现代小卫星技术及应用

2023/2/6第1页一、空间飞行器概述2023/2/6第2页飞行器现代设计方法空间飞行器概述1.1

航天技术概论1.2

航天系统组成1.3

空间飞行器的分类和应用1.4

航天探索过程的灾难史1.5卫星系统组成1.6

现代小卫星技术及应用2023/2/6第3页航天技术概论

航天是指进入、探索、开发和利用太空以及地球以外天体的各种活动的总称。

航天技术：为航天活动提供技术手段和保障条件的综合性工程技术；

空间应用：利用航天技术及其开发的空间资源在不同领域的各种应用技术的统称；

空间科学：空间科学是指利用航天技术对宇宙空间的各种现象及规律的探索和研究。2023/2/6第4页航天系统组成

人类要实现航天活动，就要建立庞大的以航天器为核心的航天工程系统，简称航天系统。2023/2/6第5页空间飞行器的分类和应用

空间飞行器是在大气层以外的宇宙空间,基本上按照天体力学的规律运行的各类人造物体的统称。2023/2/6第6页卫星系统组成

卫星：进入并适应外层空间环境，能在这种特殊环境下完全自动化运行和工作，以服务于地上人类的特定需求的一类工程技术的人造物体。卫星是天上的东西是在外层空间自主运行和工作从天上服务于地面2023/2/6第7页卫星系统组成卫星是运载器系统的有效载荷；卫星是测控系统的对象；卫星应用系统是卫星服务的对象。2023/2/6第8页卫星系统组成

有效载荷是直接执行特定任务的分系统；保障系统是为有效载荷正常工作提供支持和保证的各分系统的总称，也称卫星平台。2023/2/6第9页卫星系统组成2023/2/6第10页卫星系统组成2023/2/6第11页现代小卫星技术及应用2023/2/6第12页现代小卫星技术及应用

小卫星：应用新技术和新的设计思想研制的人造卫星，具有质量轻、体积小、成本低、周期短和性能好等特点，又称现代小卫星。

设计思路的创新：现代小卫星代表一种新的发展趋势和设计思想，突破了传统的“一星多用、综合利用”的设计思想，主张简化设计，采用成熟技术和模块化、标准化的硬件。尽量减少冗余或无冗余。2023/2/6第13页现代小卫星技术及应用

设计技术的发展：多功能结构、微电子机械系统(MEMS)、高密度电子集成(SoC技术)、先进微型推进技术、纳米技术及先进软科学技术；

设计手段的进步：突破传统的分系统独立设计、采用先进的数字化设计与仿真技术实现微小型卫星设计的并行化、数字化和集成化；

空间应用的创新：卫星星座、卫星飞行编队等分布式卫星概念，扩展了微小卫星空间应用的领域。2023/2/6第14页现代小卫星技术及应用功能密度高、成本低、研制周期短快速响应、灵活布置、自主生存的能力；2023/2/6第15页现代小卫星技术及应用现代小卫星的出现是航天发展的必然趋势：

航天任务出现新的需求为微小卫星的发展提供了大社会环境；

传统大卫星具有不可克服的难题为微小卫星的发展提供了机遇；

现代新技术的迅猛发展为卫星微小型化提供了技术基础；

未来广阔的发展和应用前景为其提供了动力2023/2/6第16页现代小卫星技术及应用

对小卫星分类普遍采用的方法是利用卫星的发射质量进行分类分类质量（包括燃料）

大卫星>1000kg中型卫星500-1000kg小卫星（MiniSat）100-500kg

小卫星微卫星(MicroSat)10-100kg纳卫星(NanoSat)1-10kg皮卫星(PicoSat)0.1-1kg飞卫星(FemtoSat)<100g2023/2/6第17页现代小卫星技术及应用

小卫星的出现使得传统上与航天无缘的国家和研究机构成为小卫星设计与研制队伍中的一支主力军，进一步促进了小卫星的发展。

在众多向小卫星技术领域挺进的高等学府里，英国萨瑞大学、美国犹他州立大学、德国柏林技术大学和不来梅大学可称得上是排头兵，迄今为止已有30多所高校研制并发射小卫星。2023/2/6第18页现代小卫星技术及应用

萨瑞大学从1979年开始研制和生产小卫星，1981年成功发射UoSAT-1，1998年成功发射了第20颗卫星PICOSAT-1。

SNAP-1卫星微推力器是当前世界上最小的推力系统，重450克，燃料是丁烷。2023/2/6第19页现代小卫星技术及应用

柏林技术大学研制的Tubsat-N和TubsatN1两颗纳卫星于1998年成功发射，主要用于进行存贮转发通信技术试验，并对微型技术进行空间演示。2023/2/6第20页现代小卫星技术及应用Munin是瑞典空间物理研究所研制的科学试验纳卫星，用于探测地球南北极的极光和高能粒子，卫星重6kg。2023/2/6第21页现代小卫星技术及应用亚利桑那州立大学研制，重6kg斯福大学设计和研制，重5kg，携带5颗皮卫星ARMEMIS圣克拉拉大学

