基于LEO卫星设计

《空间技术图书馆》是一系列高水平的研究书籍，涉及与空间任务有关的各种重要问题。从任务分析和设计开始，通过对航天器结构的描述，到航天器姿态的确定和控制，涵盖了广泛的与空间有关的主题。通过美国空军学院的空间技术系列提供了《空间技术图书馆》的一些优秀卷。丛书的质量是通过其总编辑和备受尊敬的编辑委员会的努力保证的。《空间技术图书馆》的图书由欧空局、美国宇航局和美国国防部赞助。

本文是《空间技术图书馆》系列图书《LEO卫星设计》的简要描述，为航天或卫星通信从业人员提供阅读概览。

 

前言

 

1991年出版的《空间任务分析与设计》是第一本全面论述空间与航天器系统设计的著作。它仍然是关于这个主题最全面的书。虽然后来的版本确实涵盖了一些航天器硬件设计问题，但本书的主要重点是空间任务的分析和设计，而不是航天器硬件本身的设计。

自1991年以来，人们对近地轨道航天器的兴趣大大增加，从事这一领域的年轻工作者的数量也大大增加。随着立方体卫星的出现，今天建造和发射的卫星数量激增。这本书，低地球轨道卫星设计，旨在补充空间任务分析和设计。它专注于航天器硬件和软件的设计，并打算为新一批太空爱好者提供他们设计太空硬件和软件所需的工具。在本书的最后，给出了一个航天器的设计问题。我们鼓励读者用书中提供的电子表格和方程式来完成问题所提出的设计，从而肯定所有在本书中所学到的知识。

作者简介

 

Alex Chuchra获得机械工程硕士学位。在他的整个职业生涯中，他一直从事航天器热分析和设计工作，先是在RCA/GE/Martin Marietta，后来在Swales和Orbital-ATK工作。在成为一名独立承包商后，他继续在福特航空航天公司、仙童公司、洛克希德马丁公司和美国宇航局戈达德太空飞行中心的许多航天器上工作。他参与了GOES-R系列、quick TOMS、Indostar、CGS Wind and Polar、GPS-2R、TOPEX、GOES-1系列、Satcom-Ku等航天器的热设计工作。他是《航空航天公司航天器热控制手册》的特约作者。他向读者介绍了设计驱动因素、边界热情况以及这些因素影响航天器设计的方式。

Steve Fujikawa持有Stanford University的机械工程硕士学位和Cornell University的机械和航空航天工程学士学位。他的专长是航天器姿态确定和控制系统，他为许多大型航空航天公司和联邦政府的大多数机构(包括美国宇航局和国防部)的发展做出了贡献。他是Maryland Aerospace, Inc.的创始人兼总裁，该公司生产立方体卫星、小卫星、子系统和组件，包括用于成本敏感应用的集成ADACS系统。

Nicholas Galassi获得伍斯特理工学院机械工程学士学位。他在职业生涯的前十年从事军用飞机的结构分析，如F/A-18和A-6F攻击战斗机和AV8B鹞式喷气式飞机。他花了三十年的时间对空间结构进行分析。他的经验包括管理工程小组和为超过18个空间项目提供分析支持。Galassi先生创立了自己的分析咨询公司，为NASA、DOD和私人航天器项目提供支持。他对这本书的支持为工程师分析典型航天器任务的航天器、仪器和部件结构提供了指导。

George Sebestyen在麻省理工学院获得电子学博士学位。他的研究领域包括雷达、数字计算机技术、语音带宽压缩、信号处理和视频图像分析自动化。他曾管理E-Systems公司的一个部门的研究活动，后来又管理利顿工业公司的研究活动。在国防部长办公室工作了一段时间后，他担任了国防研究与工程主任的战术战助理主任，之后他回到了工业界。

他是Sanders Associates(现为BAE)的系统工程首任副总裁，然后是该公司雷达和军械部门的总经理，后来是联邦系统集团的集团副总裁。该集团由六个部门组成，在电子产品的大多数方面都有非常广泛的产品。该集团开发和制造(1)空军和海军飞机电子对抗设备;(二)声纳浮标和反潜信号处理器、显示器和海洋浮标;(三)陆军对空搜索雷达;(4)飞机、直升机红外对抗;(五)飞机、船舶、潜艇的通信拦截和DF系统;(六)指挥控制系统。

Sebestyen后来成为波音航空航天公司工程部的副总裁。这个8200人的师和它的测试设施为战略和战术导弹和空中预警机提供工程。该部门还负责许多大型航天器项目。

随后，Sebestyen创办了自己的公司——防务系统公司(Defense Systems, Inc.)，生产监视系统和航天器。该公司现在是轨道atk公司的一部分，建造了34个不同的航天器，重量在50-3300磅之间。

这本书是基于他的经验，旨在帮助航天器硬件设计师和建设者。

本书概览

 

这本书是为实际动手的航天器设计师群体所用。它不提供对地球环境、天体动力学或航天器任务设计的全面处理，仅涵盖了航天器硬件设计所必需的内容。这本书假定宇宙飞船的任务已经被定义和指定。在最后一章中，给出了一个示例问题供读者解决。

第1章空间环境描述了磁场、重力加速度、太阳辐射和反照率辐射。这些都是量化的，这样卫星设计者就可以利用它们来开发电力、姿态控制和推进系统，还可以计算ADACS和推进系统必须克服的大气阻力和尖端扭矩。

