卫星工程概论(上)——马佳

卫星工程概论马佳2018.12.24目录1.卫星工程概论2.地球空间环境的影响3.卫星总体设计4.卫星轨道5.卫星有效载荷6.卫星结构与机构7.卫星热控制8.卫星姿态和轨道控制卫星工程概论1卫星工程概论航天与卫星工程航天是指进入、探索、开发和利用太空（即地球大气层以外的宇宙空间，又称外层空间）以及地球以外天体的各种活动的总称。航天技术空间应用空间科学研究基础提出发展需求开发和利用各种空间资源可以获得和丰富人类发展所需的三大资源，即信息、材料和能源卫星工程概论航天与卫星工程航天系统的组成部分：航天器航天运输系统航天发射场航天测控网应用系统卫星工程概论卫星应用与卫星应用系统卫星应用是指利用卫星技术及其开发的空间资源在国民经济、国防建设、文化建设和科学研究等领域的各种应用技术的统称。应用领域：卫星通信卫星遥感卫星导航（定位）卫星空间科学应用卫星工程概论卫星应用与卫星应用系统卫星应用系统一般有人造卫星（如通信卫星、气象卫星、导航卫星和科学卫星等）和地面应用系统及其有关系统或设备组成，是星地一体化的工程技术系统。卫星应用系统：卫星通信系统卫星气象观测（遥感）系统卫星资源勘测（遥感）系统卫星海洋观测（遥感）系统卫星导航（定位）系统卫星侦察系统卫星空间科学应用系统卫星工程概论人造卫星的分类与应用航天器无人航天器载人航天器人造地球卫星科学卫星技术试验卫星应用卫星空间探测器月球探测器行星和星际探测器空间站载人飞船航天飞机卫星式载人飞船登月载人飞船卫星工程概论卫星的系统组成卫星由若干系统划分，按照基本功能划分为有效载荷和保障系统。有效载荷：科学探测和实验类信息获取类信息传输类信息基准类卫星平台：结构与机构分系统热控制分系统电源分系统姿态与轨道控制分系统推进分系统测控分系统数据管理分系统总体电路分系统返回分系统卫星工程概论卫星和卫星工程特点卫星主要特点：运动方式惯性飞行环境条件环境恶劣工作寿命长寿可靠自动化程度高自动化程度技术密集技术密集程度高系统系统具有整体性卫星工程概论卫星和卫星工程特点卫星系统的主要特点：设计特点多学科系统设计实验特点卫星对实验依懒性强制造特点大量新技术、新材料、新工艺的指导技术管理特点采用航天系统工程卫星工程概论发展趋势0102030405060708通信卫星大功率、高频段、长寿命和大容量气象卫星高分辨遥感器，大容量存储器和数字化传输海洋卫星提高遥感器性能，增加覆盖范围地球资源卫星可控的高精度卫星平台技术小型微型采用超轻型材料、多功能结构，构建星座导航卫星新型星座设计，提高导航精度，提高信号发射率侦察卫星提高侦察技术和数据传输能力以及卫星的生存能力多功能卫星尽可能的实现一颗卫星同时具有多种功能人造卫星的发展趋势地球空间环境的影响2地球空间环境的影响航天器主要轨道的环境特征地球空间环境的影响空间环境对航天器的影响地球空间环境的影响航天器对空间环境的需求航天器对空间环境的需求可行性研究阶段空间环境的影响对航天器总体方案和决策有重要作用方案设计阶段空间环境参数是航天器设计的重要依据生产阶段在生产阶段选用元器件和材料必须考虑它们承受空间环境的能力发射阶段空间环境条件的变化是很剧烈的运行阶段航天器在轨道上运行时，需要对空间环境进行实时监测发生异常和故障阶段在航天器发生异常和故障时，需要实时的环境数据以判定或排除空间环境又发的可能性地球空间环境的影响空间环境预报与检测1.空间变化规律地球空间环境在太阳的影响下会发生剧烈的扰动且具有一定的规律性●11年变化●27天变化●突发性变化2.太阳扰动传播过程●电磁辐射●等离子体●高能带电粒子3.空间环境监测4.