[科普中國]-航天器設(shè)計

設(shè)計特點

航天器設(shè)計除具有一般飛行器設(shè)計特點外，還有其自身的特點：

①航天器設(shè)計的內(nèi)容因任務(wù)不同而差異很大，如通信衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星使用轉(zhuǎn)發(fā)器、偵察衛(wèi)星配用照相機(jī)和攝像機(jī)、地球資源衛(wèi)星有遙感設(shè)備、登月飛船有登月艙等。不同用途的航天器，結(jié)構(gòu)形式幾乎完全不同。

②設(shè)計受運載器制約，軌道選擇、重量、尺寸、結(jié)構(gòu)、電氣和環(huán)境等都必須與運載器相適應(yīng)。

③與火箭設(shè)計不同，航天器的設(shè)計不僅要考慮發(fā)射和再入時的力學(xué)環(huán)境和熱環(huán)境，而且還要考慮軌道運行時的空間環(huán)境（見空間環(huán)境影響）。

④航天器需要與地面測控系統(tǒng)和用戶臺站（網(wǎng)）綜合設(shè)計，彼此協(xié)調(diào)一致，并解決遠(yuǎn)距離信息傳輸問題。

⑤長時間的連續(xù)工作對可靠性設(shè)計有更高的要求。2

設(shè)計內(nèi)容與一般飛行器設(shè)計類似，航天器設(shè)計通常分為概念性研究、可行性論證、方案設(shè)計、初樣設(shè)計和正樣設(shè)計4個階段。航天器設(shè)計的任務(wù)在于使航天器在限定重量、容積和其他制約條件下裝載盡可能多的有效載荷，能長期可靠地在軌道上運行，而需要返回的航天器又能安全可靠地返回地球。航天器的有效載荷是指完成規(guī)定航天任務(wù)的專用系統(tǒng)，這是航天器設(shè)計首先要確定的項目。航天器的主要指標(biāo)包括：功能、限定的重量和尺寸、軌道精度、壽命、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等，多次使用的航天器還有重復(fù)使用的次數(shù)。許多航天器往往在可行性論證時就要把所需要消耗的功率確定下來，并且要與地面用戶系統(tǒng)和公用艙協(xié)調(diào)一致。在此基礎(chǔ)上，確定關(guān)鍵分系統(tǒng)和部件工程實現(xiàn)的技術(shù)途徑，如廣播衛(wèi)星的高精度的軌道和姿態(tài)控制、太陽電池翼的結(jié)構(gòu)、大功率行波管等。然后經(jīng)過優(yōu)選,確定航天器的總體方案和分系統(tǒng)的方案,在完成初樣設(shè)計和試驗之后進(jìn)行正樣設(shè)計，最后完成用于正樣生產(chǎn)和使用的工程圖紙和技術(shù)文件。總體方案設(shè)計包括：外形和總體結(jié)構(gòu)、公用艙、軌道和推進(jìn)系統(tǒng)、姿態(tài)控制方式、熱控制方式、電源系統(tǒng)、跟蹤、遙測和遙控、載人和返回等各項設(shè)計內(nèi)容。2

外形和總體結(jié)構(gòu)選擇航天器結(jié)構(gòu)可分為本體和可展開構(gòu)件兩部分。先進(jìn)行本體部分的外形、尺寸和布局設(shè)計，劃分結(jié)構(gòu)艙段。外形和尺寸的確定主要取決于軌道類型、穩(wěn)定方式和運載器整流罩的空間限制。返回型航天器的外形設(shè)計主要考慮空氣動力和氣動加熱問題。自旋穩(wěn)定衛(wèi)星的外形應(yīng)對稱于自旋轉(zhuǎn)軸，三軸穩(wěn)定衛(wèi)星可以是某種對稱的多面體。航天器在結(jié)構(gòu)上通常分為幾個艙段，返回的航天器一般只有一個艙段返回，以減少再入重量。太陽電池翼、可展開天線、重力梯度桿等可展開構(gòu)件要求有較高的可靠性，以免因它們的失效而導(dǎo)致整個飛行任務(wù)失敗。2