图1 地球磁场

第2章卫星任务介绍了各种类型的轨道、卫星和小型近地轨道卫星数量的增长。本章还详细介绍了成像卫星和成像卫星的设计。给出了设计方程和图形。本章最后讨论了卫星星座，将单个卫星部署到它们的站点和站点维护的方法。

图2 从太阳上看到的极地轨道、倾斜轨道、太阳同步轨道和椭圆轨道

第3章轨道与航天器相关几何，首先定义航天器轨道要素，获得卫星地面轨道、地面站访问时间和每次通过时的仰角。它涵盖了最常用的几何关系，轨道周期，各种最小仰角的通过持续时间，远离航天器地面轨道的地面站如何看到航天器，以及地面站对地面轨迹的最接近点(CPA)如何影响通过持续时间和峰值仰角。

图3 轨道元素说明

第四章电力子系统设计详细介绍了获取轨道平均功率(OAP)和电池容量的过程。讨论了如何获得一组太阳能电池板产生的瞬时和轨道平均功率，最后给出了一个电力分系统的框图。

图4 典型的电力子系统框图

第5章讨论航天器的频率分配、调制类型和前向纠错。给出了不同误码率和调制类型所需的Eb/No。建立了典型航天器天线和大型碟形地面站的射频链路方程与仰角的关系。描述了各种天线及其增益模式。本章总结了随着链路余量的变化而改变数据速率以及在高增益和低增益天线之间切换来增加航天器吞吐量的方法。

图5各种调制和FEC的BER-Eb/No曲线

第6章简要介绍了C&DH、ADACS和图像或实验处理数字计算机的选择。

图6分布式航天器处理器架构的示例

第7章描述了各种ADACS系统，以及如何将任务需求转化为ADACS需求。然后讨论了各种姿态控制系统、重力梯度、俯仰偏动量、三轴零动量和自旋稳定系统。介绍了ADACS的组成、软件开发、集成和测试以及在轨检验。

图7三轴零动量ADACS的功能图

第8章航天器软件描述了软件体系结构、航天器软件执行的功能以及如何实现这些功能。本章最后讨论了软件开发方法。

图8软件架构和软件模块

第9章介绍了航天器的各种结构形式、优缺点以及详细的结构分析过程。

图9 LCROSS和LRO的卫星堆栈

第10章展开机制描述了太阳能电池板和天线展开以及运载火箭分离的常用机制。

图10 保留-释放机制的性质

第11章推进介绍了冷气体和肼推进系统，计算了航天器快速部署到其空间站所需的德尔塔V，以及在星座内跟上空间站。

图11 冷气体推进系统原理图

第12章热设计描述了热平衡方程，通过应用表面处理和创建导电和辐射路径来改变航天器热性能的方法。介绍了建立航天器热模型、进行温度预测、将模型预测与热真空试验数据相关联的方法。本章以一个点设计的例子作结。

第13章讨论了辐射强化、冗余和可靠性。还讨论了屏蔽、冗余的使用和计算可靠性。

图12 可靠性框图

第14章集成与测试描述了集成航天器的过程，并讨论了组件和系统级测试程序。

图13 典型的集成和测试时间表

第15章运载火箭和航天器接口描述了几种运载火箭的特性以及航天器将看到的振动环境。航天器的设计必须能容纳这些。介绍了作为主载荷和次载荷的航天器的机械接口。

图14沃洛普斯飞行设施（WFF）的典型安塔瑞斯发射剖面

第16章地面站和地面支持设备描述了地面站的功能和航天器设计者必须知道的地面站操作的那些方面。

图15 到GS航天器的位置和距离，仰角和方位角

第17章宇宙飞船操作介绍了宇宙飞船运行时的功能和一些显示器。

图16卫星位置、通信轨迹和通信接入时间

第18章低成本设计和开发描述了降低航天器成本的程序和项目管理技术。

•组建一个有能力的小团队

•制定一个简短的时间表

•快速果断地做出重大权衡和技术决策

•在制造和设计之间进行明智的并行实践

•不要拖延或不必要的分析

•不要让任何人拖慢您的速度

•项目经理应该在项目中运行程序，而不是在矩阵组织中运行

•与客户保持和谐的关系

第19章系统工程和项目管理描述了从需求流程到子系统规范的系统工程过程。它还给出了权衡分析的例子。描述了开发文档过程，并描述了各种报告，如PDR和CDR。工作说明和工作分解结构的一个非常详细的例子给出。

第20章航天器设计实例从客户对航天器的技术要求出发，描述了航天器硬件设计的航天器初步设计过程。我们鼓励读者根据这些要求进行他或她自己的观点设计。

第21章可下载的电子表格描述了航天器设计中经常需要的29种计算。这些电子表格可以下载并适应设计师的具体要求。

《空间技术图书馆》系列图书为电子书，Springer出版社官方图书链接：Space Technology Library | Book series home (springer.com)。

美国作为全世界第一大航天强国，在航天器设计、数字系统工程、项目管理等方面，值得我们学习。希望国内相关单位在星地一体化、载人登月计划、火星探测、南天门计划等系列重大项目实践中，科学组织、有序推进、勇攀高峰。