錢航 - 衛(wèi)星設(shè)計(jì)與制造(名校大會(huì)20151227)

衛(wèi)星設(shè)計(jì)與制造

——2015年第十一屆全國(guó)創(chuàng)新名校大會(huì)報(bào)告錢航中科院國(guó)家空間科學(xué)中心博士中國(guó)航天科技集團(tuán)第一研究院第一設(shè)計(jì)部設(shè)計(jì)師2023/2/5概述空間技術(shù)概念與分類航天器的分類與系統(tǒng)組成世界航天技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史世界航天技術(shù)應(yīng)用展望2023/2/5空間技術(shù)的概念與分類

空間系指地球大氣層以外的空間，又稱“外層空間”，由于大氣密度隨高度變化，故在大氣層和外層空間之間沒有明確的分界線，一般把150公里以上的空間作為外層空間地球周圍的大氣2023/2/5空間技術(shù)的概念

空間技術(shù)—研究如何進(jìn)入外層空間、利用和開發(fā)外層空間的工程技術(shù)?；蛘呷绾螌w行器（人）送入外層空間，并在那里進(jìn)行活動(dòng)的工程技術(shù)2023/2/5空間技術(shù)的分類

空間技術(shù)的主要內(nèi)容包括如下方面：空間飛行器技術(shù)

研究、制造和發(fā)展能在空間完成各種利用和開發(fā)空間任務(wù)的空間飛行器技術(shù)。運(yùn)載技術(shù)

研究、制造和發(fā)展將空間飛行器送入外層空間，使其開始在規(guī)定的軌道上運(yùn)行的技術(shù)。地面測(cè)控技術(shù)

研究和實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行中的空間飛行器進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)量、控制和管理的技術(shù)2023/2/5航天器的分類與系統(tǒng)組成

航天技術(shù)是一門研究和實(shí)現(xiàn)如何把航天器送入空間，并在那里進(jìn)行活動(dòng)的工程技術(shù)。它主要包括航天器、運(yùn)載工具和地面測(cè)控三大部分。為了便于了解，我們首先對(duì)航天器進(jìn)行分類。同一個(gè)航天器可兼有數(shù)種任務(wù)，故機(jī)械地、絕對(duì)地分類，是不可能的。同一類航天器，往往包括了幾種系列，而每一系列又可分成數(shù)種不同的衛(wèi)星系統(tǒng)或型號(hào)2023/2/5按載人與否分類

航天器可分為無(wú)人航天器與載人航天器兩大類。無(wú)人航天器按是否繞地球運(yùn)行又可分為人造地球衛(wèi)星和宇宙探測(cè)器兩類。它們又可以進(jìn)一步按用途分類，如下圖所示?？臻g飛行器不載人載人載人飛船空間站航天飛機(jī)人造地球衛(wèi)星空間探測(cè)器衛(wèi)星式登月式科學(xué)衛(wèi)星技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星應(yīng)用衛(wèi)星月球行星技術(shù)應(yīng)用衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星2023/2/5人造地球衛(wèi)星

簡(jiǎn)稱人造衛(wèi)星，是數(shù)量最多的航天器(占90％以上)。它們的軌道長(zhǎng)度由幾百公里到幾十萬(wàn)公里。按用途它們又可分為：

1）科學(xué)衛(wèi)星

2）技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星

3）應(yīng)用衛(wèi)星2023/2/5俄羅斯新研制的GLONASS－M導(dǎo)航衛(wèi)星2023/2/5

載人航天器

目前的載人航天器只在近地軌道飛行和從地球到月球的登月飛行。今后將出現(xiàn)可以到達(dá)各種星球的載人飛船，以及供人類長(zhǎng)期在空間生活和工作的永久性空間站。載人航天器按飛行和工作方式可分為：

2023/2/5(1)載人飛船

能保障航天員在外層空間生活和工作，以執(zhí)行航天任務(wù)并能返回地面的航天器（2）空間站可供多名航天員巡訪、長(zhǎng)期工作和居住的載人航天器；（3）航天飛機(jī)可以重復(fù)使用的，往返于地面和高度在1000km以下的近地軌道之間，運(yùn)送有效載荷的航天器。2023/2/5宇宙探測(cè)器

