卫星总体方案设计概要.ppt

2020/5/31,第1页,三、卫星总体方案设计,2020/5/31,第2页,飞行器现代设计方法卫星总体方案设计,3.1概述,3.2总体性能参数预算与分配,3.3卫星轨道设计,3.4卫星构型设计,3.5卫星可靠性设计,2020/5/31,第3页,卫星总体方案设计概述,所谓设计，便是创制某一产品之前的构思和体现这一构思结果的过程工程设计是指设计人员应用自然规律，通过分析、综合和创造思维将设计要求（系统要求）转化为一组能完整描述系统的参数（文档或图纸）的活动过程,2020/5/31,第4页,卫星总体方案设计概述,卫星设计是指设计人员应用航天动力学、结构力学、工程热物理、工程控制论、电子技术、计算机技术、推进技术等学科知识通过分析综合和创造思维，将设计要求转化为一组能完整描述卫星的参数的过程。,2020/5/31,第5页,卫星总体方案设计概述,制造,设计要求,概念设计（ConceptualDesign）,初步设计（PreliminaryDesign）,详细设计（DetailDesign）,外部设计,总体设计,2020/5/31,第6页,卫星总体方案设计概述,A阶段(可行性论证阶段)：完成概念设计最佳方案的选择、可行性验证、技术解决方法的定义。,要完成任务合理的卫星配置是什么？研制中有什么难点(重大成本、计划和技术问题)？应该做哪些主要的比较研究和分析？花费的成本是多少？需要多长时间？,2020/5/31,第7页,卫星总体方案设计概述,B阶段(详细定义阶段)：详细定义系统和分系统设计细节，产生分系统需求和设计规范，进行关键部件的研制。,完成任务的最佳卫星设计方案是什么？为什么？所包含的风险是什么？实现的计划是什么？成本估算是多少？是否有为确保计划所必需的长周期项目？,2020/5/31,第8页,卫星总体方案设计概述,C/D阶段(初样产品研制阶段)：完成所有的设计和分析、准备制造图纸和特定项目、完成所有的开发和定量测试以及制造飞行硬件和验收测试。,完成各阶段的系统级功能测试；热试验模拟测试；力学环境测试？与地面战的通信链路的检查？任务模拟和环境实验？,2020/5/31,第9页,卫星总体方案设计概述,E阶段(飞行产品研制阶段)：完成系统正样设计、飞行产品生产、各类环境试验、发射实施和射前测试以及在轨测试及应用维护。,2020/5/31,第10页,卫星总体方案设计概述,卫星总体设计：广义而言，是指以卫星系统为对象的所有设计活动与技术协调活动。,狭义地讲，是指在概念研究、可行性论证以及方案设计阶段与卫星系统有关的设计活动。,2020/5/31,第11页,卫星总体方案设计概述,“管中窥豹”结构在设计过程中的演变,详细设计专注于每一个细节尺寸与参数,初步设计表示出截面变化,概念设计仅仅是一个平面！,“简单任务”？,2020/5/31,第12页,卫星总体方案设计概述,卫星总体方案设计的基本任务：将卫星的需求转变为对卫星的设计要求，把设计要求具体和明确为设计任务书。选择和确定实现整体功能输出和适应外部环境的卫星内部结构,卫星总体方案设计的基本点：获得所需的功能和适应外部环境。,2020/5/31,第13页,卫星总体方案设计概述,（决定的费用）,（消耗的费用）,2020/5/31,第14页,卫星总体方案设计概述,2020/5/31,第15页,卫星总体方案设计概述,总体设计阶段所占时间相对较短，但需要作出大量的关键决策投入的人员和花费相对较少，但却决定了一颗卫星大约80%的全寿命周期成本,2020/5/31,第16页,卫星总体方案设计概述,高度的综合性综合考虑设计要求的各个方面，进行不同学科专业间的权衡与协调从孤立专业的角度设计出的飞机,气动力把机身、发动机等降低气动效率的部件统统去掉！,动力装置飞机？“会飞的发动机”？！,重量重量工程师的梦想航模飞机？,布鲁恩米勒,2020/5/31,第17页,卫星总体方案设计概述,反复循环迭代的过程,概念设计流程,参数选择与权衡研究,设计分析,设计方案,设计要求,“DesignWheel”,2020/5/31,第18页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,卫星总体性能参数的分类与确定,卫星质量特性参数质量特性参数包括重量、质心和转动惯量。,有效载荷性能参数有效载荷性能参数的选择，是总体方案可行性论证是否能完成用户提出的任务要求的最主要参数。,卫星轨道特性决定卫星的轨道形状、高低以及卫星在空间运动的方向和飞行时间,2020/5/31,第19页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,卫星总体性能参数的分类与确定,卫星电源系统参数电源功率、蓄电池容量以及供电电压等,卫星姿轨控精度参数控制精度和控制稳定度,着陆速度返回式卫星，着陆速度参数。,2020/5/31,第20页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,(1)目标分辨率：1m（500km高度轨道）(2)成像幅宽：100km(3)高程精度：5m(4)目标定位精度：10m,2020/5/31,第21页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,2020/5/31,第22页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,2020/5/31,第23页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,功能分析：卫星的功能是卫星个组成部分协同作用和有序工作的结果，卫星与外部环境的适应关系也需由卫星各组成部分相互配合才能实现，因此必须将指标分解到各分系统。,卫星总体性能指标的分配是将定量化表示出的卫星功能或性能以及规定了的与外部环境的关系，分解或转化到各分系统的设计工作。,2020/5/31,第24页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,把卫星各项主要功能自上而下按层次逐级分解为若干功能成分。,2020/5/31,第25页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,功能流程图通过对功能逐级分解得到，能展示各功能间的时间逻辑顺序关系。,2020/5/31,第26页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,2020/5/31,第27页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,设计余量的处理：卫星的研制过程中有不可预见的事情发生，且随着研制工作的推进和深入，部分指标有上升趋势，故指标分配要留有适当余地。,技术新或复杂成分多的项目，设计余量要较大;,设计阶段越靠前，设计余量要较大;,设计师的经验丰富，设计余量留得适当。