基于LEO衛(wèi)星設(shè)計(jì)

《空間技術(shù)圖書館》是一系列高水平的研究書籍，涉及與空間任務(wù)有關(guān)的各種重要問題。從任務(wù)分析和設(shè)計(jì)開始，通過對(duì)航天器結(jié)構(gòu)的描述，到航天器姿態(tài)的確定和控制，涵蓋了廣泛的與空間有關(guān)的主題。通過美國空軍學(xué)院的空間技術(shù)系列提供了《空間技術(shù)圖書館》的一些優(yōu)秀卷。叢書的質(zhì)量是通過其總編輯和備受尊敬的編輯委員會(huì)的努力保證的?！犊臻g技術(shù)圖書館》的圖書由歐空局、美國宇航局和美國國防部贊助。

本文是《空間技術(shù)圖書館》系列圖書《LEO衛(wèi)星設(shè)計(jì)》的簡(jiǎn)要描述，為航天或衛(wèi)星通信從業(yè)人員提供閱讀概覽。

前言

1991年出版的《空間任務(wù)分析與設(shè)計(jì)》是第一本全面論述空間與航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的著作。它仍然是關(guān)于這個(gè)主題最全面的書。雖然后來的版本確實(shí)涵蓋了一些航天器硬件設(shè)計(jì)問題，但本書的主要重點(diǎn)是空間任務(wù)的分析和設(shè)計(jì)，而不是航天器硬件本身的設(shè)計(jì)。

自1991年以來，人們對(duì)近地軌道航天器的興趣大大增加，從事這一領(lǐng)域的年輕工作者的數(shù)量也大大增加。隨著立方體衛(wèi)星的出現(xiàn)，今天建造和發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量激增。這本書，低地球軌道衛(wèi)星設(shè)計(jì)，旨在補(bǔ)充空間任務(wù)分析和設(shè)計(jì)。它專注于航天器硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并打算為新一批太空愛好者提供他們?cè)O(shè)計(jì)太空硬件和軟件所需的工具。在本書的最后，給出了一個(gè)航天器的設(shè)計(jì)問題。我們鼓勵(lì)讀者用書中提供的電子表格和方程式來完成問題所提出的設(shè)計(jì)，從而肯定所有在本書中所學(xué)到的知識(shí)。

作者簡(jiǎn)介

Alex Chuchra獲得機(jī)械工程碩士學(xué)位。在他的整個(gè)職業(yè)生涯中，他一直從事航天器熱分析和設(shè)計(jì)工作，先是在RCA/GE/Martin Marietta，后來在Swales和Orbital-ATK工作。在成為一名獨(dú)立承包商后，他繼續(xù)在福特航空航天公司、仙童公司、洛克希德馬丁公司和美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心的許多航天器上工作。他參與了GOES-R系列、quick TOMS、Indostar、CGS Wind and Polar、GPS-2R、TOPEX、GOES-1系列、Satcom-Ku等航天器的熱設(shè)計(jì)工作。他是《航空航天公司航天器熱控制手冊(cè)》的特約作者。他向讀者介紹了設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素、邊界熱情況以及這些因素影響航天器設(shè)計(jì)的方式。

Steve Fujikawa持有Stanford University的機(jī)械工程碩士學(xué)位和Cornell University的機(jī)械和航空航天工程學(xué)士學(xué)位。他的專長是航天器姿態(tài)確定和控制系統(tǒng)，他為許多大型航空航天公司和聯(lián)邦政府的大多數(shù)機(jī)構(gòu)(包括美國宇航局和國防部)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。他是Maryland Aerospace, Inc.的創(chuàng)始人兼總裁，該公司生產(chǎn)立方體衛(wèi)星、小衛(wèi)星、子系統(tǒng)和組件，包括用于成本敏感應(yīng)用的集成ADACS系統(tǒng)。

Nicholas Galassi獲得伍斯特理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)士學(xué)位。他在職業(yè)生涯的前十年從事軍用飛機(jī)的結(jié)構(gòu)分析，如F/A-18和A-6F攻擊戰(zhàn)斗機(jī)和AV8B鷂式噴氣式飛機(jī)。他花了三十年的時(shí)間對(duì)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。他的經(jīng)驗(yàn)包括管理工程小組和為超過18個(gè)空間項(xiàng)目提供分析支持。Galassi先生創(chuàng)立了自己的分析咨詢公司，為NASA、DOD和私人航天器項(xiàng)目提供支持。他對(duì)這本書的支持為工程師分析典型航天器任務(wù)的航天器、儀器和部件結(jié)構(gòu)提供了指導(dǎo)。

George Sebestyen在麻省理工學(xué)院獲得電子學(xué)博士學(xué)位。他的研究領(lǐng)域包括雷達(dá)、數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)、語音帶寬壓縮、信號(hào)處理和視頻圖像分析自動(dòng)化。他曾管理E-Systems公司的一個(gè)部門的研究活動(dòng)，后來又管理利頓工業(yè)公司的研究活動(dòng)。在國防部長辦公室工作了一段時(shí)間后，他擔(dān)任了國防研究與工程主任的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)助理主任，之后他回到了工業(yè)界。