飛出地球軌道的探測(cè)器，有行星際探測(cè)器和恒星際(飛出太陽(yáng)系)探測(cè)器兩種。其中行星際探測(cè)器按探測(cè)目標(biāo)又可分為月球和行星(金星、火星、水星、木星、土星等)探測(cè)器。如20世紀(jì)60～70年代，前蘇聯(lián)發(fā)射的“月球”、“金星”、“火星”、“水星”等系列探測(cè)器，美國(guó)發(fā)射的“水手”、“海盜”、“先驅(qū)者”、“旅行者”等系列探測(cè)器

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旅行者1號(hào)旅行者2號(hào)

2023/2/5按人造地球衛(wèi)星的功能分類

按航天器在軌道上的功能來進(jìn)行分類，就人造地球衛(wèi)星而言，可分為觀測(cè)站、中繼站、基準(zhǔn)站和軌道武器四類。每一類又包括了各種不同用途的航天器。2023/2/5

衛(wèi)星處在軌道上，對(duì)地球來說，它站得高，看得遠(yuǎn)(視場(chǎng)大)，用它來觀察地球是非常有利的。此外，由于衛(wèi)星在地球大氣層以外不受大氣的各種干擾和影響，所以用它來進(jìn)行天文觀測(cè)也比地面天文觀測(cè)站更加有利。屬于這種功能的衛(wèi)星有下列幾種典型的用途。1、觀測(cè)站2023/2/5

在各類應(yīng)用衛(wèi)星中偵察衛(wèi)星發(fā)射得最早(1959年發(fā)射)，發(fā)射的數(shù)量也最多。偵察衛(wèi)星有照相偵察和電子偵察衛(wèi)星兩種。

（1）偵察衛(wèi)星：(2)氣象衛(wèi)星：

氣象衛(wèi)星利用所攜帶的各種氣象遙感器，接收和測(cè)量來自地球、海洋和大氣的可見光輻射、紅外線輻射和微波輻射信息，再將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送給地面接收站。2023/2/5偵察衛(wèi)星照相偵察電子偵察預(yù)警衛(wèi)星圖美國(guó)偵察衛(wèi)星拍攝的轟6加油機(jī)2023/2/5

空對(duì)地成像清晰度比較0.1米0.25米0.5米1米2023/2/5風(fēng)云二號(hào)2023/2/5

資源衛(wèi)星是在偵察衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。利用星上裝載的多光譜遙感器獲取地面目標(biāo)輻射和反射的多種波段的電磁波，然后把它傳送到地面，再經(jīng)過處理，變成關(guān)于地球資源的有用資料。它們包括地面的和地下的，陸地的和海洋的等等。(3)地球資源衛(wèi)星：中巴資源衛(wèi)星資源衛(wèi)星01星工作示意圖

2023/2/5(4)海洋衛(wèi)星：

海洋衛(wèi)星的任務(wù)是海洋環(huán)境預(yù)報(bào)，包括遠(yuǎn)洋船舶的最佳航線選擇，海洋漁群分析，近海與沿岸海洋資源調(diào)查，沿岸與近海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和監(jiān)視，災(zāi)害性海況預(yù)報(bào)和預(yù)警，海洋環(huán)境保護(hù)和執(zhí)法管理，海洋科學(xué)研究，以及海洋浮標(biāo)、臺(tái)站、船舶數(shù)據(jù)傳輸，海上軍事活動(dòng)等。

2023/2/5當(dāng)然，作為觀測(cè)站的衛(wèi)星遠(yuǎn)不止以上幾種，預(yù)警衛(wèi)星、核爆炸探測(cè)衛(wèi)星、天文預(yù)測(cè)衛(wèi)星(如美國(guó)的“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡)等均屬于這一類。雖然它們的功能各有側(cè)重，但基本觀測(cè)原理都是相似的。美國(guó)的“哈勃”太空望遠(yuǎn)鏡2023/2/52．中繼站

中繼站是一種在軌道上對(duì)信息進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星。具體分為兩類：一類用于傳輸?shù)孛嫔舷喔艉苓h(yuǎn)的地點(diǎn)之間的電話、電報(bào)、電視和數(shù)據(jù)；另一類用于傳輸衛(wèi)星與地面之間的電視和數(shù)據(jù)。這種衛(wèi)星有下列幾種：美國(guó)新一代跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星2023/2/5

