。

从升交点顺轨道运行方向度量，0°≤ω≤360°；过近地点时刻τ：τ为卫星过近地点时刻；在这6个轨道要素中，i和Ω决定了轨道面在惯性空间的位置，ω决定了轨道在轨道面内的指向，a和e决定了轨道的大小和形状，τ决定了卫星在轨道上的位置。

3.3轨道机动：航天器在控制系统作用下使其轨道发生有意的改变【航天器的交会、对接】；交会：两个航天器航天飞行器在空间某一点上的会合；对接:两个航天飞行器连接成一体。

交会方案：1、直接交会（一般不采用这种方法）2、用交会位置调节轨道交会；3、用等待轨道交会（这是实际采用的交会方法）；3.4【△V预算】：预算轨道设计者的任务就是设计一系列轨道。

例如，可以将一颗卫星先发射到一个近地等待轨道，再转移到某一任务轨道，然后通过一系列的重新定相或替换任务轨道，最后在其使用寿命终了时把它再转移到某一最终轨道。

每次改变轨道均需要能量，△V 预算就是用来计算这个能量的。

△V—在执行整个空间飞行任务期间所需的速度增量之和。

给定速度增量△V时所消耗的推进剂质量：3.5地球静止卫星的发射过程：当运载火箭把卫星送到停泊轨道，远地点高度达到35786km卫星用远地点发动机，把卫星送到静止轨道，但要达到倾角为零，且发射场纬度不在赤道，此种情况远地点发动机点火前，必须把卫星的姿态设置好，并且要精确测定。

当卫星到达远地点时，远地点发动机点火，它所产生的速度为Va，静止轨道卫星的速度Vc，其差为△V，并使Va的矢量和△V的矢量之和为静止轨道卫星的速度，达到卫星在赤道平面内运动。

4.1总体设计基本任务:在规定的研制周期和成本情况下设计一个能满足用户特定任务要求、优化的卫星系统1，将用户要求转化成若干分系统组成的系统和系统的功能及性能参数，并使该系统满足大系统（运载火箭、发射场、测控中心和应用系统）的约束要求2，将卫星系统功能和性能参数分解到各个分系统中，经过分析和协调，保证系统和分系统之间的各种功能的、物理的和程序的接口兼容，最终完成总体方案设计3，完成卫星总体详细设计(包含总装设计、总体电路设计、电性能测试和环境模拟试验要求)4，提出产品保证要求，完成可靠性、可用性、可维修性、安全性、电磁兼容性及软件等保证大纲及规范）4.2总体设计基本设计原则:满足用户需求的原则，系统整体性原则，系统层次性原则，卫星研制阶段性原则，创新性和继承性原则，效益性原则4.3卫星总体设计的特点和要求:1，空间环境适应性（适应热真空和辐照等环境，克服太阳、月亮和地球非球形等的摄动）2，大系统中各组成系统的约束（运载火箭约束，地面测控船站约束，发射场约束，地面应用系统约束）3，卫星高可靠和高安全性（要满足工作寿命下的高可靠要求，要考虑安全性和风险性）4，高度自主控制功能（在轨运行期间对卫星姿态测量和控制、备份件切换、蓄电池充放电、加热器通断电等控制都需要卫星自主完成，卫星在轨运行期间对其轨道测量和控制可采用制导、导航和控制技术，自主实现卫星在轨轨道保持和修正，以减少地面测控站的负担，利用跟踪与数据中继卫星系统可自主实现卫星轨道跟踪测量和对地观测卫星大范围的数据实时传输）5，制定研制技术流程6，满足公用平台的设计要求4.4总体方案设想主要做的工作:1）选择能满足用户使用技术要求的轨道或星座2）提出能满足用户使用技术指标要求的有效载荷方案设想3）设想和初步提出可能组成卫星的必不可少的分系统，并初步提出分系统的可行方案和相互间的关系4）初步提出卫星总体性能技术指标，对质量和功耗做初步概算5）设想和初步提出卫星的大致构型(或称卫星草图)，若选择现有的公用平台，则要提出适应性修改的设想6）初步提出卫星工程系统内各系统的选择和各系统之间的相互关系；7）提出卫星各分系统的在总体方案设计阶段可能要突破的关键技术8）初步估计卫星的研制经费和产品经费9）初步估计卫星的研制周期4.5关键技术:在开展上述工作时，要对卫星总体和分系统进行关键技术分析。

卫星设计可能采用的技术，从成熟程度看，可以分为成熟技术、成熟技术基础上的延伸技术、不成熟技术和新技术四类。

不成熟技术是指那些必须经过研究、生产和试验(即攻关)来确定它们适合在卫星上采用的技术。

新技术是指过去还没有在卫星中采用过的新技术，并且必须经过研究、生产和试验的证实(即攻关)，才能确定是否采用。

4.6卫星总体方案设计的主要内容:1)卫星总体方案的确定2)卫星分系统组成及其技术要求3)卫星总体性能指标正式确定4)几个典型的总体性能指标预算5)轨道或星座设计6)卫星构型设计7)卫星初样和正样研制技术流程制定8)完成关键技术项目攻关9)其他设计5.1卫星有效载荷分类:科学探测和实验类、信息获取类、信息传输类、信息基准类。

按所涉及的专业技术领域分类，可分为光学遥感器和微波遥感器。

按应用分类分为通信卫星有效载荷、气象卫星有效载荷、地球资源卫星有效载荷、海洋卫星有效载荷、导航卫星有效载荷、侦查卫星有效载荷、科学卫星有效载荷和技术试验卫星有效载荷等。

5.2各种卫星有效载荷的基本组成和工作原理:【通信卫星：转发器和天线】天线接收上行信号，送到转发器对信号进行加工，再由天线将加工后的信号作为下行信号发出，完成通信信号的中继转发。