空间飞行器设计-第10讲.ppt

1、1,第10讲,航天器的基本组成,2,近地空间环境的特点： 高真空、强辐射、超低温背景、冷热交变 航天器完成预定的空间任务，需有若干不同 功能的分系统。,专用系统：不同航天器装有不同的专用系统，随 航天任务而异。,通用系统：指所有航天器均需安装的功能相同的系统。主要有：结构系统、温度控制系统、控制系统、电源分系统、天线分系统、无线电分系统等。,3,10.1 结构分系统,航天器结构外形与仪器总体布局及总装有关，同时也与姿态控制方式密切相关。,功用：在满足总体布局要求前提下，构成卫星整体；在静态情况下承受卫星载荷，支承卫星；在动态情况下传递运载火箭和远地点发动机的推力，承受各种力学环境载荷。,4,1

2、0.1.1 卫星的结构外形,一、 不用整流罩和用整流罩的卫星,大部分是用整流罩的，卫星构形不受运载火箭气动外形的影响，只要能放置在整流罩所包容和容许的空间之内。,不用整流罩时，卫星就是运载火箭的头部。卫星的外形必须满足星箭组合体在发射段的气动特性要求。,5,6,二、不同姿态控制方式的卫星构形,1. 自旋稳定控制卫星的构形,特点：1) 卫星整体呈绕自旋轴的对称结构; 2) 自旋星体上一般贴有太阳能电池片； 3) 对圆柱形卫星，一般要求直径大于高度，以提高对自旋轴的转动惯量。,7,8,结构简单，不需要携带能源，易于稳定，可靠性高的优点。在早期的中小型人造天体上应用较多。如美国的信使、先驱者5号、探

3、险者1号至7号卫星上，都采用了自旋稳定姿控系统。 自旋稳定的缺点是控制精度较低，大约在15间，并且只有固定不变的方向，没有调整机动的余地。,9,2.重力梯度稳定控制卫星的构形,利用卫星各部分质量所受到的不相等的引力等因素产生的重力梯度力矩来稳定卫星姿态。 特点：设有一根顶端置有一定质量的重力杆，重 力杆长度一般大于卫星高度。 设置重力杆的目的是获得足够的控制力矩。为使卫星能装入整流罩，要做成可伸展的结构。,10,11,重力梯度稳定， 精度3,12,13,重力梯度稳定仅适用于控制精度要求不高的人造天体。例如导航卫星。 重力梯度稳定最大的优点是不需要任何电源，也不需要姿态敏感器，因而这种控制方法简

4、单、可靠、经济，特别适宜于长期运行。 其缺点是控制精度较低。美国在子午仪导航卫星、头两颗测地卫星和应用技术卫星中都运用过这种稳定方式。,14,3. 三轴稳定控制卫星的构形,无明显构形特点，构形比较自由。,系统由下列3个子系统组成： 姿态敏感器：指向敏感对象（地球、太阳、特定恒星等）； 姿态控制器：冷气、发动机、飞轮系统 姿态控制执行器：在俯仰、偏航和滚动三个轴各装一对推力相反的共6个推力器,15,16,法国地球观测卫星,17,三轴稳定，精度0.2,18,三、其它方式的卫星构形,1. 单太阳帆板卫星的构形,太阳帆板只安装在卫星的一个侧，也就是说要求一侧对太阳而另一侧不对太阳的构形。因为卫星有效载

5、荷上有制冷设备。,19,中巴资源卫星,20,21,2.有合成孔径雷达的对地观测卫星的构形,特点：合成孔径雷达具有一副大的、展开 式帆板天线。载有合成孔径雷达的 卫星在构形上至少有两副大的帆板 式构件。,载有合成孔径雷达的卫星其两副大的帆板式构件功能各异。其中一副对地，为雷达天线；另一副对太阳，为太阳能电池帆板。,22,23,24,3. 搭载卫星的构形,在运载火箭发射主卫星时有富裕的载荷质量和箭头空间，允许顺便搭载发射的卫星。 此类卫星的构形受运载火箭所规定的搭载条件（允许的尺寸、质量和外形等）、规定的装配和接口等制约。 搭载卫星的构形因其所搭载的运载器的条件而呈现多样性，无一般规律性。,25,

6、但对一定的运载火箭，所能搭载的卫星构形相对而言是规范化的。,26,10.1.2 卫星结构的分类 卫星是由各种结构组件组合而成的，这些结构按其功能可作如下分类：,1. 外壳结构,保证所要求的结构外形、及必要的表面性质，如对光或无线电波的反射、吸收等。同时，外壳结构应能抵御空间高能粒子的辐射。,2. 承力结构： 传递火箭推力，是承受卫星的超重等载荷的主要承力件。,27,3.密封结构： 主要承受内压。其功能是在宇宙空间环境内，人工建立一个适宜的环境，使其保持一定的温度、气压等，供某些精密仪器安装，和保证其正常工作。另有各种液体和气体容器等密封结构。,4. 能源仪器安装面结构： 提供仪器设备安装所必需

7、的安装面。保证仪器的安装精度，要有足够的强度、刚度来保证变形不超过容许限度。,28,5. 能源结构： 主要指安装电池的结构，包括固定结构和能收拢、展开太阳能电池帆板的结构。应能保证在发射过程中及入轨后结构本身和电池不受损坏并能正常供电。,6. 天线结构： 如鞭状天线、拉杆天线、喇叭形天线、抛物面形天线结构等。其设计有多种特殊要求。如抛物面天线结构要求在剧烈的温度变化下热胀冷缩尽量小。,29,7. 防热结构： 防止卫星回收时高温传入结构内部，这是返回式卫星的一个主要部分。 除此以外，还有连接和分离装置（保证其与运载火箭的连接与分离），以及其他重要机构，如太阳能电池帆板的锁紧和伸展机构、各种舱门的