空间环境预报卫星总体设计3卫星总体设计概述系统学的六个基本特征：●集合性●层次性●相关性●目的性●动态性●适应性系统工程观念三个系统观念两个过程观念目的工程系统环境系统过程系统运用自然规律的工程技术过程对工程技术过程的控制过程分析和综合观念行动程序观念价值和时间观念创造思维观念实验验证观念反馈协调观念整体最优观念卫星总体设计卫星总体设计任务和原则将用户要求转化为由若干分系统组成的系统，并使该系统满足用户性能要求将卫星系统功能和参数分解到各分系统，并保证分系统之间的协调完成卫星总体详细设计提出保证要求，完成可靠性、可用性、可维修性、安全性等规范设计任务设计原则系统整体性系统层次性卫星研制阶段性创新性和继承性效益性满足用户需求卫星总体设计卫星设计特点和要求●空间环境适应性①需适应热真空和辐照环境②需修正太阳、月亮和地球产生的摄动③其他空间环境●大系统中各组成系统①运载火箭的约束②地面测控站的约束③发射场的约束④地面应用系统的约束●卫星高可靠和高安全性①满足工作寿命下的高可靠性②考虑安全性和风险性●高度自主控制功能①卫星在轨期间对姿态测量控制等动作需自主完成②卫星在轨运行期间可实现卫星对轨道的自主保持和修正③卫星对轨道和地面测量可实现实时传输●制定研制技术流程●满足公用平台设计要求卫星设计特点和要求卫星总体设计任务分析①任务定义②卫星使用技术指标③研制经费④研制周期⑤初步分析①轨道类型②轨道选择③参数优选①用户要求②现有技术③其他约束用户任务要求及初步分析卫星轨道类型和选择约束条件的确定提出总体方案关键技术分析卫星研制技术流程初步确定①总体方案设想②总体方案择优卫星总体设计任务分析几种类型轨道的应用范围轨道类型应用范围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、空间站等临界倾角大椭圆轨道（周期12h）及其星座空间环境探测和科学技术试验卫星、三颗星组网可实现高纬度地区的连续通信和广播高（约20000km）、中（约1000km）、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卫星总体设计卫星可行性总体方案论证●方案分析和综合①分系统组成及其方案选择②论证卫星使用技术③卫星构型初步设计●卫星与其他部分的接口卫星与运载火箭以及航天测控网与卫星之间的接口等●卫星性能分析①指标内容的明确②分析方法的合理运用●方案优选对卫星总体设计方案以及各分系统或总体相关项目进行分析选择最优方案●总体优化设计在保证符合总体优化设计原则的基础下选择最优设计方法●方案论证报告和技术要求①卫星总体方案的可行性报告②分系统的技术要求卫星总体设计总体详细设计•在布置和安装所有分系统的一起喝设备时，需要为各分系统提供相应的支撑、连接和固定，并保证各分系统可以满足工作要求总装设计•供配电供给卫星各分系统所需的电能并保证各分系统处于同一电位•电缆网的设计可保证各分系统正常运行•火工品管理保证火工品的每道保险都能安全供电总体电路设计卫星综合测试设计•主要测试供电和电性能的测试卫星环境模拟的制定验证卫星能否适应运载火箭和空间运行的环境卫星轨道4卫星轨道轨道动力学卫星轨道是指以天体力学规律运行，以牛顿力学为基础，卫星质心运动的轨迹。与天体运动存在着部分不同：●卫星运动可选择，运动初值由轨道设定●天体之间距离大●卫星运动角速度大●可人为施加控制力，改变轨道卫星运动方程地球非球星摄动加速度大气阻力太阳引力摄动即速度太阳光压摄动加速度控制力摄动加速度月球引力摄动加速度卫星轨道常用轨道太阳同步轨道轨道升交点赤经和平太阳赤经之间的差为不变常数回归轨道星下点轨迹周期性重叠的轨道（在轨卫星每隔相同时间就会出现在相同地方的上空）冻结轨道轨道的偏心率和近地点幅角不变地球静止轨道垂直于地球赤道上方的正圆形地球同步轨道卫星有效载荷5卫星有效载荷概述●环境的适应性●可靠性要求●满足与卫星平台间的特定关系●满足与系统之间的特定关系有效载荷技术要求●认真理解客户需求●认真研究限制条件●合理分配技术指标●仿真验证优化有效载荷一般原则●科学探测和实验类●信息获取类●信息传输类●信息基准类有效载荷分类卫星有效载荷通信卫星有效载荷●转发器分系统转发器分系统对接受信号进行降