利用衛(wèi)星進(jìn)行通信和平常的地面通信相比較，具有下列優(yōu)點(diǎn)：

①通信容量大；

②覆蓋面積廣；

③通信距離遠(yuǎn)；

④可靠性高；

⑤靈活性好；

⑥成本低。

(1)通信衛(wèi)星：中國(guó)新一代通信衛(wèi)星——東方紅三號(hào)2023/2/5

廣播衛(wèi)星是一種主要用于電視廣播的通信衛(wèi)星。這種廣播衛(wèi)星不需要經(jīng)過任何中轉(zhuǎn)就可向地面轉(zhuǎn)播或發(fā)射電視廣播節(jié)目，供公眾團(tuán)體或者個(gè)人直接接收，因此又稱為直播衛(wèi)星。目前普通的家庭電視機(jī)配一架直徑不到1m的天線就可以直接接收直播衛(wèi)星的電視廣播節(jié)目。

(2)廣播衛(wèi)星：2023/2/5

跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星是通信衛(wèi)星技術(shù)的一個(gè)重大發(fā)展。它是利用衛(wèi)星來跟蹤與測(cè)量另一顆衛(wèi)星的位置，其基本思想是把地球上的測(cè)控站搬到地球同步軌道上，形成星地測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)。

(3)跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星：美國(guó)新一代跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星2023/2/53．基準(zhǔn)站這種衛(wèi)星是軌道上的測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，所以要求它測(cè)軌非常準(zhǔn)確。屬于這種功能的衛(wèi)星有：(1)導(dǎo)航衛(wèi)星(2)測(cè)地衛(wèi)星

這種衛(wèi)星發(fā)出一對(duì)頻率非常穩(wěn)定的無(wú)線電波，海上船只、水下的潛艇和陸地上的運(yùn)動(dòng)體等都可以通過接收衛(wèi)星發(fā)射的電波信號(hào)來確定自己的位置。

由于地面上的測(cè)量站是固定的，所以測(cè)量精度比對(duì)艦船導(dǎo)航定位的精度高。衛(wèi)星測(cè)地目前達(dá)到的精度比常規(guī)大地測(cè)量的精度高幾十倍以上。2023/2/5北斗一號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星2023/2/54．軌道武器這是一種積極進(jìn)攻的航天器，具有空間防御和空間攻擊的職能。它主要包括：(1)攔截衛(wèi)星(2)軌道轟炸系統(tǒng)

衛(wèi)星作為一種武器在軌道上接近，識(shí)別并摧毀敵方空間系統(tǒng)，這種衛(wèi)星被稱為反衛(wèi)星衛(wèi)星。

軌道轟炸系統(tǒng)是一種空間對(duì)地的進(jìn)攻型武器。美國(guó)研制的空間攔截衛(wèi)星2023/2/55.載人飛船和空間站

有人參與的多種科學(xué)試驗(yàn)，對(duì)空觀測(cè)，對(duì)地觀測(cè)。和平號(hào)空間站俄羅斯“和平號(hào)”空間站的宇航員與美國(guó)“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)的宇航員聚集在“和平號(hào)”空間站艙內(nèi)合影2023/2/5航天系統(tǒng)工程外層空間環(huán)境特征：高真空、強(qiáng)輻射、溫度劇烈變化。要適應(yīng)環(huán)境，并能完成任務(wù)，必須配備有具有各種功能的設(shè)備所謂系統(tǒng)是指相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合成的具有特定功能的整體。系統(tǒng)的各個(gè)組成部分有其自身的獨(dú)立性，不是簡(jiǎn)單的機(jī)械混合體，而是相互作用、相互依賴、相互影響和相互共存的有機(jī)聯(lián)系的整體2023/2/5

航天系統(tǒng)工程主要由以下五大系統(tǒng)組成，這五大系統(tǒng)相互協(xié)同、相互配合完成一項(xiàng)特定的航天任務(wù)。

1）航天運(yùn)載器航天運(yùn)載器是把航天器送上空間預(yù)定軌道的運(yùn)輸工具。

2）航天器

是衛(wèi)星、飛船、空間站、航天飛機(jī)和空間探測(cè)器的總稱，是指在地球大氣層以外的空間執(zhí)行特定任務(wù)的飛行器

3）航天發(fā)射場(chǎng)

