第 4 章 总体设计.ppt

1、,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,第四章 卫星总体设计 4.1 概述 4.2 任务分析 4.3 卫星可行性总体方案论证 4.4 卫星总体方案设计 4.5 总体详细设计 4.6 总体设计展望 4.7 卫星总体设计中应注意的问题,空间飞行器总体设计,4.1 概述,1. 卫星总体设计的概念 航天器总体设计是指为完成航天任务规定的目标所开展的以航天器为对象的一系列设计活动。 航天器总体设计是航天器研制的顶层设计，是用系统工程的原理和方法，提出并优选航天器的总体方案、分系统方案，拟定、协调、优选和控制航天器的各项参数和性能指标，设计出能满足任务要求的、达到规定技术指标的、满足

2、成本与研制周期要求的航天器。 航天器总体设计贯穿于整个航天器工程论证和工程研制过程中，主要分为任务分析、总体方案可行性论证、总体方案设计、总体详细设计四个阶段。 总体详细设计又分为总体初样设计和总体正样设计。,空间飞行器总体设计,4.1 概述,2. 总体设计的任务 在规定的研制周期和成本情况下，设计能满足用户特定任务要求的、优化的航天器。 将用户要求转化成由若干分系统组成的系统，形成系统的功能及性能参数，并使该系统满足大系统（运载火箭、发射场、测控中心和应用系统）的约束要求； 将卫星系统功能和性能参数分解到各个分系统中，经过分析和协调，保证系统和分系统之间的各种功能的、电气的和程序的接口兼容，

3、最终完成总体方案设计； 完成卫星总体详细设计(包含总装设计、总体电路设计、电性能测试和环境模拟试验要求)； 提出产品保证要求，完成可靠性、可用性、可维修性、安全性、电磁兼容性及软件等保证大纲及规范。,航天器总体设计在航天器研制过程中一直起着主导性和决策性的作用。主要表现在： （1）定大局； （2）定方向； （3）定方案； （4）定功能； （5）定指标； （6）定规范； （7）定接口； （8）定状态； （9）定流程； （10）定结论。,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,4.1 概述,3. 基本设计原则 1）满足用户需求的原则 卫星总体设计必须以用户需求或国家的特定需求为目标和依据，除满足特

4、定的使用性能指标要求外，还要满足用户提出的研制周期和成本要求。 2）系统整体性原则 卫星是一个复杂的系统，它是由相关的组成部分(分系统、子系统或独立部件)有机地组合成的一个整体。 卫星总体设计一定要服从系统的整体性规律，不仅从卫星的整体功能和性能出发，而且应从航天大系统的整体功能和性能出发，把握各组成部分之间的相互联系和相互协调，进行系统分解和综合两方面的技术协调。,空间飞行器总体设计,4.1 概述,3. 基本设计原则 3）系统层次性原则 系统的另一个性质就是它的层次性。层次性原则就是要处理好工程大系统、航天器总体及分系统之间的关系。 总体设计的任务是把用户下达的任务要求作为主要设计依据，把上

5、一层次(大系统)经选择和认证的各系统的各种接口作为约束条件，经系统方案论证确定系统构成、分系统方案选择、性能分析、指标分配、制定接口要求，最后向各分系统研制单位下达任务书。卫星总体设计中要广泛了解各个层次的组成、各组成部分的功能及其之间的相互关联，但主要精力要放在卫星系统本级设计上，在设计中要处理好本层次与上、下层次的关系。,空间飞行器总体设计,4.1 概述,3. 基本设计原则 4）卫星研制阶段性原则 卫星系统研制和应用过程大致可分为设计、制造、发射和应用4个阶段。卫星总体设计又可大致分为任务分析、可行性总体方案论证、总体方案设计和总体详细设计4个阶段。卫星的阶段性是由于卫星系统的整体性和层次

6、性而产生的一项固有的特性。而且由于卫星系统还要适应外界环境要求(通过鉴定试验)，所以其详细设计还要分成初样设计和正样设计两个阶段。 卫星总体设计阶段是系统工程客观上存在的先后顺序，前一阶段工作未做完，则后一阶段工作无法进行；如果一定要办，不但办不好，而且会出现差错和返工。,空间飞行器总体设计,4.1 概述,3. 基本设计原则 5）创新性和继承性原则 卫星总体设计中必须发挥创新性，提高卫星总体性能。但创新必须建立在继承的基础上，决不能为创新而创新。在卫星总体设计中要遵循整体优化的原则，不要把精力集中在或过多地用在某些局部的创新上。处理好继承和创新的关系，才是创新性发挥的主要任务。 6）效益性原则

7、 卫星研制成本很高，为了获得最高的效益，总体设计要通过优化设计，最有效地利用现有的技术成就进行最佳的组合，提高可靠性，缩短研制周期，降低研制成本，使卫星研制以最少的代价，达到用户对系统的功能和性能的要求。,空间飞行器总体设计,4.1 概述,4. 总体设计模式,现有树形工作模式,空间飞行器总体设计,4. 总体设计模式,网络形状工作模式,空间飞行器总体设计,5. 方案论证设计工作的组织机构,空间飞行器总体设计,4.1 概述,6. 对卫星总体设计的要求 1）空间环境适应性 适应热真空和辐照等环境。卫星在轨运行时处于真空环境，其热环境十分恶劣；同时还受到各种空间辐照(电子、质子、紫外、宇宙射线等)和微