公用艙能夠裝載不同有效載荷、完成不同飛行任務(wù)的衛(wèi)星服務(wù)艙。地球應(yīng)用衛(wèi)星由兩大部分組成：有效載荷和保證有效載荷在軌道上正常工作的服務(wù)艙（又稱保障系統(tǒng)）。執(zhí)行同一類任務(wù)的地球應(yīng)用衛(wèi)星的服務(wù)艙大體上是相同的,因而有可能設(shè)計一種公用的服務(wù)艙(即公用艙)達(dá)到一艙多用的目的。在衛(wèi)星總體和分系統(tǒng)方案設(shè)計時就進(jìn)行公用艙設(shè)計，以便在保持衛(wèi)星總重不變的條件下適當(dāng)調(diào)整服務(wù)艙的技術(shù)狀態(tài)，就能適應(yīng)不同有效載荷的要求?，F(xiàn)代應(yīng)用衛(wèi)星的公用艙已形成若干種典型的結(jié)構(gòu)形式,如四面?zhèn)缺谂c中心構(gòu)架組合的結(jié)構(gòu),以“Π”形構(gòu)件為主體的結(jié)構(gòu)。2

軌道設(shè)計和推進(jìn)系統(tǒng)根據(jù)航天器的使命來選擇最有利的運行軌道，力求消耗能量最小、控制簡單、便于地面觀測。通常軌道選擇受到火箭運載能力、制導(dǎo)精度、測控站布局和發(fā)射靶場位置的限制，往往需要在航天器上設(shè)置推進(jìn)系統(tǒng)，使它具備機(jī)動飛行、改變軌道的能力。固體火箭發(fā)動機(jī)系統(tǒng)簡單，液體火箭發(fā)動機(jī)可多次起動。大幅度地改變軌道常選用大推力的火箭發(fā)動機(jī)。為了修正軌道誤差或?qū)崿F(xiàn)長期的軌道控制，往往采用能多次起動和工作壽命長的小推力發(fā)動機(jī)，如單組元、雙組元或其他高能推進(jìn)系統(tǒng)。2

姿態(tài)控制方式為完成所擔(dān)負(fù)的任務(wù)，需要合理地選擇航天器的姿態(tài)。采用某種控制方式克服干擾力矩的影響，將航天器穩(wěn)定在預(yù)期的姿態(tài)上。常用的姿態(tài)穩(wěn)定方式有：自旋穩(wěn)定、雙自旋穩(wěn)定、重力梯度穩(wěn)定、磁力矩穩(wěn)定和三軸穩(wěn)定等方式。自旋穩(wěn)定、重力梯度穩(wěn)定和磁力矩穩(wěn)定是被動式的，精度較低。三軸穩(wěn)定是主動式的，精度較高（見航天器姿態(tài)控制）。重新改變航天器的姿態(tài)，通常也采用主動控制方式。姿態(tài)控制方式的選擇主要考慮衛(wèi)星所擔(dān)負(fù)的任務(wù)、工作壽命、軌道特性和姿態(tài)精度等要求?，F(xiàn)代大多數(shù)航天器采用自旋穩(wěn)定和三軸穩(wěn)定方式。2

熱控制方式在軌道上航天器的溫度變化很大，采用熱控制把航天器（主要是內(nèi)部儀器設(shè)備）的溫度控制在一定范圍內(nèi)，以改善儀器設(shè)備的溫度環(huán)境和減小航天器表面溫度的波動和不均勻性(見航天器熱控制)。采用自旋穩(wěn)定方式可使航天器的各部分均勻地受到日照。通過發(fā)射窗口的選擇可滿足熱控制對太陽投射角范圍和最大陰影區(qū)時間的限制。對于發(fā)熱儀器的相互影響問題，按工作程序和發(fā)熱量的不同，采取熱源合理布局、保證一定的散熱面積、設(shè)置必要的隔熱屏障、在結(jié)構(gòu)框架上布置熱管和局部采用電加熱等措施來改善熱環(huán)境。2

