第 4 章 总体设计

空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计第四章卫星总体设计§4.1概述§4.2任务分析§4.3卫星可行性总体方案论证§4.4卫星总体方案设计§4.5总体详细设计§4.6总体设计展望§4.7卫星总体设计中应注意的问题空间飞行器总体设计§4.1概述1.卫星总体设计的概念航天器总体设计是指为完成航天任务规定的目标所开展的以航天器为对象的一系列设计活动。航天器总体设计是航天器研制的顶层设计，是用系统工程的原理和方法，提出并优选航天器的总体方案、分系统方案，拟定、协调、优选和控制航天器的各项参数和性能指标，设计出能满足任务要求的、达到规定技术指标的、满足成本与研制周期要求的航天器。航天器总体设计贯穿于整个航天器工程论证和工程研制过程中，主要分为任务分析、总体方案可行性论证、总体方案设计、总体详细设计四个阶段。总体详细设计又分为总体初样设计和总体正样设计。空间飞行器总体设计§4.1概述2.总体设计的任务在规定的研制周期和成本情况下，设计能满足用户特定任务要求的、优化的航天器。将用户要求转化成由若干分系统组成的系统，形成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；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、电气的和程序的接口兼容，最终完成总体方案设计；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)；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。航天器总体设计在航天器研制过程中一直起着主导性和决策性的作用。主要表现在：（1）定大局；（2）定方向；（3）定方案；（4）定功能；（5）定指标；（6）定规范；（7）定接口；（8）定状态；（9）定流程；（10）定结论。空间飞行器总体设计空间飞行器总体设计§4.1概述3.基本设计原则1）满足用户需求的原则卫星总体设计必须以用户需求或国家的特定需求为目标和依据，除满足特定的使用性能指标要求外，还要满足用户提出的研制周期和成本要求。2）系统整体性原则卫星是一个复杂的系统，它是由相关的组成部分(分系统、子系统或独立部件)有机地组合成的一个整体。卫星总体设计一定要服从系统的整体性规律，不仅从卫星的整体功能和性能出发，而且应从航天大系统的整体功能和性能出发，把握各组成部分之间的相互联系和相互协调，进行系统分解和综合两方面的技术协调。空间飞行器总体设计§4.1概述3.基本设计原则3）系统层次性原则系统的另一个性质就是它的层次性。层次性原则就是要处理好工程大系统、航天器总体及分系统之间的关系。总体设计的任务是把用户下达的任务要求作为主要设计依据，把上一层次(大系统)经选择和认证的各系统的各种接口作为约束条件，经系统方案论证确定系统构成、分系统方案选择、性能分析、指标分配、制定接口要求，最后向各分系统研制单位下达任务书。卫星总体设计中要广泛了解各个层次的组成、各组成部分的功能及其之间的相互关联，但主要精力要放在卫星系统本级设计上，在设计中要处理好本层次与上、下层次的关系。空间飞行器总体设计§4.1概述3.基本设计原则4）卫星研制阶段性原则卫星系统研制和应用过程大致可分为设计、制造、发射和应用4个阶段。卫星总体设计又可大致分为任务分析、可行性总体方案论证、总体方案设计和总体详细设计4个阶段。卫星的阶段性是由于卫星系统的整体性和层次性而产生的一项固有的特性。而且由于卫星系统还要适应外界环境要求(通过鉴定试验)，所以其详细设计还要分成初样设计和正样设计两个阶段。卫星总体设计阶段是系统工程客观上存在的先后顺序，前一阶段工作未做完，则后一阶段工作无法进行；如果一定要办，不但办不好，而且会出现差错和返工。空间飞行器总体设计§4.1概述3.