2000年1月美国国防部研究计划局（DARPA）用一箭10星发射，包括两颗50～60公斤的微型卫星，三颗10公斤级纳型卫星和五颗皮卫星（每颗小于1kg）2023/2/6第22页现代小卫星技术及应用

美国空军支持十所大学联合开发纳星计划2023/2/6第23页现代小卫星技术及应用创新技术：多功能结构

多功能结构(Multi-FunctionionalSystem)将电子线路的外科、电连接器、数据传输、封装、支架、热控等部件加以集成，与无源电子线路一起敷设在结构的复合材料中间，采用新方法将有源电子线路与机械表面直接接触，敏感器和传感器安装在表面上。综合了电、热和结构的功能，减少了分离部件。多功能结构是卫星轻量化的重要途径，也是微小型化技术的重要支撑。2023/2/6第24页现代小卫星技术及应用创新技术：多功能结构2023/2/6第25页现代小卫星技术及应用创新技术：多功能结构2023/2/6第26页现代小卫星技术及应用创新技术：多功能结构2023/2/6第27页现代小卫星技术及应用创新技术2023/2/6第28页现代小卫星技术及应用创新技术：MEMS技术微电子机械系统(MicroElectronicMechanicalSystem)是按集成电路的思路和技术制造机械装置，实现电子与机械的综合集成化。2023/2/6第29页现代小卫星技术及应用创新技术：电子集成有效载荷微推进星间测量微型敏感器传统低密度电子系统分散的信息处理单元适应各类空间任务微型惯性测量组合微空间光学探测器微推进阵列2023/2/6第30页现代小卫星技术及应用创新技术：电子集成2023/2/6第31页现代小卫星技术及应用创新技术：电子集成2023/2/6第32页现代小卫星技术及应用创新技术：MEMS技术MEMS-A&MEMS-BStensat皮卫星2023/2/6第33页现代小卫星技术及应用创新技术：微推进技术

微小卫星要进行轨道控制，特别用于编队飞行或星座应用，需要微推力系统而且整套推力系统微型重量和微功耗，推力冲量大约为1μNs（微牛秒）～1mNs（毫牛秒），整套推力系统所产生ΔV与重量比在50～100ms-1/kg。2023/2/6第34页现代小卫星技术及应用创新技术：微推进技术数字推进技术2023/2/6第35页现代小卫星技术及应用创新技术：微推进技术

气体推进器（GasThruster）

气体推进是靠推进剂储箱中工质自身的压强产生推力。目前微型卫星和纳型卫星上最常用、技术最成熟的推进方式，在Surry大学发射的多颗微型卫星中都已成功的使用。2023/2/6第36页现代小卫星技术及应用创新技术：微推进技术

脉冲等离子推进器（PulsedPlasmaThruster）

依靠电磁场加速等离子体产生推力，属于电磁式电推进，在20世纪50年代，脉冲等离子推进技术开始被发展和应用。1964年第一次在SovietZond-2卫星上使用，首次进行飞行试验。AFRL研制的µPPT样机原型2023/2/6第37页现代小卫星技术及应用创新技术：先进设计1、基于分系统的航天器设计方法航天发展初期的卫星都采用这样的设计方法，NASA80年以前的卫星，基本上都是用这样的方法设计和研制的，包括现在的有些大型卫星仍然沿用这种方法。该方法通过对卫星任务的合理分解，如姿控系统、数管系统、热控系统、电源系统、测控系统、数传系统，结构系统等，由不同的单位分别设计、研制，最终进行装配。这种方法的优点是能够很好地满足卫星的任务要求，研制组织相对简单。2023/2/6第38页现代小卫星技术及应用创新技术：先进设计2、模块化设计方法以适应多任务、降低成本、缩短周期、提高可靠性为目的卫星公用平台就是目前应用最成功、最典型的实例，国外也称模块化多任务航天器或卫星公用舱，原苏联最早使用这种设计方法，如联盟号飞船。现代小卫星也广泛使用这种设计方法，但公用模块已经延伸到分系统和单一的功能模块，如计算机、测控等等，英国萨瑞大学的小卫星甚至于在结构上也使用了模块化的方法。成功的实例还有美国的Iridium,Odyssey等。2023/2/6第39页现代小卫星技术及应用创新技术：先进设计3、一体化设计方法由于难以找到合适的公用平台，超大型卫星采用了针对有效载荷的一体化设计，它以有效载荷为核心，平台的所有分系统都是根据有效载荷的要求而优化设计的。成功的实例是美国的“哈勃”望远镜。微小卫星以一体化为其主要设计特点。其主要原因包括：*微小卫星的任务和有效载荷更加灵活、多样，难以发展公用平台技术。*设计理念的创新、设计手段和设计环境的完善使航天器的设计向一体化的方向发展。2023/2/6第40页现代小卫星技术及应用2023/2/6第41页现代小卫星技术及应用XXS-102023/2/6第42