8、流星以及空间碎片的威胁。在总体设计中，除对各分系统提出耐受空间环境要求外，还要设计合理的外形和布局，以保证卫星具有良好的散热面和防护空间辐照措施。 克服太阳、月亮和地球非球形等的摄动。卫星大多需要有轨道修正能力，在总体设计中要给予保证。,空间飞行器总体设计,4.1 概述,6. 对卫星总体设计的要求 2）大系统中各组成系统的约束 运载火箭的约束。在总体方案设计中，根据卫星总质量大小，选择合适的运载火箭。一旦选定了运载火箭，就要反过来约束卫星总体设计：要求卫星质量尽量小；要求卫星与火箭接口协调；卫星在运载火箭发射过程中要经受火箭发动机产生的振动、冲击、过载以及气动产生的噪声等力学环境，因此，总体构

9、型设计要充分考虑力学环境的影响，使主承力构件传力路线短，并完成鉴定级和验收级试验条件和要求设计。,空间飞行器总体设计,4.1 概述,6. 对卫星总体设计的要求 2）大系统中各组成系统的约束 地面测控船站的约束。它包括地面测控船站对测控频段、测控体制、测控船站的位置和控制弧段的约束等。 发射场的约束。它包括卫星与发射场之间相互技术协调要求。在总体设计中主要考虑发射场的地理位置和射向要求对卫星入轨的影响。 地面应用系统的约束。地面应用系统的频段、信息传输和性能指标的要求等约束卫星总体性能的参数。,空间飞行器总体设计,4.1 概述,6. 对卫星总体设计的要求 3）卫星高可靠和高安全性 要满足工作寿命

10、下的高可靠要求，如采用备份措施、选用成熟技术、对分系统提出适当的可靠性要求等。 要考虑安全性和风险性。卫星研制和发射的风险很大。因此，在总体设计中，要充分考虑安全性和风险性，如：对推进剂贮箱设计提出一定的安全系数要求；对火工品管理器采取多重保险措施；对卫星进行动力学响应分析和试验，避免共振等。,空间飞行器总体设计,4.1 概述,6. 对卫星总体设计的要求 4）高度自主控制性能 在轨运行期间对卫星姿态测量和控制、备份件切换、蓄电池充放电、加热器通断电等控制都需要卫星自主完成。这样可减小地面测控站的负担，并减少人为差错引起的故障。 卫星在轨运行期间对其轨道测量和控制可采用制导、导航和控制技术，自主

11、实现卫星在轨轨道保持和修正，以减少地面测控站的负担。 利用跟踪与数据中继卫星系统可自主实现卫星轨道跟踪测量和对地观测卫星大范围的数据实时传输。这样，可提高跟踪测量精度，增加跟踪和通信的覆盖率。,空间飞行器总体设计,4.1 概述,6. 对卫星总体设计的要求 5）制定研制技术流程 卫星系统工程是一个非常复杂的工程，而且研制成本高、周期长、风险大，因此在总体设计初期就要遵循卫星研制阶段性原则，制订研制技术流程，以达到整体优化的目标。 6）满足公用平台的设计要求 研制一颗新型卫星的周期需要5-8年，而卫星研制发射成功后，其结构、电源、姿态和轨道控制、推进、测控和热控等分系统所形成的平台还可继续用于其他

12、新研制的相同类型和规模的卫星。为了缩短研制周期、降低成本，在总体设计时应将卫星平台有目标地设计成能适应多种有效载荷的公用平台。,空间飞行器总体设计,4.2 任务分析,空间飞行器总体设计,4.2 任务分析,1. 用户任务要求与初步分析 用户任务要求的提出可以有两种形式： 基于社会某方面的需要提出研制某种卫星，由研制部门提出方案，经与用户协商后申报立项，批准后开始研制； 由用户提招标书，研制部门经分析提出方案去投标，中标后开始研制。 用户任务要求一般包括：任务、定义、明确使用技术指标、经费预算（招标时不提供）与研制周期。,空间飞行器总体设计,4.2 任务分析,1. 用户任务要求与初步分析 1）任务

13、定义 任务定义包括： 地面应用和业务管理系统的配套研制要求； 卫星平台； 某些公司的产品或设备； 在轨交付。 任务定义明确了任务对象，提供了卫星的最基本的任务要求。同一种卫星，其任务定义不同，它的任务对象或多少是不同的。,空间飞行器总体设计,航天任务一般有几个目标。有的是可以由规定的一组仪器设备实现的从属目标；有的则是附加的目标，需要更多的仪器。几乎所有的航天任务都有一个通常由非技术性的从属目标组成“隐藏的计划”。这些目标一般是政治的、社会的或是文化的，具有同样的实现、同样重要的意义，必须满足。,空间飞行器总体设计,不同的航天任务所利用的空间特性,空间飞行器总体设计,4.2 任务分析,1. 用

