航天器總體設(shè)計

1、綜合實例 CE-1,第十二章,12.1概述 12.2總體設(shè)計 12.3 軌道設(shè)計 12.4 有效載荷設(shè)計 12.5 公用平臺設(shè)計,12.1概述,嫦娥探月工程 整個探月工程分為“繞”、“落”、“回”3個階段,第一步2007年10月24日發(fā)射探月衛(wèi)星“嫦娥一號”，對月球表面環(huán)境、地貌、地形、地質(zhì)構(gòu)造與物理場進行探測,12.1概述,嫦娥探月工程 整個探月工程分為“繞”、“落”、“回”3個階段,第二步2007年至2010年，目標是研制和發(fā)射航天器，以軟著陸的方式降落在月球上進行探測。使用降落在月面上的巡視車、自動機器人探測著陸區(qū)巖石與礦物成分，測定著陸點的熱流和周圍環(huán)境,12.1概述,嫦娥探月工程 整

2、個探月工程分為“繞”、“落”、“回”3個階段,第三步2011至2020年，目標是月面巡視勘察與采樣返回，為下一步載人登月探測、建立月球前哨站的選址提供數(shù)據(jù)資料,12.1概述,四大科學目標,1. CCD立體相機搭載激光計拍攝三維影像月球地形圖 2.探測月球上元素的分布 3.任務是評估月球上土壤的厚度和氦-3的資源量 4.任務是監(jiān)測遠至40萬km范圍內(nèi)的空間環(huán)境,12.1概述,關(guān)鍵技術(shù),1）衛(wèi)星的姿態(tài)控制。因為“嫦娥一號”在正常探測時，衛(wèi)星大部分探測儀器需要對準月面，衛(wèi)星太陽帆板要對準太陽，衛(wèi)星數(shù)傳天線要對準地球，這種技術(shù)在以前的繞地衛(wèi)星飛行器當中還沒有使用過。 （2）遠距離的通訊。由于地月之間距

3、離接近四十萬公里，要完成這么遠距離通訊，涉及到衛(wèi)星上的天線要對準地球，衛(wèi)星上的放大器要有足夠的功率，地面接收站要有足夠大直徑的天線。這些技術(shù)都是中國航天所首次遇到，有一定難度。 （3）探測儀器。衛(wèi)星所載探測儀器都是根據(jù)這次科學目標新研制而成，它在后續(xù)的工作中是否能夠正常工作要面臨考驗。 （4）工作一年?！版隙鹨惶枴毙l(wèi)星設(shè)計的探測任務是工作一年，這一年工作當中對于衛(wèi)星及星載各種儀器設(shè)備的可靠性也是一個考驗,12.1概述,飛行日志,嫦娥”八大關(guān)節(jié)點：發(fā)射(24日18:05 已完成) - 入軌(24日18:30 已完成) - 變軌(第一次變軌 25日17:55 已完成)(第二次變軌 26日下午 升到

4、24小時軌道 已完成)(第三次變軌 29日 進入48小時軌道 已完成) - 奔月(10月31日 已完成) - 修正(第一次修正完成) - 制動(5日11時37分 已完成) - “放歌”(11月7日前后) - 傳回照片(11月下旬,12.1概述,領(lǐng)軍人物,總指揮：欒恩杰,總設(shè)計師：孫家棟,首席科學家：歐陽自遠,測控系統(tǒng)總設(shè)計師：于志堅,衛(wèi)星系統(tǒng)總設(shè)計師：葉培建,12.2總體設(shè)計,一、系統(tǒng)組成,12.2總體設(shè)計,1. 衛(wèi)星系統(tǒng),衛(wèi)星系統(tǒng)總指揮兼總設(shè)計師為中國空間技術(shù)研究院的葉培建院士?！版隙鹨惶枴毙l(wèi)星外形與東方紅三號衛(wèi)星相似，是一個2.0米1.72米2.2米六面的立方體，兩張?zhí)柲茈姵匕宸植荚趦蓚?cè)

5、，最大跨度達18米，它選用東方紅3號衛(wèi)星平臺并根據(jù)月球探測任務需要進行了技術(shù)改進，采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制，數(shù)據(jù)儲存?zhèn)鬏斂偭繛?9Gbit/24h，在軌壽命1年,12.2總體設(shè)計,1. 衛(wèi)星系統(tǒng),12.2總體設(shè)計,2. 運載火箭系統(tǒng),運載火箭系統(tǒng)總指揮、總設(shè)計師分別是中國運載火箭技術(shù)研究院的岑拯、賀祖明。嫦娥1號由我國長征3號甲運載火箭發(fā)射,12.2總體設(shè)計,3. 發(fā)射場系統(tǒng),載人航天發(fā)射場基本任務：為運載火箭、飛船有效載荷提供滿足技術(shù)要求的轉(zhuǎn)載、總裝、測試及運輸設(shè)施。發(fā)射系統(tǒng)總指揮、總設(shè)計師分別是西昌衛(wèi)星發(fā)射中心徐宏亮、解放軍總裝備部工程設(shè)計所于建平,12.2總體設(shè)計,4. 地面應用系統(tǒng),地面應