基本设计原则5）创新性和继承性原则卫星总体设计中必须发挥创新性，提高卫星总体性能。但创新必须建立在继承的基础上，决不能为创新而创新。在卫星总体设计中要遵循整体优化的原则，不要把精力集中在或过多地用在某些局部的创新上。处理好继承和创新的关系，才是创新性发挥的主要任务。6）效益性原则卫星研制成本很高，为了获得最高的效益，总体设计要通过优化设计，最有效地利用现有的技术成就进行最佳的组合，提高可靠性，缩短研制周期，降低研制成本，使卫星研制以最少的代价，达到用户对系统的功能和性能的要求。空间飞行器总体设计§4.1概述4.总体设计模式现有树形工作模式空间飞行器总体设计4.总体设计模式网络形状工作模式空间飞行器总体设计5.方案论证设计工作的组织机构空间飞行器总体设计§4.1概述6.对卫星总体设计的要求1）空间环境适应性适应热真空和辐照等环境。卫星在轨运行时处于真空环境，其热环境十分恶劣；同时还受到各种空间辐照(电子、质子、紫外、宇宙射线等)和微流星以及空间碎片的威胁。在总体设计中，除对各分系统提出耐受空间环境要求外，还要设计合理的外形和布局，以保证卫星具有良好的散热面和防护空间辐照措施。克服太阳、月亮和地球非球形等的摄动。卫星大多需要有轨道修正能力，在总体设计中要给予保证。空间飞行器总体设计§4.1概述6.对卫星总体设计的要求2）大系统中各组成系统的约束运载火箭的约束。在总体方案设计中，根据卫星总质量大小，选择合适的运载火箭。一旦选定了运载火箭，就要反过来约束卫星总体设计：要求卫星质量尽量小；要求卫星与火箭接口协调；卫星在运载火箭发射过程中要经受火箭发动机产生的振动、冲击、过载以及气动产生的噪声等力学环境，因此，总体构型设计要充分考虑力学环境的影响，使主承力构件传力路线短，并完成鉴定级和验收级试验条件和要求设计。空间飞行器总体设计§4.1概述6.对卫星总体设计的要求2）大系统中各组成系统的约束地面测控船站的约束。它包括地面测控船站对测控频段、测控体制、测控船站的位置和控制弧段的约束等。发射场的约束。它包括卫星与发射场之间相互技术协调要求。在总体设计中主要考虑发射场的地理位置和射向要求对卫星入轨的影响。地面应用系统的约束。地面应用系统的频段、信息传输和性能指标的要求等约束卫星总体性能的参数。空间飞行器总体设计§4.1概述6.对卫星总体设计的要求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，如采用备份措施、选用成熟技术、对分系统提出适当的可靠性要求等。要考虑安全性和风险性。卫星研制和发射的风险很大。因此，在总体设计中，要充分考虑安全性和风险性，如：对推进剂贮箱设计提出一定的安全系数要求；对火工品管理器采取多重保险措施；对卫星进行动力学响应分析和试验，避免共振等。空间飞行器总体设计§4.1概述6.对卫星总体设计的要求4）高度自主控制性能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。这样可减小地面测控站的负担，并减少人为差错引起的故障。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。这样，可提高跟踪测量精度，增加跟踪和通信的覆盖率。空间飞行器总体设计§4.1概述6.对卫星总体设计的要求5）制定研制技术流程卫星系统工程是一个非常复杂的工程，而且研制成本高、周期长、风险大，因此在总体设计初期就要遵循卫星研制阶段性原则，制订研制技术流程，以达到整体优化的目标。6）满足公用平台的设计要求研制一颗新型卫星的周期需要5-8年，而卫星研制发射成功后，其结构、电源、姿态和轨道控制、推进、测控和热控等分系统所形成的平台还可继续用于其他新研制的相同类型和规模的卫星。为了缩短研制周期、降低成本，在总体设计时应将卫星平台有目标地设计成能适应多种有效载荷的公用平台。空间飞行器总体设计§4.2任务分析工程论证阶段工程研制阶段立项评审总体方案设计分系统方案设计总体详细设计分系统详细设计反馈优化反馈优化空间飞行器总体设计§4.2任务分析1.