14、户任务要求与初步分析 2）卫星使用的技术指标 为将任务目标（内容）转换为对系统的要求，主要考虑三个方面： 功能要求：确定系统满足目标要求的性能指标。 运营要求：确定为完成总体目标系统应如何运营，如何与用户连接。 约束条件：限制了成本、时间进度以及系统设计者可获得的实施技术。 以通信卫星为例，使用技术指标主要内容有：通信覆盖区、转发器数量、饱和功率通量密度(Ws)、接收品质因素(G/T)、等效全向辐射功率(EIRP)、定点位置、卫星寿命、卫星寿命末期可靠性等。,任务最高层的系统要求举例,空间飞行器总体设计,4.2 任务分析,1. 用户任务要求与初步分析 3）研制经费 完成卫星研制任务所需经费与卫

15、星任务定义密切相关，如：通信卫星的转发器数量，覆盖区，Ws、EIRP、G/T参数等直接决定卫星有效载荷研制的规模，进而影响卫星平台的规模；卫星的寿命和可靠性指标影响卫星推进系统、电源分系统的设计，影响机电部件的备份方案、电子元器件的选购、可靠性试验的制定以及整星质量大小等。 4）研制周期 卫星研制周期是与前述卫星任务定义、使用技术指标、研制经费、承担卫星研制单位所具备的条件以及研制策略相关。在总体设计中应尽量采用现有公用平台、利用成熟技术、简化技术流程、减少关键技术攻关项目、优化总体设计等，来缩短研制周期。,空间飞行器总体设计,4.2 任务分析,1. 用户任务要求与初步分析 5）初步分析 初步

16、分析是明确用户任务的基本要求、找出完成用户任务的最佳技术途径、与用户协调或修改用户要求。 明确用户任务的基本要求：一是要掌握用户提出的基本任务要求，二是要分析用户要求的合理性。通过任务分析找出完成用户任务的基本技术途径，即选择卫星的轨道或星座、确定约束条件、提出若干种可行的卫星总体方案设想(包括选用成熟的公用平台或新研制的平台)。,空间飞行器总体设计,4.2 任务分析,论证火灾卫星的几项选择要素,空间飞行器总体设计,4.2 任务分析,2. 卫星总体约束条件的确定 1）用户任务要求的约束 使用技术要求 研制经费 研制周期 2）现有技术基础的限制 工业基础（原材料、元器件、加工设备、试验设备、测试

17、设备）； 技术水平（设计水平、工艺水平）； 管理能力；研制手段、人员素质。 3）其它约束条件 卫星工作频率、火箭残骸落点、离轨要求等。,空间飞行器总体设计,4.2 任务分析,3. 提出总体方案设想 1）总体方案设想 总体方案设想主要做以下工作： 选择能满足用户使用技术要求的轨道或星座； 提出能满足用户使用技术指标要求的有效载荷方案设想； 设想和初步提出可能组成卫星的必不可少的分系统，并初步提出分系统的可行方案和相互间的关系； 初步提出卫星总体性能技术指标，对质量和功耗做初步概算；,空间飞行器总体设计,4.2 任务分析,3. 提出总体方案设想 1）总体方案设想 设想和初步提出卫星的大致构型(或称

18、卫星草图)，若选择现有的公用平台，则要提出适应性修改的设想； 初步提出卫星工程系统内各系统的选择和各系统之间的相互关系； 提出卫星各分系统在总体方案设计阶段可能要突破的关键技术； 初步估计卫星的研制经费和产品经费； 初步估计卫星的研制周期。,空间飞行器总体设计,飞行任务各组成单元的一般备选对象,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,4.2 任务分析,3. 提出总体方案设想 2）总体设想方案的择优 在卫星设计过程中，应以整体优化为中心对所提出的多个设想方案进行分析、比较和评价。评价方法一般采用适合方案总体评价的综合评价法。评价重点应放在如下方面： 各总体设想方案在多大程度上可以满足卫星初步设计

19、任务书的技术指标要求； 各总体设想方案在初步设计任务书规定的经费和研制周期的限制下，有多大把握可以完成； 各总体设想方案所冒的风险大小如何； 从可行性角度看，各总体设想方案的特点、优点和缺点。,空间飞行器总体设计,下面给出火灾卫星飞行任务6个初步方案中的2个方案,空间飞行器总体设计,4.2 任务分析,4. 关键技术分析 在开展上述工作时，要对卫星总体和分系统进行关键技术分析。卫星设计可能采用的技术，从成熟程度看，可以分为成熟技术、成熟技术基础上的延伸技术、不成熟技术和新技术四类。 成熟技术是指已经过卫星在轨使用过的、沿用原有的分系统方案、部件、线路、结构等。 延伸技术是指在成熟技术基础上要进行