6、用系統(tǒng)的總指揮、總設(shè)計師分別是國家天文臺的艾國祥、李春來。地面應用系統(tǒng)是把月球探測器探測到的信息進行實際應用和開展應用研究的系統(tǒng)，負責探測器任務的規(guī)劃、探測數(shù)據(jù)的接收、解譯、探測數(shù)據(jù)的科學研究等,12.2總體設(shè)計,4. 地面應用系統(tǒng),12.2總體設(shè)計,5. 測控系統(tǒng),測控系統(tǒng)總指揮、總設(shè)計師分別是西安衛(wèi)星測控中心董德義、解放軍總裝于志堅。我國航天器測控系統(tǒng)已經(jīng)形成了以西安衛(wèi)星測控中心為中樞，以十多個固定臺站、活動測控站和遠望號測量船為骨干的現(xiàn)代化綜合測控網(wǎng),12.2總體設(shè)計,二、衛(wèi)星研制流程,初樣階段： 在初樣階段進行系統(tǒng)和分系統(tǒng)的接口協(xié)調(diào)、詳細設(shè)計和試驗驗證。完成熱控星、結(jié)構(gòu)星、電性星的投產(chǎn)

7、和試驗，其目的是確定正樣的技術(shù)狀態(tài)。結(jié)構(gòu)星采用真實的結(jié)構(gòu)件，經(jīng)過結(jié)構(gòu)/熱控模擬設(shè)備總裝后，進行整星級振動試驗；試驗完成后，進行整星熱控實施改裝成熱控星，進行熱平衡試驗；電性星由模擬結(jié)構(gòu)件和真實設(shè)備組成，用以完成不同狀態(tài)下的電性能測試和電磁兼容性試驗。進行衛(wèi)星與測控、應用系統(tǒng)的對接試驗，以及星箭地三方電磁兼容性、星箭接口專項匹配性試驗,12.2總體設(shè)計,二、衛(wèi)星研制流程,正樣階段： 在正樣階段進行正樣星設(shè)備的設(shè)計、生產(chǎn)、試驗和驗收。進行正樣星的部裝和總裝，推進系統(tǒng)檢漏、設(shè)備安裝配準和精度測量、衛(wèi)星質(zhì)量特性測試等試驗。進行正樣星的電性能測試、EMC試驗。進行正樣星的力學環(huán)境試驗和熱試驗。完成測控對

8、接試驗、應用對接試驗和星箭接口匹配性檢查。完成在發(fā)射場的總裝、電測等發(fā)射準備工作,12.3軌道設(shè)計,12.3軌道設(shè)計,12.4有效載荷設(shè)計,1.三維影像的立體相機CCD,嫦娥1號衛(wèi)星將采取與其他國家不同的思路，搭載1臺CCD立體相機和1個激光高度計，兩者結(jié)合繪制完整細致的立體月球地圖。CCD立體相機同時對衛(wèi)星飛行的前方、下方和后方進行拍照，形成三維影像,12.4有效載荷設(shè)計,1.三維影像的立體相機CCD,12.4有效載荷設(shè)計,2.激光高度計,激光高度計由激光器、望遠鏡和接收電路三部分組成。衛(wèi)星進入環(huán)月軌道后，激光高度計首先向月面發(fā)射激光束，并立刻用望遠鏡把反射回來的光束變成電信號,12.4有效

9、載荷設(shè)計,3.干涉成像光譜儀,干涉成像光譜儀可以同時獲取目標的“形影信息”和“光譜信息”，在空間遙感探測方面具有不可替代的優(yōu)勢，被譽為光學傳感器發(fā)展歷史上的一次革命,12.4有效載荷設(shè)計,4.伽馬射線譜儀,嫦娥1號衛(wèi)星將用世界先進的伽馬/X射線譜儀探測月球上14種元素的分布。通過開采月球資源，滿足人類社會的需求,12.4有效載荷設(shè)計,5.微波輻射計,微波輻射計是一種獲取場景微波特征的重要手段，通過微波的特征，其穿透性的力量，可以看穿地下，測出土壤厚度,12.4有效載荷設(shè)計,6.高能粒子探測器、低能離子探測器,太陽高能粒子探測器和低能離子探測器，將首次探測遠至4萬至40萬km間的空間環(huán)境，這些關(guān)