他是Sanders Associates(現(xiàn)為BAE)的系統(tǒng)工程首任副總裁，然后是該公司雷達(dá)和軍械部門的總經(jīng)理，后來是聯(lián)邦系統(tǒng)集團(tuán)的集團(tuán)副總裁。該集團(tuán)由六個(gè)部門組成，在電子產(chǎn)品的大多數(shù)方面都有非常廣泛的產(chǎn)品。該集團(tuán)開發(fā)和制造(1)空軍和海軍飛機(jī)電子對(duì)抗設(shè)備;(二)聲納浮標(biāo)和反潛信號(hào)處理器、顯示器和海洋浮標(biāo);(三)陸軍對(duì)空搜索雷達(dá);(4)飛機(jī)、直升機(jī)紅外對(duì)抗;(五)飛機(jī)、船舶、潛艇的通信攔截和DF系統(tǒng);(六)指揮控制系統(tǒng)。

Sebestyen后來成為波音航空航天公司工程部的副總裁。這個(gè)8200人的師和它的測(cè)試設(shè)施為戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和空中預(yù)警機(jī)提供工程。該部門還負(fù)責(zé)許多大型航天器項(xiàng)目。

隨后，Sebestyen創(chuàng)辦了自己的公司——防務(wù)系統(tǒng)公司(Defense Systems, Inc.)，生產(chǎn)監(jiān)視系統(tǒng)和航天器。該公司現(xiàn)在是軌道atk公司的一部分，建造了34個(gè)不同的航天器，重量在50-3300磅之間。

這本書是基于他的經(jīng)驗(yàn)，旨在幫助航天器硬件設(shè)計(jì)師和建設(shè)者。

本書概覽

這本書是為實(shí)際動(dòng)手的航天器設(shè)計(jì)師群體所用。它不提供對(duì)地球環(huán)境、天體動(dòng)力學(xué)或航天器任務(wù)設(shè)計(jì)的全面處理，僅涵蓋了航天器硬件設(shè)計(jì)所必需的內(nèi)容。這本書假定宇宙飛船的任務(wù)已經(jīng)被定義和指定。在最后一章中，給出了一個(gè)示例問題供讀者解決。

第1章空間環(huán)境描述了磁場(chǎng)、重力加速度、太陽輻射和反照率輻射。這些都是量化的，這樣衛(wèi)星設(shè)計(jì)者就可以利用它們來開發(fā)電力、姿態(tài)控制和推進(jìn)系統(tǒng)，還可以計(jì)算ADACS和推進(jìn)系統(tǒng)必須克服的大氣阻力和尖端扭矩。

圖1 地球磁場(chǎng)

第2章衛(wèi)星任務(wù)介紹了各種類型的軌道、衛(wèi)星和小型近地軌道衛(wèi)星數(shù)量的增長。本章還詳細(xì)介紹了成像衛(wèi)星和成像衛(wèi)星的設(shè)計(jì)。給出了設(shè)計(jì)方程和圖形。本章最后討論了衛(wèi)星星座，將單個(gè)衛(wèi)星部署到它們的站點(diǎn)和站點(diǎn)維護(hù)的方法。

圖2 從太陽上看到的極地軌道、傾斜軌道、太陽同步軌道和橢圓軌道

第3章軌道與航天器相關(guān)幾何，首先定義航天器軌道要素，獲得衛(wèi)星地面軌道、地面站訪問時(shí)間和每次通過時(shí)的仰角。它涵蓋了最常用的幾何關(guān)系，軌道周期，各種最小仰角的通過持續(xù)時(shí)間，遠(yuǎn)離航天器地面軌道的地面站如何看到航天器，以及地面站對(duì)地面軌跡的最接近點(diǎn)(CPA)如何影響通過持續(xù)時(shí)間和峰值仰角。

圖3 軌道元素說明

第四章電力子系統(tǒng)設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹了獲取軌道平均功率(OAP)和電池容量的過程。討論了如何獲得一組太陽能電池板產(chǎn)生的瞬時(shí)和軌道平均功率，最后給出了一個(gè)電力分系統(tǒng)的框圖。

圖4 典型的電力子系統(tǒng)框圖

第5章討論航天器的頻率分配、調(diào)制類型和前向糾錯(cuò)。給出了不同誤碼率和調(diào)制類型所需的Eb/No。建立了典型航天器天線和大型碟形地面站的射頻鏈路方程與仰角的關(guān)系。描述了各種天線及其增益模式。本章總結(jié)了隨著鏈路余量的變化而改變數(shù)據(jù)速率以及在高增益和低增益天線之間切換來增加航天器吞吐量的方法。

圖5各種調(diào)制和FEC的BER-Eb/No曲線

第6章簡(jiǎn)要介紹了C&DH、ADACS和圖像或?qū)嶒?yàn)處理數(shù)字計(jì)算機(jī)的選擇。

圖6分布式航天器處理器架構(gòu)的示例

第7章描述了各種ADACS系統(tǒng)，以及如何將任務(wù)需求轉(zhuǎn)化為ADACS需求。然后討論了各種姿態(tài)控制系統(tǒng)、重力梯度、俯仰偏動(dòng)量、三軸零動(dòng)量和自旋穩(wěn)定系統(tǒng)。介紹了ADACS的組成、軟件開發(fā)、集成和測(cè)試以及在軌檢驗(yàn)。

