錢航 - 衛(wèi)星設(shè)計與制造(名校大會20151227)

衛(wèi)星設(shè)計與制造

——2015年第十一屆全國創(chuàng)新名校大會報告錢航中科院國家空間科學(xué)中心博士中國航天科技集團第一研究院第一設(shè)計部設(shè)計師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，并在那里進行活動的工程技術(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)定的軌道上運行的技術(shù)。地面測控技術(shù)

研究和實現(xiàn)對運行中的空間飛行器進行監(jiān)視、測量、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)是一門研究和實現(xiàn)如何把航天器送入空間，并在那里進行活動的工程技術(shù)。它主要包括航天器、運載工具和地面測控三大部分。為了便于了解，我們首先對航天器進行分類。同一個航天器可兼有數(shù)種任務(wù)，故機械地、絕對地分類，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2023/2/5按載人與否分類

航天器可分為無人航天器與載人航天器兩大類。無人航天器按是否繞地球運行又可分為人造地球衛(wèi)星和宇宙探測器兩類。它們又可以進一步按用途分類，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人造地球衛(wèi)星空間探測器衛(wèi)星式登月式科學(xué)衛(wèi)星技術(shù)試驗衛(wèi)星應(yīng)用衛(wèi)星月球行星技術(shù)應(yīng)用衛(wèi)星對地觀測衛(wèi)星2023/2/5人造地球衛(wèi)星

簡稱人造衛(wèi)星，是數(shù)量最多的航天器(占90％以上)。它們的軌道長度由幾百公里到幾十萬公里。按用途它們又可分為：

1）科學(xué)衛(wèi)星

2）技術(shù)試驗衛(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)可以到達各種星球的載人飛船，以及供人類長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、長期工作和居住的載人航天器；（3）航天飛機可以重復(fù)使用的，往返于地面和高度在1000km以下的近地軌道之間，運送有效載荷的航天器。2023/2/5宇宙探測器

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

2023/2/5

旅行者1號旅行者2號

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行分類，就人造地球衛(wèi)星而言，可分為觀測站、中繼站、基準站和軌道武器四類。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，對地球來說，它站得高，看得遠(視場大)，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，所以用它來進行天文觀測也比地面天文觀測站更加有利。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)星圖美國偵察衛(wèi)星拍攝的轟6加油機2023/2/5

空對地成像清晰度比較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，包括遠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)測和監(jiān)視，災(zāi)害性海況預(yù)報和預(yù)警，海洋環(huán)境保護和執(zhí)法管理，海洋科學(xué)研究，以及海洋浮標、臺站、船舶數(shù)據(jù)傳輸，海上軍事活動等。

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

中繼站是一種在軌道上對信息進行放大和轉(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的地點之間的電話、電報、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：美國新一代跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星2023/2/5

利用衛(wèi)星進行通信和平常的地面通信相比較，具有下列優(yōu)點：

①通信容量大；

②覆蓋面積廣；

③通信距離遠；

④可靠性高；

⑤靈活性好；

⑥成本低。

(1)通信衛(wèi)星：中國新一代通信衛(wèi)星——東方紅三號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，供公眾團體或者個人直接接收，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)的一個重大發(fā)展。它是利用衛(wèi)星來跟蹤與測量另一顆衛(wèi)星的位置，其基本思想是把地球上的測控站搬到地球同步軌道上，形成星地測控系統(tǒng)網(wǎng)。

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

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

由于地面上的測量站是固定的，所以測量精度比對艦船導(dǎo)航定位的精度高。衛(wèi)星測地目前達到的精度比常規(guī)大地測量的精度高幾十倍以上。2023/2/5北斗一號導(dǎo)航衛(wèi)星2023/2/54．軌道武器這是一種積極進攻的航天器，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)是一種空間對地的進攻型武器。美國研制的空間攔截衛(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，對空觀測，對地觀測。和平號空間站俄羅斯“和平號”空間站的宇航員與美國“奮進號”航天飛機的宇航員聚集在“和平號”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)的各個組成部分有其自身的獨立性，不是簡單的機械混合體，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、相互配合完成一項特定的航天任務(wù)。

1）航天運載器航天運載器是把航天器送上空間預(yù)定軌道的運輸工具。

2）航天器

是衛(wèi)星、飛船、空間站、航天飛機和空間探測器的總稱，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

航天發(fā)射場是運載火箭運送航天器進入預(yù)定軌道的出發(fā)點

4）航天測控網(wǎng)

是對運載火箭和航天器的飛行狀態(tài)進行跟蹤、測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)組成美空天飛機計劃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)星上的粒子探測器，天文觀測衛(wèi)星上的天文望遠鏡，偵察衛(wèi)星上的可見光相機、CCD相機、紅外探測器、無線電偵察接收機，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、CCD攝像機、主題測繪儀、合成孔徑雷達，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)成一個整體，以承受地面運輸、運載器發(fā)射和空間運行時的各種力學(xué)環(huán)境(振動、過載、沖擊、噪聲)以及空間運行環(huán)境。對航天器結(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)。熱控制分為被動熱控制和主動熱控制兩類。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)測控系統(tǒng)：包括遙測、遙控和跟蹤三部分。遙測部分主要由傳感器、調(diào)制器和發(fā)射機組成，用于測量并向地面發(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和譯碼器組成，用于接收地面測控站發(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機和應(yīng)答機，它們不斷發(fā)出信號，以便地球測控站跟蹤航天器并測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)、交會與對接系統(tǒng)，航天飛機有著陸系統(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)濟建設(shè)、商業(yè)運作，使得航天科技必須降低成本、提高效益2023/2/5主要特點

新技術(shù)含量高、研制周期短（一年左右）研制經(jīng)費低（數(shù)千萬人民幣量級可以進一步組網(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10千克的試驗型納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星傳統(tǒng)強國和新興國家超級大國英國、瑞典也在2000年發(fā)射了納衛(wèi)星；法國、印度、阿根廷、智利、巴西、韓國、泰國、巴基斯坦等國已經(jīng)有了自己的小衛(wèi)星印度尼西亞、馬來西亞、菲律賓等國以及中國臺灣地區(qū)正在與航天大國合作研制小衛(wèi)星或微衛(wèi)星界世態(tài)動2023/2/5中國狀況大學(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志小衛(wèi)星成熟技術(shù)天拓一號發(fā)射成功標志著中國在微小衛(wèi)星領(lǐng)域獲重要突破“創(chuàng)新一號”成功發(fā)射入軌

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