10、鍵科學數(shù)據(jù)，對今后深空探測器的環(huán)境防護設(shè)計具有重要的參考價值。這兩種探測器，都是用以探測太陽輻射以及其它宇宙射線的最好工具,12.5公用平臺設(shè)計,嫦娥一號衛(wèi)星整體重量2350千克，自身重量1150千克。本體尺寸為2000毫米1720毫米2200毫米。兩張?zhí)柲茈姵胤逭归_最大跨度18.1米。 作為一個復雜的系統(tǒng)，嫦娥一號衛(wèi)星由結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)，制導、導航與控制分系統(tǒng)，電源分系統(tǒng)，熱控分系統(tǒng)，測控和數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)，推進分系統(tǒng)等多個部分組成,12.5公用平臺設(shè)計,一、結(jié)構(gòu)與機構(gòu),12.5公用平臺設(shè)計,二、控制系統(tǒng),制導、導航與控制分系統(tǒng)：由測量部件（敏感器）、控制計算機和執(zhí)行機構(gòu)等構(gòu)成，

11、負責對探測器飛行路線偏差進行修正和控制，對探測器姿態(tài)進行測量和控制，對太陽能電池帆板和有效載荷進行指向控制，從而保證整個飛行期間的軌道穩(wěn)定，并保證一定的飛行姿態(tài)。我國研制出的新型紫外三軸姿態(tài)敏感器可以完成嫦娥1號三軸姿態(tài)的確定,12.5公用平臺設(shè)計,三、推進系統(tǒng),在嫦娥一號衛(wèi)星上，推進分系統(tǒng)配置了1臺大推力的變軌發(fā)動機和12臺小推力的推力器。12臺推力器分成A、B兩分支，每分支6臺互為備份。 在嫦娥一號奔月的過程中，運載火箭將衛(wèi)星送入繞地球飛行的大橢圓軌道后，衛(wèi)星的推進分系統(tǒng)就開始工作，經(jīng)過1次遠地點和3次近地點變軌，使衛(wèi)星進入地月轉(zhuǎn)移軌道，再經(jīng)過23次中途修正和3次近月制動，將探測器送入繞月

12、軌道。在隨后衛(wèi)星的1年壽命期內(nèi)，還需要定期進行位置保持控制和姿態(tài)控制,12.5公用平臺設(shè)計,四、熱控制,熱控分系統(tǒng)對星內(nèi)一般設(shè)備其溫度范圍為-1045，其設(shè)計指標由熱控分系統(tǒng)保證,12.5公用平臺設(shè)計,五、測控與星載數(shù)據(jù)管理,數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)對所有數(shù)據(jù)進行收集。嫦娥一號”所獲取的數(shù)據(jù)將源源不斷地以無線電波的方式傳送回地球，此時，中國四個觀測站形成的“甚長基線陣”，將這些無線電波接收，然后集中發(fā)送到北京總部,測控和數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)：主要包括接收/發(fā)射機、放大器和天線網(wǎng)絡(luò)等。它的主要功能是完成探測器的跟蹤、測軌、遙測、遙控和數(shù)據(jù)傳輸任務。嫦娥1號的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)使用了高增益定向天線，這種拋物面形狀的天線可

13、以轉(zhuǎn)動，保證在繞月飛行期間指向地球,12.5公用平臺設(shè)計,五、測控與星載數(shù)據(jù)管理,數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)：向各分系統(tǒng)提供時間基準及頻率標準；接收地球站發(fā)來的實時遙控指令和存儲延時指令，按時間要求分別發(fā)送給各分系統(tǒng)，產(chǎn)生執(zhí)行動作；根據(jù)事先制定好的準則，控制各分系統(tǒng)的工作狀態(tài)；根據(jù)各分系統(tǒng)的工作狀態(tài)，給地球站下傳遙測數(shù)據(jù)等,12.5公用平臺設(shè)計,五、測控與星載數(shù)據(jù)管理,數(shù)管分系統(tǒng)是二級分布式容錯計算機系統(tǒng)，由一臺上位機中央單元（Central Terminal UnitCTU）、4臺下位機遠置單元（RTU）、一臺遙控單元（TCU）、一套雙冗余的串行數(shù)據(jù)總線（Serial Data BusSDB）以及數(shù)管分系統(tǒng)軟件組成,12.5公用平臺設(shè)計,六、電源,月球探測衛(wèi)星電源分系統(tǒng)由一次電源和二次電源兩部分組成。 一次電源為太陽電池陣/蓄電池組聯(lián)合電源，其發(fā)電裝置為二翼可展開式單自由度對日定向