20、少量修改设计的分系统方案、部件、线路、结构等。 不成熟技术是指那些必须经过研究、生产和试验(即攻关)来确定它们适合在卫星上采用的技术。 新技术是指过去还没有在卫星中采用过的新技术，并且必须经过研究、生产和试验的证实(即攻关)，才能确定是否采用。,空间飞行器总体设计,4.2 任务分析,4. 关键技术分析 关键技术分析是一项很重要的工作。如果在设想的卫星总体方案中，关键技术太多，或难于攻关突破，那就说明这个方案的可行性有问题或风险太大。如果所选的卫星总体方案设想中存在有关键技术需在卫星方案设计阶段攻关突破，而在任务分析阶段没有分析提出来，则要延误卫星研制进度。 减少卫星设计中的关键技术项目和攻关工

21、作量的途径： 委托经验丰富、技术水平高的研制部门去承担研制或外购； 有计划和有目标地将一些预计可能会在卫星上采用的高、新、难技术项目预先安排攻关。,阿波罗登月计划总体方案及关键技术 （1）直接登月方案 登月飞船组合体直接发射、整体登月和返回地球轨道。 （2）地球轨道会合方案 登月组合体在地球轨道上装配、整体登月和返回地球。 （3）月球表面会合方案 登月组合体分别送至月面上，燃料加注后部分返回。 （4）月球轨道会合方案 登月组合体（登月舱+阿波罗飞船）在地球轨道上装配，整体至月球轨道，登月舱登月，登月舱上升段从月面返回至月球轨道，人员转移至阿波罗飞船，飞船返回。 关键技术：大推力火箭技术、交会对

22、接技术、月面着陆及返回,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,阿波罗飞船与登月舱,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,4.2 任务分析,5. 卫星研制技术流程的制定 卫星研制技术流程是卫星总体设计各阶段技术工作程序以及制造、测试、试验、发射、在轨测试和管理等工作程序的进一步细化。该流程制定的合理性和先进性直接关系到整个卫星研制质量、周期和成本。 卫星研制技术流程应包括反映卫星研制阶段的划分、各个阶段任务和工作内容、工作顺序、保障条件、参加单位以及注意事项。卫星的技术流程与卫星方案是否采用现有的经过飞行考验的公用平台、分系统或仪器设备而有所不同。卫星研制技术流程可提供有关部门作为制定研制(

23、设计、制造、测试和试验)计划流程、物资采购计划和安排经费等的依据。,空间飞行器总体设计,卫星研制简略技术流程图,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,1. 方案分析和综合 1）分系统组成及其方案选择 在方案论证中总体设计所选分系统的方案可各不相同，分系统方案不同将对卫星总体方案形成产生影响，特别是有效载荷、控制、推进和电源分系统对总体方案影响最大。 以姿态和轨道控制分系统为例，采用双自旋稳定和三轴稳定的不同方案，会给卫星总体方案带来截然不同的影响。如下表。 总体所选卫星有效载荷分系统方案不同对卫星总体方案的影响也是明显的。如下表。,双自旋稳定或三轴稳定对相关分系统的影响,空间飞行

24、器总体设计,不同有效载荷对卫星总体方案的影响,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,1. 方案分析和综合 2）论证实现卫星使用技术要求的途径 卫星使用技术要求对卫星总体方案的影响也是明显的。例如通信卫星只要求24个小功率放大器的转发器，用东方红三号卫星平台方案即可。若有效载荷要求比东方红三号的有效载荷转发器数量多或功率大（现在有的卫星转发器数量多达5090个），则东方红三号平台就不能用，就要重新研制新平台，其总体方案就截然不同。,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,1. 方案分析和综合 3）卫星基本构形初步设计 卫星构形设计包括外形设计（含外伸部件天线、太阳电池翼

25、等）、主承力构件类型设计和总体布局等。 在总体方案论证中，不同卫星构型设计对卫星总体方案影响也很大。例如同样容量、同样三轴稳定的通信卫星（包括覆盖区要求相同），由于卫星构型不同（特别是主承力构件不同）则卫星的总体方案也不同。下列3种方案不仅使结构分系统与整星质量比不一样，有效载荷舱的结构和布局不一样，而且有效载荷可扩充能力也不同。,空间飞行器总体设计,右图是美国劳拉公司FSl300平台，其主承力构件采用中心承力筒，两个推进贮箱串联放在承力筒内。,空间飞行器总体设计,右图是洛克希德马丁公司的A2100平台，其主承力构件采用箱板式，几个推进剂贮箱并列放在底板上。,空间飞行器总体设计,右图是休斯公司

26、的HS702平台，其主承力构件采用桁架式，几个推进剂贮箱也是并列放在底板上。,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,1. 方案分析和综合 3）卫星基本构形初步设计 与承力筒构形相比，箱板式和桁架式承力构件主要优点： 传力线路短，承受力学载荷小； 有利于有效载荷与卫星平台分舱设计； 可实现热管在南北散热面上的交叉耦合散热。 据洛克希德马丁公司专家分析，箱式结构质量较传统的承力筒式结构小40%左右；休斯的桁架式结构质量就更小。 上述三种主承力构件形式的优缺点比较见下表。,空间飞行器总体设计,三种主承力构件形式的优缺点比较,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,2. 卫星

