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