噪和信号放大再将信号转发出去●天线分系统用于卫星通信信号收发的通信天线性能参数和主要设计考虑性能参数与射频电平有关参数与频段和宽带有关参数与通信品质有关参数主要设计考虑频段、宽带、服务区覆盖等卫星有效载荷地球资源卫星有效载荷●光学成像遥感器●多光谱类遥感器●高空间分辨率类遥感器●成像光谱类遥感器●合成孔径雷达●数据传输设备卫星有效载荷卫星有效载荷气象卫星有效载荷●扫描成像仪●大气探测仪卫星有效载荷海洋卫星有效载荷●光学遥感器①海洋水色扫描仪②CCD成像仪●微波遥感器①雷达高度计②微波散射计卫星有效载荷科学卫星有效载荷●空间带电粒子探测器●空间辐射效应探测器●太阳辐射探测器卫星结构与机构6卫星结构与机构概述卫星结构是支承卫星中有效载荷以及其他各分系统的骨架●承受和传递卫星上的所有载荷●为卫星有效载荷和其他分系统提供所需的安装空间、安装位置和安装方式●为卫星有效载荷和其他分系统提供有效的环境保护●为卫星上某些特殊的有效载荷或其他分系统提供支承条件●为星尚某些特殊的有效载荷或其他分系统提供所需的物理性能卫星机构是卫星上产生动作的部件●形成和释放星上部件的连接和紧固状态●使卫星与运载火箭之间或星上各部件之间相互分离●使星上部件展开到所需位置或形状●使星上部件保持指向规定的目标卫星结构与机构卫星结构与机构的材料对材料的要求：小质量要求机械性能要求物理性能要求耐空间轨道要求材料真空出气要求制造工艺要求金属材料：铝合金、镁合金、钛合金复合材料：玻璃/环氧树脂、硼/环氧树脂、碳/环氧树脂卫星结构与机构卫星结构的设计与分析结构设计设计原则载荷确定结构分析结构优化设计设计要求结构应以足够的强度和刚度来支持星上有效载荷和其他分系统的正常工作卫星结构与机构结构试验验证●研制试验●鉴定试验●验收试验●分析验证试验静载试验正弦振动试验压力试验噪声试验随机振动试验火工品冲击试验热真空和热循环试验热结构试验卫星结构与机构卫星机构的设计与分析设计要求•性能要求•力矩裕度要求•可靠性要求•强度刚度要求•动态包络要求•小质量要求•电源要求•接口要求•环境条件要求•可操作性性要求设计原则•最简单设计方案•高的力矩裕度值•充分利用现有技术•考虑制造工艺•考虑润滑和防污染措施•进行可靠性分析•正确选择多余零部件机构设计•力矩裕度分析•可靠性分析•安全性分析•运动学或动力学分析卫星结构与机构机构试验验证●功能验证验证机构能够顺利完成各种规定的功能●空间环境验证用于验证空间环境（真空、高低温、温度交变、空间辐照等）对机构功能和寿命的影响卫星热控制7卫星热控制概述人造卫星所处的与热控制有关的环境●真空和低温●地球大气环境●太阳辐射卫星热控制卫星热设计卫星热设计卫星设计任务保证卫星在整个运行期间所有部件温度保持在规定的范围内设备温度要求常温要求恒温要求高、低温要求等温要求热设计原则妥善处理热控系统与其他分系统的矛盾具有较高的适应性尽可能的减小热控系统的质量尽可能少的消耗星上电能便于计算分析和热模拟试验工艺的可行性具有一定的可靠性降低卫星的投资费用卫星热控制卫星热设计热控系统设计热设计基本条件设计工况热措施选择考虑卫星任务及其运行参数并且考虑相应的部件布局以及使用条件卫星在轨运行情况以及发射和入轨的不确定性被动式主动式热措施选择吸热式放热辐射防热烧蚀防热简单可靠，但是效率低，质量大表面蒙皮，防热效果好，可重复使用表面覆盖烧蚀层，结构简单卫星热控制卫星热控制技术抛光喷砂涂料涂层化学涂层其他涂层被动热控技术热控涂层多层隔热系统热管相变热控材料接触热阻和导热填料泡沫隔热材料卫星热控制卫星热控制技术主动热控技术辐射式控制辐射热阻传导式控制传导热阻对流式流体对流换热制冷温度制冷能力寿命期制冷方法开式循环闭式循环辐射制冷固态制冷剂低温液体辐射制冷器卫星姿态控制与轨道控制8卫星姿态与轨道控制概述任务变轨控制轨道控制任务轨道保持返回控制轨道交会姿态控制任务姿态稳定姿态机动自旋稳定三轴稳定星上自主控制星—大