27、与卫星工程大系统中其他系统之间的接口 1）运载火箭 卫星设计所受到运载火箭的限制： 火箭能力限制：卫星的质量、轨道及其入轨精度； 火箭整流罩尺寸限制：卫星外形最大尺寸； 火箭力学环境条件限制：卫星的整体纵向和横向刚度，卫星的结构和各分系统的仪器设备要能经受运载火箭在起飞、飞行和分离时所产生的过载、振动、噪声和冲击等； 火箭接口的限制：两者之间的机、电、热接口应协调，同时还要满足电磁兼容性要求等。,机械接口 （1）卫星对接环 （2）卫星适配器 （3）星箭压点开关 （4）星箭连接包带,航天器总体设计,机械接口 （1）卫星对接环 卫星对接环尺寸为660mm,高度80mm，通过卫星适配器与运载火箭相连

28、。,航天器总体设计,航天器总体设计,（2）卫星适配器 卫星适配器上框为660mm，高度为320mm。上框与卫星对接环连接，下框与运载火箭支撑舱连接。,航天器总体设计,（3）卫星与运载火箭的压点分离开关,航天器总体设计,（4）星箭连接包带 包括2段条带，2个无污染爆炸螺栓，V型夹块及限位装置。,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,对整流罩的要求 （1）整流罩内有效空间,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,对整流罩的

29、要求 （2）操作窗口 （3）透波要求,航天器总体设计,（4）射前罩内环境温度 射前整流罩内应具有调温、调湿、通风功能： 温度： 155 洁净度： 10万级 湿度： 3055% （5）发射飞行阶段压力变化曲线 整流罩内静压变化不大于2500Pa/s。 （6）发射飞行阶段罩内环境温度 整流罩内壁及仪器对卫星任何位置的辐射热流密度均应小于500W/m2，同时不允许气流直接冲击卫星表面。,航天器总体设计,对入轨精度、发射窗口及分离角速度的要求 （1）轨道标称值 平均轨道高度： 791.0km 轨道倾角： i=98.47 偏心率： e=0.0 降交点地方时： 6:307:00 （2）入轨精度 半长轴偏差

30、： |a|5km （3） 偏心率偏差： e 0.0035（3） 轨道倾角偏差： |i|0.1 （3） （3）发射窗口 最大发射窗口小于30分钟。,航天器总体设计,（4）分离姿态角、角速度和速度要求 |x|1.0/s (对应于运载坐标系的z轴) |y|0.35/s(对应于运载坐标系的x轴) |z|1.0/s (对应于运载坐标系的y轴) （5）分离后瞬时的相对分离速度： 相对分离速度：大于1m/s。 （6）分离角度偏差要求： |x|1.5 (对应于运载坐标系的z轴) |y|1.5 (对应于运载坐标系的x轴) |z|1.5 (对应于运载坐标系的y轴),航天器总体设计,航天器总体设计,电接口要求 （1

31、）星箭电导通要求 卫星与运载火箭通过对接环实现等电位，接触电阻小于10毫欧。 （2）卫星脱落插头分离方式 卫星脱落插头穿过运载操作窗口与卫星地面测试设备相连，卫星脱落插头在射前30分钟由卫星方进行电分离。 （3）星箭分离指令 星箭分离指令、分离装置供电由运载火箭负载。 （4）遥测信号 运载火箭提供卫星分离遥测信号及星箭分离面处的力学环境遥测参数。,航天器总体设计,飞行程序 星箭分离后卫星的测控时间。,航天器总体设计,航天器总体设计,环境与试验条件 （1）基频要求 要求卫星整体结构频率满足：一阶横向基频不小于30Hz，一阶纵向基频不小于60Hz，一阶扭转基频不小于60Hz。 （2）载荷条件 （3

32、）低频振动环境 （4）随机振动环境 （5）噪声环境 （6）冲击环境,航天器总体设计,电磁兼容性及试验要求 安全要求 （1）在吊装整流罩时，不得碰撞卫星表面； （2）抛罩时，不得有异物撞击卫星； （3）运载分离应采用无污染火工装置； （4）星箭分离时不发生碰撞； （5）箭上反推力火箭的燃气不得污染卫星。,航天器总体设计,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,2. 卫星与卫星工程大系统中其他系统之间的接口 2）航天发射场 航天发射场由技术区和发射区及其相关部分组成。卫星对技术区的总装、测试及加注等使用的厂房尺寸，空气环境，供电、气、水、推进剂，通信设备，电磁环境，安全等都有一定要求；

33、卫星对发射区吊装、测试、通信、塔架、电磁环境及气象条件等也有一定要求。这些要求经协调确定后就作为双方的制约条件。发射场的地理纬度、运载火箭射向限制(与运载能力，火箭一、二级落点限制有关)是卫星总体设计必须要考虑的约束条件。,发射场发射区布局,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,与发射塔架的接口,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,2. 卫星与卫星

34、工程大系统中其他系统之间的接口 3）航天测控网 航天测控网与卫星之间接口，如测控台站的选用、覆盖范围、测控体制、测控性能指标、测控程序、测控要求、无线电频率选择、链路特性等都要通过分析确定后作为双方的制约条件。这些条件在卫星总体设计时必须保证。 4）地面应用系统 地面应用系统对各种应用卫星是不同的：对返回式卫星，只是将卫星回收的胶片和各种搭载实验品交给各自应用部门处理和分析应用；对传输型对地观测卫星，地面应用系统需有接收卫星无线电信息及其处理等设备；对通信卫星，地面应用系统需接收和发射无线通信信息，并与地面通信网连接。,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,3. 卫星总体性能指标