航天發(fā)射場(chǎng)是運(yùn)載火箭運(yùn)送航天器進(jìn)入預(yù)定軌道的出發(fā)點(diǎn)

4）航天測(cè)控網(wǎng)

是對(duì)運(yùn)載火箭和航天器的飛行狀態(tài)進(jìn)行跟蹤、測(cè)量和控制的專用系統(tǒng)

5）航天應(yīng)用

航天應(yīng)用一般是指各種衛(wèi)星獲得各種信息在地面上的應(yīng)用

2023/2/5

不同類型的航天器，其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、外型和功能干差萬(wàn)別，但是它們的基本系統(tǒng)組成都是一致的。典型航天器都是由不同功能的若干分系統(tǒng)組成的，其基本系統(tǒng)一般分為有效載荷和保障系統(tǒng)兩大類。航天器的基本系統(tǒng)組成美空天飛機(jī)計(jì)劃2023/2/51．有效載荷

用于直接完成特定的航天飛行任務(wù)的部件、儀器或分系統(tǒng)。

有效載荷種類很多，隨著飛行任務(wù)即航天器功能的不同而異。例如，科學(xué)衛(wèi)星上的粒子探測(cè)器，天文觀測(cè)衛(wèi)星上的天文望遠(yuǎn)鏡，偵察衛(wèi)星上的可見光相機(jī)、CCD相機(jī)、紅外探測(cè)器、無(wú)線電偵察接收機(jī)，氣象衛(wèi)星上的可見光和紅外掃描輻射儀，地球資源衛(wèi)星上的電視攝像機(jī)、CCD攝像機(jī)、主題測(cè)繪儀、合成孔徑雷達(dá)，通信衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器和通信天線，生物科學(xué)衛(wèi)星上的種子和培養(yǎng)基等，均屬有效載荷。2023/2/5單一用途的衛(wèi)星裝有一種類型的有效載荷，而多用途的衛(wèi)星可以裝有幾種類型的有效載荷。

2．保障系統(tǒng)

用于保障航天器從火箭起飛到工作壽命終止，星上所有分系統(tǒng)的正常工作。各種類型航天器的保障系統(tǒng)一般包括下列分系統(tǒng)：2023/2/5(1)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：用于支承和固定航天器上各種儀器設(shè)備，使它們構(gòu)成一個(gè)整體，以承受地面運(yùn)輸、運(yùn)載器發(fā)射和空間運(yùn)行時(shí)的各種力學(xué)環(huán)境(振動(dòng)、過載、沖擊、噪聲)以及空間運(yùn)行環(huán)境。對(duì)航天器結(jié)構(gòu)的基本要求是重量輕、可靠性高、成本低等，因此航天器的結(jié)構(gòu)大多采用鋁、鎂、鈦等輕合金和碳纖維復(fù)合材料等制造。通常用結(jié)構(gòu)質(zhì)量比，即結(jié)構(gòu)重量占航天器總重量的比例來衡量航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造水平。

(2)熱控制系統(tǒng)：用來保障各種儀器設(shè)備在復(fù)雜的環(huán)境中處于允許的溫度范圍內(nèi)。熱控制分為被動(dòng)熱控制和主動(dòng)熱控制兩類。熱控制的措施主要有表面處理(拋光、鍍金或噴刷熱控涂層)，包敷多層隔熱材料，使用旋轉(zhuǎn)盤、相變材料、百葉窗、熱管和電加熱器等。2023/2/5(3)電源系統(tǒng)：用來為航天器所有儀器設(shè)備提供所需的電能?，F(xiàn)代航天器大多采用太陽(yáng)電池和蓄電池聯(lián)合供電系統(tǒng)。

(4)姿態(tài)控制系統(tǒng)：用來保持或改變航天器的運(yùn)行姿態(tài)。常用的姿態(tài)控制方式有重力梯度穩(wěn)定、自旋穩(wěn)定和三軸穩(wěn)定。

(5)軌道控制系統(tǒng)：用來保持或改變航天器的運(yùn)行軌道。軌道控制往往與姿態(tài)控制配合，它們構(gòu)成航天器控制系統(tǒng)。2023/2/5