8、铰链机构等。并不是所有卫星均具有上述结构。 结构还可按力学性能分为：柔性、刚性、半刚性结构。,30,10.2 温度控制分系统,卫星空间运行环境：270oC深冷空间。 主要热源有：太阳辐射热、地球红外辐射热和地球反射热，星内仪器自身发热及相互之间的传热。 为保证其仪器工作正常，需进行温度控制。,星内仪器有不同的温度要求：电池、固体远地点发动机等。,31,10.2.1 无源温度控制,1. 无源被动式控制,(1)喷涂涂层,不同材料涂层有不同的吸收率 和辐射率，在仪器表面喷涂这些材料，如镀金、喷涂白漆、黑漆、铝粉漆等。或者通过金属材料的表面机械加工的办法来获得所需的 / 系数比，如机械抛光、电抛光、阳

9、极化处理等。,32,(2). 包敷隔热材料,铝薄膜和网格相间组成的一种多层隔热材料。,远地点发动机、推进剂箱和管路、消旋组合件、天线。,(3). 机械导热 增大散热面积，利用热管。,33,2. 无源主动式控制,利用双金属片作为热敏元件，依靠两种不同金属具有不同温度时的热胀冷缩特性，来开关仪器表面的百叶窗。,10.2.2 有源温度控制,采用加热器来控制仪器温度，要消耗星上功率。 加热器一般用钪铜丝或钪铜片制成，安装在仪器表面时，要用聚酰亚胺薄膜绝缘。,34,10.3 控制分系统,任务：姿态控制和轨道控制,10.3.1 姿态控制方法,1. 自旋稳定法： 有单自旋和双自旋稳定。,特点：容易实现，成本

10、低，但易受地磁场、地球重力场或太阳光压等干扰产生的影响，卫星自旋速度会渐渐减慢，导致自旋轴倾斜或摆动，需要采取措施矫正。,35,36,自旋稳定法,探索者1号(Explorer 1),双自旋结构,37,2. 重力梯度稳定法,38,重力梯度杆伸展,39,3. 磁力稳定法,利用地球这个大磁场和磁铁同性相斥、异性相吸的特性。在卫星一个面上装上一个电磁铁,以使有磁铁的一面永远指向地球。 缺点：易受磁场变化的影响；由于卫星与地球相距遥远，地磁对卫星的吸引也很弱，故控制能力较弱。,40,4. 三轴稳定法,由与星固连的三根轴俯仰轴、偏航轴和滚动轴来确定卫星的姿态。星体本身不自转，但依靠卫星上的一些气体喷嘴、反

11、作用轮和测量姿态偏差用的感应元件，使卫星在三个轴向上维持稳定的取向。 俯仰轴控制卫星的上下摆动； 偏航轴控制星体正对轨道路线； 滚动轴控制向轨道左右摆动和倾斜。,41,三轴稳定法可分两类： 偏置动量法：为双自旋稳定法的改进型。自旋部分采用飞轮。 零动量稳定法：三个稳定轴都装有飞轮。,42,5. 姿态传感器,是用于判断卫星姿态的一种装置。 有利用天体位置传感的太阳传感器、恒星传感器； 利用地球物理现象传感的红外线传感器、地磁姿态仪； 利用无线电信标的电波极化面传感器； 利用惯性的陀螺仪等。,43,44,卫星上的南北两个红外线传感器，其夹角为6.5 。卫星自旋时，传感器对地球扫描，可感知地球辐射波

12、长在5m以上的红外线。由温度（3K300K）探知地球的边缘，并发出一脉冲信号。每扫描一次具有两个边缘点，当卫星姿态正确时，该南北两个脉冲同时；当卫星自旋轴倾斜时，两脉冲具有相位差。 三轴稳定卫星一般用红外线传感器探测俯仰和滚动误差，而用太阳传感器探测偏航误差。,45,46,10.3.3 轨道控制方法,轨道控制的范围很广。如变轨控制、轨道校正、轨道保持、交会、对接、返回再入和落点控制等。这里主要是指轨道保持。 轨道保持即克服摄动影响，使卫星某些参数保持不变的控制。 对地静止卫星的轨道控制主要靠星体上的轴向喷嘴和横向喷嘴来完成。其中轴向喷嘴控制纬度方向的漂移，横向喷嘴控制经度方向的漂移（即环绕速度

13、发生变化）。,47,目前，卫星位置控制的精度可达 1以内。,48,10.4 电源分系统,电源分系统堪比卫星的心脏。 卫星的特性要求电源分系统具有体积小、重量轻、效率高、寿命长，高稳定地输出足够的电能的特点。 星上能源系统由一次能源、二次能源和供配电、电缆网组成。 一次能源包括太阳能电池、蓄电池和控制器等。实用通讯卫星一次能源采用物理电源和化学电源联合供电方式 。,49,50,1. 硅太阳能电池,在宇宙空间，每分钟辐射到近地空间的太阳能约1400W/m2。 硅太阳能电池是一种由高效能的光电变换元件制成，将太阳能转变为电能的装置。常见的是NP型单晶硅半导体做成的矩形小薄片，有2020,2040,4040mm2多种。 一般先由5片串联再几组并联而构成电池阵。,51,52,2. 化学电池,常用镍镉（NiCd）。在卫星进入阴影区时使用，与太阳能电池并接。 非星蚀时，蓄电池被充电；星蚀时，蓄电池需供电，故充放电次数多（50006000次/年），要求循环寿命高。 镍氢（Ni-MH）电池是20世纪90年代发展起来的，具有高能量、