圖7三軸零動(dòng)量ADACS的功能圖

第8章航天器軟件描述了軟件體系結(jié)構(gòu)、航天器軟件執(zhí)行的功能以及如何實(shí)現(xiàn)這些功能。本章最后討論了軟件開發(fā)方法。

圖8軟件架構(gòu)和軟件模塊

第9章介紹了航天器的各種結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)缺點(diǎn)以及詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析過程。

圖9 LCROSS和LRO的衛(wèi)星堆棧

第10章展開機(jī)制描述了太陽能電池板和天線展開以及運(yùn)載火箭分離的常用機(jī)制。

圖10 保留-釋放機(jī)制的性質(zhì)

第11章推進(jìn)介紹了冷氣體和肼推進(jìn)系統(tǒng)，計(jì)算了航天器快速部署到其空間站所需的德爾塔V，以及在星座內(nèi)跟上空間站。

圖11 冷氣體推進(jìn)系統(tǒng)原理圖

第12章熱設(shè)計(jì)描述了熱平衡方程，通過應(yīng)用表面處理和創(chuàng)建導(dǎo)電和輻射路徑來改變航天器熱性能的方法。介紹了建立航天器熱模型、進(jìn)行溫度預(yù)測(cè)、將模型預(yù)測(cè)與熱真空試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的方法。本章以一個(gè)點(diǎn)設(shè)計(jì)的例子作結(jié)。

第13章討論了輻射強(qiáng)化、冗余和可靠性。還討論了屏蔽、冗余的使用和計(jì)算可靠性。

圖12 可靠性框圖

第14章集成與測(cè)試描述了集成航天器的過程，并討論了組件和系統(tǒng)級(jí)測(cè)試程序。

圖13 典型的集成和測(cè)試時(shí)間表

第15章運(yùn)載火箭和航天器接口描述了幾種運(yùn)載火箭的特性以及航天器將看到的振動(dòng)環(huán)境。航天器的設(shè)計(jì)必須能容納這些。介紹了作為主載荷和次載荷的航天器的機(jī)械接口。

圖14沃洛普斯飛行設(shè)施（WFF）的典型安塔瑞斯發(fā)射剖面

第16章地面站和地面支持設(shè)備描述了地面站的功能和航天器設(shè)計(jì)者必須知道的地面站操作的那些方面。

圖15 到GS航天器的位置和距離，仰角和方位角

第17章宇宙飛船操作介紹了宇宙飛船運(yùn)行時(shí)的功能和一些顯示器。

圖16衛(wèi)星位置、通信軌跡和通信接入時(shí)間

第18章低成本設(shè)計(jì)和開發(fā)描述了降低航天器成本的程序和項(xiàng)目管理技術(shù)。

?組建一個(gè)有能力的小團(tuán)隊(duì)

?制定一個(gè)簡(jiǎn)短的時(shí)間表

?快速果斷地做出重大權(quán)衡和技術(shù)決策

?在制造和設(shè)計(jì)之間進(jìn)行明智的并行實(shí)踐

?不要拖延或不必要的分析

?不要讓任何人拖慢您的速度

?項(xiàng)目經(jīng)理應(yīng)該在項(xiàng)目中運(yùn)行程序，而不是在矩陣組織中運(yùn)行

?與客戶保持和諧的關(guān)系

第19章系統(tǒng)工程和項(xiàng)目管理描述了從需求流程到子系統(tǒng)規(guī)范的系統(tǒng)工程過程。它還給出了權(quán)衡分析的例子。描述了開發(fā)文檔過程，并描述了各種報(bào)告，如PDR和CDR。工作說明和工作分解結(jié)構(gòu)的一個(gè)非常詳細(xì)的例子給出。

第20章航天器設(shè)計(jì)實(shí)例從客戶對(duì)航天器的技術(shù)要求出發(fā)，描述了航天器硬件設(shè)計(jì)的航天器初步設(shè)計(jì)過程。我們鼓勵(lì)讀者根據(jù)這些要求進(jìn)行他或她自己的觀點(diǎn)設(shè)計(jì)。

第21章可下載的電子表格描述了航天器設(shè)計(jì)中經(jīng)常需要的29種計(jì)算。這些電子表格可以下載并適應(yīng)設(shè)計(jì)師的具體要求。

《空間技術(shù)圖書館》系列圖書為電子書，Springer出版社官方圖書鏈接：Space Technology Library | Book series home (springer.com)。

美國作為全世界第一大航天強(qiáng)國，在航天器設(shè)計(jì)、數(shù)字系統(tǒng)工程、項(xiàng)目管理等方面，值得我們學(xué)習(xí)。希望國內(nèi)相關(guān)單位在星地一體化、載人登月計(jì)劃、火星探測(cè)、南天門計(jì)劃等系列重大項(xiàng)目實(shí)踐中，科學(xué)組織、有序推進(jìn)、勇攀高峰。