(6)測(cè)控系統(tǒng)：包括遙測(cè)、遙控和跟蹤三部分。遙測(cè)部分主要由傳感器、調(diào)制器和發(fā)射機(jī)組成，用于測(cè)量并向地面發(fā)送航天器的各種儀器設(shè)備的工程參數(shù)(電壓、電流、溫度等)和其他參數(shù)(環(huán)境參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)等)。遙控部分一般由接收機(jī)和譯碼器組成，用于接收地面測(cè)控站發(fā)來的遙控指令，傳送給有關(guān)系統(tǒng)執(zhí)行。跟蹤部分主要是信標(biāo)機(jī)和應(yīng)答機(jī)，它們不斷發(fā)出信號(hào)，以便地球測(cè)控站跟蹤航天器并測(cè)量其軌道位置和速度。2023/2/5

除了以上基本系統(tǒng)組成外，航天器根據(jù)其不同的飛行任務(wù)，往往還需要有一些不同功能的專用系統(tǒng)。例如，返回式衛(wèi)星有回收系統(tǒng)，載人飛船有乘員系統(tǒng)、環(huán)境控制與生命保障系統(tǒng)、交會(huì)與對(duì)接系統(tǒng)，航天飛機(jī)有著陸系統(tǒng)等。2023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/52023/2/5微小衛(wèi)星

微小衛(wèi)星:重量在1000千克以下的人造衛(wèi)星

微小衛(wèi)星分類小衛(wèi)星:100～1000千克納衛(wèi)星:1～10千克微衛(wèi)星:10～100千克皮衛(wèi)星:0.1～1千克2023/2/5發(fā)展背景主要特點(diǎn)發(fā)展現(xiàn)狀應(yīng)用領(lǐng)域微小衛(wèi)星2023/2/5發(fā)展背景發(fā)射一顆1000千克重的人造衛(wèi)星，費(fèi)用至少需要1億美元航天科技逐步從軍事應(yīng)用轉(zhuǎn)向經(jīng)濟(jì)建設(shè)、商業(yè)運(yùn)作，使得航天科技必須降低成本、提高效益2023/2/5主要特點(diǎn)

新技術(shù)含量高、研制周期短（一年左右）研制經(jīng)費(fèi)低（數(shù)千萬(wàn)人民幣量級(jí)可以進(jìn)一步組網(wǎng)，以分布式的星座形成“虛擬大衛(wèi)星”微小衛(wèi)星重量輕、體積小，再加上批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低可以用小型火箭發(fā)射，或作為大型火箭的輔助載荷發(fā)射，發(fā)射成本低利用地（水）面火炮發(fā)射，可以滿足快速反應(yīng)的需求2023/2/5發(fā)展現(xiàn)狀東亞地區(qū)美國(guó)已發(fā)射重量在幾百千克以下的多種小衛(wèi)星和重量不足10千克的試驗(yàn)型納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星傳統(tǒng)強(qiáng)國(guó)和新興國(guó)家超級(jí)大國(guó)英國(guó)、瑞典也在2000年發(fā)射了納衛(wèi)星；法國(guó)、印度、阿根廷、智利、巴西、韓國(guó)、泰國(guó)、巴基斯坦等國(guó)已經(jīng)有了自己的小衛(wèi)星印度尼西亞、馬來西亞、菲律賓等國(guó)以及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)正在與航天大國(guó)合作研制小衛(wèi)星或微衛(wèi)星界世態(tài)動(dòng)2023/2/5中國(guó)狀況大學(xué)、公司參與研發(fā)微小衛(wèi)星2002200820122001~2012神七載人飛船的伴星飛入太空標(biāo)志小衛(wèi)星成熟技術(shù)天拓一號(hào)發(fā)射成功標(biāo)志著中國(guó)在微小衛(wèi)星領(lǐng)域獲重要突破“創(chuàng)新一號(hào)”成功發(fā)射入軌

中國(guó)自主研制的第一顆100公斤以下的微小衛(wèi)星2023/2/5創(chuàng)新一號(hào)成功發(fā)射2023/2/5神舟七號(hào)釋放伴飛小衛(wèi)星2023/2/5清華大學(xué)、中國(guó)航天機(jī)電集團(tuán)公司共同研制的