35、分解与综合 1）卫星总体性能指标主要内容 以静止轨道三轴稳定通信卫星为例，卫星总体性能参数主要内容列于下表。,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,3. 卫星总体性能指标分解与综合 2）分析和综合方法 经验法是根据过去总体设计的经验和调研国内外同类型卫星的有关性能指标，结合实际进行预先分解和综合。经验法一般用于任务分析阶段和总体方案论证阶段，如各分系统的仪器设备的质量、功耗和尺寸等。 分析法是研究每一个性能指标与各有关分系统之间关联，找出影响因素，建立相关数学模型，计算有关数据，进行合理分配和综合的基本的科学方法。通过分析计算可得出合理而精

36、确的性能指标。在任务分析和方案论证阶段也要用到分析法。,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,3. 卫星总体性能指标分解与综合 2）分析和综合方法 协调法是对各种有关性能指标和相关接口，通过与卫星工程大系统及卫星各分系统之间进行技术协商和调整来确定。 协调法在卫星总体设计全过程中自始至终都要用到，只不过是前期协调工作量大，而随着卫星研制进展，协调量越来越少。,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,4. 方案优选 在找出满足用户使用技术要求的多个可行的卫星总体技术方案后，就要对多个方案进行分析、比较和评价。分析和比较的对象一般可分成两个层次： 第一层次： 以多个卫星总

37、体方案为对象； 第二层次：以分系统或总体相关项目（如轨道、构型、承力主结构、回收方案、布局和总体性能参数等）为对象。,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,4. 方案优选 分析比较的因素包括： 性能高低(如功能特性、质量、功耗、体积等 )； 方案合理性（含可行性） ； 技术复杂程度（如零部件及活动部件数量、 技术难度、工艺性等） ； 风险度； 衔接性(继承性和扩展性) ； 经济性； 研制周期长短等。,空间飞行器总体设计,通信卫星总体方案定性比较,空间飞行器总体设计,返回式卫星回收方案比较,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,4. 方案优选,空间飞行器总体设计,空间

38、飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,5. 总体优化设计 1）总体优化设计的含义 总体优化设计是指从系统观点出发，根据系统的目标和要求， 巧妙地运用优化设计理论，确定适当的系统，使其对空间、时间、 物质、能量和信息的利用率最高，从而最优地满足人们的要

39、求。 2）总体优化设计的准则 总体最优的原则 系统内各分系统协调的原则 系统和外部环境协调的原则 合理处理备份的原则 合理处理低概率事件原则 3）总体优化设计方法,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,6. 卫星可行性总体方案论证报告 总体方案论证报告一般包括以下内容： 前言(包括任务来源、任务定义、总体设计指导原则等)； 用户使用技术要求； 卫星总体性能指标； 卫星对卫星工程系统间的基本接口； 轨道选择和轨道参数优选； 分系统组成及其基本方案概述； 卫星基本构型(包括外形、内部主承力部件和布局)初步设计；,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,6. 卫星可行性总体

40、方案论证报告 卫星总体性能指标(质量、功耗、推进剂、可靠性、精度、遥测参数和遥控指令等)初步分配； 关键技术项目确定； 对可靠性、安全性和技术风险(含备份措施、降低技术风险措施)基本估计； 卫星基本研制技术流程的制定； 对卫星研制经费和周期的基本估计(配合有关部门完成)； 满足用户要求分析； 对卫星可行性方案的基本评价等。,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,7. 提出初步的分系统技术要求 1）功能和性能指标要求 性能指标要按卫星总体设计考虑的各种因素，合理地、全面地提出相关要求。如对地观测卫星有效载荷主要性能指标有：相机分辨率、数据传输速率、数据压缩比、信息存贮容量等，此外，

41、还有与卫星其他分系统(或服务系统)相关的性能指标有：尺寸、质量、功耗、寿命、可靠性、遥测参数、遥控指令等。 除结构和热控制分系统外，一般功能要求要用功能方块图表示其功能和配置要求。,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,7. 提出初步的分系统技术要求 2）接口要求 各分系统的仪器设备需要通过总装将它们安装固定在卫星 的某个位置上；通过总体电路(配电器和电缆网等)将它们的 电源和信息互相联接起来；通过热控制保证其工作温度环 境；同时要保证各种仪器设备的功能和性能正常发挥，并且 相互不受干扰；最终保证卫星整体的功能正常发挥。 为此，对卫星各分系统各个仪器设备的机、电、热等接口 进行协

42、调和设计，这项工作一直要延续到总体方案设计，甚 至到详细设计阶段才能最后完成。,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,7. 提出初步的分系统技术要求 3）环境模拟试验要求 卫星对各种环境的适应性要求需在卫星总体可行性方案论 证阶段提出初步要求。例如，不同轨道、不同寿命对电子器 件抗辐射的要求是不同的。各仪器设备经初样详细设计并制 造出来后，要按照总体设计部门提出的环境模拟试验条件和 要求进行鉴定性考核，以验证其对真实环境的适应能力。,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,8. 关键技术攻关 关键技术攻关的目的在于掌握这些技术，或者证明这些技术肯定可以通过设计制造和试