電源系統(tǒng)原電池 (如鋅-氧化銀電池)的重量隨工作時間和功率的增加而增大，用于小功率短期飛行的航天器。載人飛船用大功率的燃料電池供電，它產(chǎn)生的水可供航天員飲用。多數(shù)航天器用壽命較長(7 ～10年)的太陽電池陣和蓄電池供電，它的重量主要取決于所能提供的瞬時功率,一般可達(dá)103～104瓦,功率更大或遠(yuǎn)離太陽的空間探測器，一般采用核電源。自旋穩(wěn)定衛(wèi)星通常把太陽電池附在本體側(cè)表面上，構(gòu)成體裝式太陽電池陣。三軸穩(wěn)定衛(wèi)星采用對日定向的太陽電池陣電源系統(tǒng)，與體裝式相比電池利用率約提高 3倍。鎘鎳蓄電池在日照區(qū)時充電，在陰影區(qū)時供電，它的壽命可通過控制放電深度和環(huán)境溫度來提高。例如,軌道周期為100分鐘的近地軌道衛(wèi)星，放電深度一般取20%以下，而地球同步衛(wèi)星可增加到50%～60%。溫度一般控制在 0～30°C之內(nèi)。新型的鎳氫電池的壽命比鎘鎳電池長，但尚未得到廣泛應(yīng)用（見航天器電源系統(tǒng)）。2

跟蹤、遙測和遙控航天器的跟蹤、遙測和遙控設(shè)備與地面測控站一起組成航天測控系統(tǒng)，用以測量航天器的運行軌道和各分系統(tǒng)的性能參數(shù)，并對航天器進(jìn)行遙控。一般以較寬的定向波束來滿足運行時對地面測控站的覆蓋要求。2

載人和返回載人的航天器需要有一套完善的生命保障系統(tǒng)，指揮艙和軌道艙是完全密封的，有調(diào)溫、調(diào)濕、壓力控制、供氧、供氮、二氧化碳凈化和微量污染控制等環(huán)境保障設(shè)施，有供水、供食和廢物處理等生活保障系統(tǒng)（見載人航天器生命保障系統(tǒng)）。航天器的操縱系統(tǒng)應(yīng)是既可自動控制又可人工操縱的，并有顯示設(shè)備為航天員提供系統(tǒng)的工作情況。一般還有救生塔等救生設(shè)備，在出現(xiàn)發(fā)射故障時將航天員推離運載火箭。飛船和航天飛機(jī)的軌道器應(yīng)有能完成多種任務(wù)的姿態(tài)確定和控制系統(tǒng)，并能作變軌機(jī)動飛行。載人航天器還配備有人在艙外活動的設(shè)備和航天服、遙控機(jī)械臂等。一次使用的航天器多用鈍的、軸對稱旋成體外形的防熱殼作為再入體的防熱結(jié)構(gòu)，降到離地一定高度后用降落傘回收。多次使用的航天飛機(jī)，往往采用升力體式的機(jī)身、三角翼作大攻角飛行和多次使用的防熱層來解決氣動加熱問題。2

設(shè)計要求苛刻的瞄準(zhǔn)要求可能會影響航天器本體的設(shè)計，并給任務(wù)運行帶來約束。除了已知的質(zhì)量和功率約束外，必須精心設(shè)計航天器滿足飛行激光通信終端的要求。其中的一些考慮包括以下方面。

(1)平臺抖動環(huán)境：苛刻的瞄準(zhǔn)要求對航天器振動環(huán)境提出了要求，進(jìn)而對航天器質(zhì)量平衡和結(jié)構(gòu)剛度提出要求。

(2)布局：為了給激光通信終端提供一個無遮擋光學(xué)視線，可能會對航天器的布局提出多種約束。尤其是裝在航天器本體上的激光通信終端，航天器姿態(tài)必須能將其光學(xué)系統(tǒng)的視場瞄準(zhǔn)地球。如果同時還有射頻鏈路，光學(xué)系統(tǒng)視線還需同高增益天線的視軸對準(zhǔn)，以便射頻和光學(xué)下行鏈路同時工作。此外，激光通信終端的溫度控制要求也對散熱器的朝向提出了要求。