,2020/5/31,第28页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,卫星分系统间存在线性的关系，也存在非线性的关系，设计指标中有加和性和相干性的指标，不同的设计指标采用不同的分配方法：,有些指标不存在分配，如卫星轨道要素；,有些指标可以直接进行分配，如卫星质量;,还有一些要经过分析和转换后才能分配，如卫星的准确度指标和可靠性指标;,2020/5/31,第29页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,总体方案的数学模型是在确定了卫星内部结构的基础上，用数学表达式来描述卫星总体设计各变量间的相互作用和因果关系，用于总体设计优化。,总体方案的数学模型就是把对卫星的设计限制作为约束条件通过设计变量或功能(性能)变量的一组不等式表示出来，把最能反映主要设计要求的量做为目标函数，形成可用数学手段求解的数学模型。,2020/5/31,第30页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,设计变量：各种尺寸、轨道要素，,功能变量：地面分辨率、定位精度，卫星功能是卫星内部组成和外部环境相互作用的结果。,设计变量与功能变量之间的关系,设计变量满足约束关系，如运载能力、寿命,目标函数,2020/5/31,第31页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,多学科优化MDO(MultidiscipinaryOptimization),多学科优化结果形式如下：,2020/5/31,第32页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,2020/5/31,第33页,卫星总体方案设计总体性能参数确定与分配,2020/5/31,第34页,3.3、卫星轨道设计,2020/5/31,第35页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,卫星在外层空间实现对地面服务的功能，其前提在于使卫星达到并运行于某一适合任务需求的空间轨道。由卫星轨道和星座表征的卫星在外层空间的分布情况和运动规律，决定了卫星在外层空间和空间覆盖的性能。卫星轨道设计与外部工程环境、运行环境、返回环境以及技术和经济环境的关系密切，还直接影响到卫星的内部结构。,2020/5/31,第36页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,2020/5/31,第37页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,轨道J2长期摄动,2020/5/31,第38页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,轨道J2长期摄动,2020/5/31,第39页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,太阳同步轨道,2020/5/31,第40页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,太阳同步轨道,2020/5/31,第41页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,回归轨道,2020/5/31,第42页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,H=700Km,Period98min,i=98.8,2020/5/31,第43页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,卫星轨道方案设计遵循的基本原则：满足卫星执行的航天任务的需求，适应卫星的外部环境，可为卫星及其各分系统的功能实现创造良好的条件。,2020/5/31,第44页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,卫星轨道设计的出发点：满足任务需求,对地观测任务：高的地面分辨率，近地近圆轨道，可见光成像，800Km左右太阳同步轨道,空间科学探测：探测较深远的空间，一般采用大偏心率椭圆轨道,通信卫星任务：保证覆盖大范围，一般采用高轨道；为了保证连续通信，需要星座。,2020/5/31,第45页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,卫星轨道设计的出发点：满足任务需求,导航卫星任务：减少大气阻力摄动，保持多普勒频移和降低传递误差，选择中高圆轨道,电子侦察任务：兼顾定位精度和轨道寿命，选择400-500Km近圆或圆轨道,返回式卫星任务：近地圆轨道，返回时刻卫星的瞬时轨道面内包含预定的着陆场。,2020/5/31,第46页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,卫星轨道设计的出发点：满足任务需求,2020/5/31,第47页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,外部环境对轨道设计的制约关系,与运载器和发射场的关系：运载性能、费用影响卫星的入轨方式和星上分系统设置；发射场的地理位置、允许射向影响轨道和卫星方案；,与测控网的关系：轨道设计时需要考虑地面测控系统的布局和性能,与应用系统的关系：卫星成果需传输或送回地面，保证成果有效地为地面利用。,2020/5/31,第48页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,外部环境对轨道设计的制约关系,与外层空间环境的关系：稀薄大气对卫星产生阻力影响轨道寿命；内、外辐射带对卫星造成不良影响；,与外部技术、经济环境的关系：卫星成果需传输或送回地面，保证成果有效地为地面利用。,2020/5/31,第49页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,卫星轨道设计的主要要求,地面覆盖要求：全球？局部；连续？间断。,2020/5/31,第50页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,卫星轨道设计的主要要求,星下点复现要求：对地相同地区周期性观测,2020/5/31,第51页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,卫星轨道设计的主要要求,星下点复现要求：对地相同地区周期性观测,2020/5/31,第52页,卫星总体方案设计卫星轨道设计,卫星轨道设计