43、验工作而被掌握，从而可以在卫星总体方案中选用。关键技术的攻关往往要通过反复试验验证才能得出明确结论，花费较多的人、财、物力和时间。因此，在设计卫星时一般都力求减少关键技术项目、减少技术攻关工作。,空间飞行器总体设计,4.3 卫星可行性总体方案论证,9. 总体方案的技术实现途径 通过已有成熟卫星平台（公用平台）进行适应性改造。 继承已有成熟分系统或有效载荷。 继承成熟技术。 引进国外成熟设备、部件、器件、材料。 研制新的卫星平台。,基于公用平台的 设计方案,航天器总体设计,基于公用平台的设计方案 （适应轨道方案变化）,航天器总体设计,基于公用平台的设计方案 （适应有效载荷变化）,航天器总体设计,

44、设计实例 俄美载人航天器总体方案 比较,空间飞行器总体设计,俄美载人航天总体方案的比较 （1）载人航天器总体布局比较； （2）发射逃逸方案比较； （3）宇航员出舱方案比较； （4）返回舱方案比较； （5）返回舱再入大气层后开伞方案比较； （6）返回舱着陆方案比较； （7）空间站及月球探测航天器方案比较； （8）新一代载人航天器总体方案比较。,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,（一）载人航天器总体布局比较,空间飞行器总体设计,东方号载人飞船,空间飞行器总体设计,空间飞行器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计

45、,航天器总体设计,前苏联第三代载人飞船联盟号,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,美国第三代载人飞船阿波罗飞船,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,（二）发射逃逸方案比较,前苏联第一代载人飞船东方号,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,（三）宇航员出舱方案比较,航天器总体设计,航天器总体设计,前苏联第二代载人飞船上升号,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,美国第二代载人飞船

46、双子星座飞船,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,（四）返回舱方案比较,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,（五）再入大气层后开伞 方案比较,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,（六）返回舱着陆方案比较,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总

47、体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,双子星座飞船溅落,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,（七）空间站及月球探测航天器方案比较,航天器总体设计,航天器总体设计,联盟飞船与礼炮号空间站对接,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,阿波罗飞船与空间实验室对接,航天器总体设计,航天器总体设计,阿波罗飞船与登月舱,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,阿波罗飞船与

48、联盟飞船空间对接,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,（八）新一代载人航天器 总体方案比较,俄罗斯“快船”总体方案,航天器总体设计,航天器总体设计,俄罗斯“快船”总体方案,航天器总体设计,俄罗斯“快船”总体方案,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,俄罗斯“快船”总体方案,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,俄罗斯新一代载人飞船“罗斯”号,航天器总体设计,俄罗斯新一代载人飞船“罗斯”号的返回舱,航天器总体设计,航天器总

49、体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,美国“猎户座”飞船总体方案,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,航天器总体设计,空间飞行器总体设计,1. 总体方案设计的内容 卫星总体方案设计主要内容包括： 卫星总体方案的确定； 卫星分系统组成及其技术要求； 卫星总体性能指标正式确定； 几个典型的总体性能指标

50、预算； 轨道或星座设计； 卫星构型设计； 卫星初样和正样研制技术流程制定； 完成关键技术项目攻关； 其他设计。,4.4 卫星总体方案设计,空间飞行器总体设计,2. 卫星总体性能参数 1）卫星质量特性 卫星质量特性参数，通常包括卫星质量、质心和转动惯量等。 2）卫星轨道特性 卫星轨道是指卫星从运载火箭末级推力中止时到卫星返回地面(或陨落)之前，卫星质心运动的轨迹。卫星轨道特性参数的选择是根据卫星的使命，如何合理选取描述卫星运行的六个轨道要素，从而决定卫星的轨道形状、大小以及卫星在空间运动的方向和飞行时间。,4.4 卫星总体方案设计,空间飞行器总体设计,2. 卫星总体性能参数 3）卫星电源功率 电

51、源功率就是发电装置在卫星在轨运行过程中可能产生的电能供保障分系统和有效裁荷使用。电源功率的大小是由卫星总体设计中，根据有效载荷的种类、方案以及保障分系统的组成、方案提出的供电功率要求来研究确定。 4）卫星姿态控制参数 卫星姿态控制精度参数完全是根据卫星有效载荷工作时的要求确定的。,4.4 卫星总体方案设计,空间飞行器总体设计,2. 卫星总体性能参数 5）卫星可靠性参数 卫星总体方案设计时，根据用户提出的任务要求，必须确定所设计整星的可靠性指标。 6）卫星着陆速度 返回式卫星总体设计时，必须明确规定它返回地面时的着陆速度。不论是回收什么样的有效载荷，总是要求在着陆的瞬间，冲击小，对有效载荷的影响