用户任务要求与初步分析用户任务要求的提出可以有两种形式：基于社会某方面的需要提出研制某种卫星，由研制部门提出方案，经与用户协商后申报立项，批准后开始研制；由用户提招标书，研制部门经分析提出方案去投标，中标后开始研制。用户任务要求一般包括：任务、定义、明确使用技术指标、经费预算（招标时不提供）与研制周期。空间飞行器总体设计§4.2任务分析1.用户任务要求与初步分析1）任务定义任务定义包括：地面应用和业务管理系统的配套研制要求；卫星平台；某些公司的产品或设备；在轨交付。任务定义明确了任务对象，提供了卫星的最基本的任务要求。同一种卫星，其任务定义不同，它的任务对象或多少是不同的。空间飞行器总体设计火灾卫星的任务目标基本目标：在近实时条件下，对美国全境的森林火灾进行检测、确定和监视。从属目标：向公众表明正在采取积极措施控制森林火灾；收集森林火灾爆发和发展的统计数据；对其他国家的森林火灾进行监视；收集其他森林管理数据。航天任务一般有几个目标。有的是可以由规定的一组仪器设备实现的从属目标；有的则是附加的目标，需要更多的仪器。几乎所有的航天任务都有一个通常由非技术性的从属目标组成“隐藏的计划”。这些目标一般是政治的、社会的或是文化的，具有同样的实现、同样重要的意义，必须满足。空间飞行器总体设计特性相关的任务利用的程度任务举例全球覆盖通信导航气象侦察某些已是成熟的产业；未来的进步主要表现在星上处理能力越来越强国际通信卫星导航星诺阿星舰队通信卫星超越大气层全波段科学观测已充分发展；航天观测将继续极大地改变我们对宇宙的认识空间望远镜γ射线观测站高级Χ射线天文设施失重环境空间材料加工目前处于幼年期，将来可能得到大规模应用空间工业设施丰富的资源空间工业化小行星探测太阳能卫星基本上没有利用空间移民太阳能卫星对空间自身的探索月球和行星探测科学探测小行星和彗星任务已完成初步的飞越任务某些着陆任务已经完成或在计划中；载人研究载入月球或火星基地阿波罗飞船伽利略探测器不同的航天任务所利用的空间特性空间飞行器总体设计§4.2任务分析1.用户任务要求与初步分析2）卫星使用的技术指标为将任务目标（内容）转换为对系统的要求，主要考虑三个方面：功能要求：确定系统满足目标要求的性能指标。运营要求：确定为完成总体目标系统应如何运营，如何与用户连接。约束条件：限制了成本、时间进度以及系统设计者可获得的实施技术。以通信卫星为例，使用技术指标主要内容有：通信覆盖区、转发器数量、饱和功率通量密度(Ws)、接收品质因素(G/T)、等效全向辐射功率(EIRP)、定点位置、卫星寿命、卫星寿命末期可靠性等。系统要求影响系统要求的典型因素举例：火灾卫星功能要求:性能覆盖率响应能力附属任务基本目标，有效载荷体积，轨道，指向轨道，扫描宽度卫星数，时间进度通信结构，数据处理延时，运营情况同上4个温度级别分辨率30米，定位精度500米在美国大陆每天覆盖7.5亿英亩在30分钟内将寄存的任务数据发送给最多50个用户4个温度级用于虫害管理运行要求:持续时间有效性存活能力数据分配数据内容，形式和格式实验或运营情况，冗余度，高度冗余度轨道，器件加固，电子线路通信结构用户需求，数据处理的级别和位置，有效载荷任务至少运营10年不考虑气象因素，有效率为98％，最多停止工作时间为3天仅考虑自然环境的辐射将数据发送给全球范围的最多500个火灾监视机构和2000个林场（最多同时100个用户）根据12个测绘基准确定火灾的位置和范围；给出30平方米网格上的平均温度任务最高层的系统要求举例系统要求影响系统要求的典型因素举例：火灾卫星约束条件：成本时间进度管理规定政治因素环境接口发展的制约因素载人飞行，航天器数目，尺寸和复杂性，轨道技术准备的程度，项目大小法律和政策主持者，是否国际项目轨道，卫星寿命用户和运营者基础设施的级别主持机构包括研究开发费用在内每年低于2千万美元在5年内达到初期运营能力在6年内达到最终运营能力航宇局任务对公众要求作出反应自然环境通