(3)姿態(tài)控制精度：航天器姿態(tài)控制的性能必須足夠高，確保姿態(tài)不確定性、控制不敏感、瞄準(zhǔn)前置角等的總和小于激光通信瞄準(zhǔn)控制子系統(tǒng)的作用范圍。而且，根據(jù)實際瞄準(zhǔn)控制回路帶寬，還可能對達(dá)到希望瞄準(zhǔn)精度的航天器最大允許姿態(tài)變化率提出約束。

(4)數(shù)據(jù)存儲和管理：為讓采用ARQ協(xié)議的光學(xué)鏈路可靠地運行，航天器上的數(shù)據(jù)存儲量必須大于RTLT加上地面數(shù)據(jù)處理時間內(nèi)的預(yù)期下行鏈路數(shù)據(jù)量。對于以幾十Mbps工作的飛行激光通信終端，這樣的數(shù)據(jù)存儲要求可能是設(shè)計時需要重點考慮的問題。3

(5)技術(shù)方面的設(shè)計要求。技術(shù)方面的總體設(shè)計要求是保證所設(shè)計的航天器能滿足用戶或社會的特定需求。而且，這些需求都是利用航天器的各種特性(如覆蓋、失重、深空探索等特性)實現(xiàn)所需要的服務(wù)功能，如通信廣播、導(dǎo)航定位、對地觀測、科學(xué)研究、載人航天、深空探測等。航天器技術(shù)方面的要求包括技術(shù)性能指標(biāo)要求、適應(yīng)各種外界環(huán)境要求、壽命與可靠性要求以及便于生產(chǎn)制造要求等。

(6)經(jīng)濟(jì)方面的設(shè)計要求。經(jīng)濟(jì)方面的設(shè)計要求包括降低成本和提高效益要求。效益包括經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。降低成本和提高效益的大小是評價航天器工程系統(tǒng)優(yōu)劣的重要因素。航天器設(shè)計師需要在規(guī)定的投資總額和投資強(qiáng)度下，設(shè)計出能夠產(chǎn)生預(yù)期效益的航天器。

在總體方案設(shè)計中，充分利用公用平臺和現(xiàn)有成熟技術(shù)是降低成本、減少風(fēng)險、提高效益的有效途徑；充分利用計算機(jī)技術(shù)，開發(fā)并應(yīng)用航天器多學(xué)科一體化設(shè)計平臺和總體仿真技術(shù)，優(yōu)化航天器設(shè)計、縮短設(shè)計周期、保證設(shè)計質(zhì)量，是提高效益的又一條有效途徑；充分利用系統(tǒng)工程觀念，使用系統(tǒng)工程方法，加強(qiáng)各方面的管理，優(yōu)化研制技術(shù)流程，縮短研制周期，提高研制質(zhì)量也是降低成本，提高效益的一條有效途徑。

(7)時間方面的設(shè)計要求。時間方面的設(shè)計要求對于任何工程系統(tǒng)設(shè)計都是很重要的要求。由系統(tǒng)工程觀念可知，一項工程如果研制周期過長，將會失去它應(yīng)有的價值。特別在市場經(jīng)濟(jì)激烈競爭中，時間方面的設(shè)計要求意義就更大。要能夠保證快、好、省的研制出滿足用戶要求的航天器是總體方案設(shè)計的一項重要目標(biāo)。能否用較短的時間研制出滿足用戶要求的航天器是評價總體方案設(shè)計好差的一個標(biāo)準(zhǔn)。

(8)風(fēng)險方面的設(shè)計要求。航天器屬于高技術(shù)、高風(fēng)險的產(chǎn)品。如何降低航天器研制在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、時間等方面的風(fēng)險，對航天器總體設(shè)計具有重要意義。技術(shù)風(fēng)險包括由于設(shè)計失誤導(dǎo)致發(fā)射失敗或航天器功能或性能指標(biāo)未能達(dá)到預(yù)定要求，大大影響使用或效益。經(jīng)濟(jì)風(fēng)險是指經(jīng)濟(jì)效益和社會效益太差，或未能達(dá)到預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。時問風(fēng)險指研制周期大大超過預(yù)定要求。總體方案設(shè)計要保證航天器研制沒有風(fēng)險或把風(fēng)險降低到可以接受的最低程度。4