52、要最小，使有效载荷不易着陆而损坏。 7）有效载荷 卫星任务不同，它的有效载荷也不同。卫星有效载荷性能参数的选择，是卫星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。,4.4 卫星总体方案设计,空间飞行器总体设计,4.4 卫星总体方案设计,3. 几个典型的总体性能指标预算 1）卫星质量预算 卫星总质量M0为 M0MG MT 式中， MG卫星的干质量； MT卫星推进剂的质量。 其中，卫星干质量MG和分配到各分系统及总装直属件的质量Mi可用下式计算： MP 平衡质量； MY 余量。,空间飞行器总体设计,4.4 卫星总体方案设计,3. 几个典型的总体性能指标预算 1）卫星质量预算 由于平

53、衡质量和余量又与各分系统仪器设备及总装直属件质量之和有关，所以上式又可表示为 式中：i卫星分系统仪器设备和总装直属件号数； n卫星分系统仪器设备和总装直属件总数； kp平衡质量分配系数(一般取0.02左右)； kY余量分配系数(一般取0.050.10)。,空间飞行器总体设计,4.4 卫星总体方案设计,空间飞行器总体设计,4.4 卫星总体方案设计,3. 几个典型的总体性能指标预算 2）卫星功率指标预算 总体设计中进行功率预算时，首先将各仪器设备功耗按性质分成长期、短期、大电流脉冲等几类负载。 大电流脉冲负载：特点是负载电流很大（功率也很大），时间很短，因此消耗蓄电池的安时容量很小，可直接引到蓄电

54、池供电。 如电爆阀门、爆炸螺栓、电磁阀、火工索等。 短期负载：特点是时间短，可按时间顺序尽量错开，降低用电高峰，有时短期负载也可使用蓄电池。 对地观测传输型卫星的一些有效载荷功率很大，但不是长期工作，可用主阵、充电阵和蓄电池同时供电。,空间飞行器总体设计,4.4 卫星总体方案设计,3. 几个典型的总体性能指标预算 2）卫星功率指标预算 光照期间总负载需求由下式给出 式中：P总负荷； PC长期工作设备总负载； PD某时期短期工作设备重叠负载； PCi第i个长期工作设备的功耗； nC长期工作设备数量； PDj第j个短期工作设备的功耗； nD短期工作设备同时工作的重叠数； 仪器设备功率转换效率(包括

55、直流变换器、充放电控制器等)； P分配余量。,空间飞行器总体设计,4.4 卫星总体方案设计,卫星电源供电可有下列3种模式： 总负载功率低于太阳电池阵主阵产生的功率（图中t1） 。 总负载功率高于太阳电池阵主阵产生的功率，但低于主阵加充电阵的总输出功率（图中t2） 。 总负载功率高于太阳电池阵 主阵加充电阵产生的功率。 图中t3时间，就是这种模式。,光照区最大功率预算示意图,PC长期工作设备总负载； PDi某时期短期工作设备重叠负载。,空间飞行器总体设计,4.4 卫星总体方案设计,3. 几个典型的总体性能指标预算 3）体积尺寸分配 各分系统的仪器设备外形尺寸要尽量小，即内部结构安排要紧凑。 各仪

56、器设备外形一般要设计成长方体，这样可充分利用星内空间，也有利于仪器设备外壳的制造。 外伸部件尺寸较大时，要设计成可折叠和展开的结构。 对仪器设备的安装尺寸（包括安装耳片位置尺寸、连接孔尺寸等）、仪器接插件的位置及外伸形体尺寸提出要求，以控制仪器设备所占星内体积并保证安装、操作的开敞性和连接强度等要求。 各分系统的仪器设备应根据其功能特性适当分块，不能过于分散，也不能尺寸过大。,空间飞行器总体设计,4.4 卫星总体方案设计,3. 几个典型的总体性能指标预算 4）精度指标分配 总体设计制定卫星性能指标时，要考虑允许的误差，以保证卫星的功能和技术指标要求在一定的误差情况下能够得到满足。 5）推进剂预

57、算 在卫星总体设计中，首先对入轨轨道参数误差、轨道机动、姿态调整和轨道摄动等进行分析，计算出所需速度增量V，并计算出所需推进剂质量 。,空间飞行器总体设计,4.4 卫星总体方案设计,3. 几个典型的总体性能指标预算 6）散热预算 卫星在总体方案设计早期要分析卫星各分系统仪器设备的散热量，提出卫星散热面布局和总散热能力要求；最后对仪器设备做散热分配，并留有一定的余量。 7）寿命指标分配 卫星寿命一般分为设计寿命、在地面贮存寿命、在轨存活等待寿命和在轨工作寿命。,空间飞行器总体设计,4.4 卫星总体方案设计,3. 几个典型的总体性能指标预算 7）寿命指标分配 对于在轨长期工作的无活动部件的仪器设备要求其设计寿命大于卫星在轨工作寿命。可用下列关系表示： TijTWG i=l,2,n；j=1,2,m 式中：Tij第i个分系统中第j仪器设备的设计寿命； i分系统号数； j仪器设备号数； n分系统总数； m分系统中的仪器设备的总数； TWG用户要求的卫星在轨工作寿命。,空间飞行器总体设计,4.4 卫星总体方案设