現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用

2023/2/6第1頁一、空間飛行器概述2023/2/6第2頁飛行器現(xiàn)代設計方法空間飛行器概述1.1

航天技術(shù)概論1.2

航天系統(tǒng)組成1.3

空間飛行器的分類和應用1.4

航天探索過程的災難史1.5衛(wèi)星系統(tǒng)組成1.6

現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用2023/2/6第3頁航天技術(shù)概論

航天是指進入、探索、開發(fā)和利用太空以及地球以外天體的各種活動的總稱。

航天技術(shù)：為航天活動提供技術(shù)手段和保障條件的綜合性工程技術(shù)；

空間應用：利用航天技術(shù)及其開發(fā)的空間資源在不同領域的各種應用技術(shù)的統(tǒng)稱；

空間科學：空間科學是指利用航天技術(shù)對宇宙空間的各種現(xiàn)象及規(guī)律的探索和研究。2023/2/6第4頁航天系統(tǒng)組成

人類要實現(xiàn)航天活動，就要建立龐大的以航天器為核心的航天工程系統(tǒng)，簡稱航天系統(tǒng)。2023/2/6第5頁空間飛行器的分類和應用

空間飛行器是在大氣層以外的宇宙空間,基本上按照天體力學的規(guī)律運行的各類人造物體的統(tǒng)稱。2023/2/6第6頁衛(wèi)星系統(tǒng)組成

衛(wèi)星：進入并適應外層空間環(huán)境，能在這種特殊環(huán)境下完全自動化運行和工作，以服務于地上人類的特定需求的一類工程技術(shù)的人造物體。衛(wèi)星是天上的東西是在外層空間自主運行和工作從天上服務于地面2023/2/6第7頁衛(wèi)星系統(tǒng)組成衛(wèi)星是運載器系統(tǒng)的有效載荷；衛(wèi)星是測控系統(tǒng)的對象；衛(wèi)星應用系統(tǒng)是衛(wèi)星服務的對象。2023/2/6第8頁衛(wèi)星系統(tǒng)組成

有效載荷是直接執(zhí)行特定任務的分系統(tǒng)；保障系統(tǒng)是為有效載荷正常工作提供支持和保證的各分系統(tǒng)的總稱，也稱衛(wèi)星平臺。2023/2/6第9頁衛(wèi)星系統(tǒng)組成2023/2/6第10頁衛(wèi)星系統(tǒng)組成2023/2/6第11頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用2023/2/6第12頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用

小衛(wèi)星：應用新技術(shù)和新的設計思想研制的人造衛(wèi)星，具有質(zhì)量輕、體積小、成本低、周期短和性能好等特點，又稱現(xiàn)代小衛(wèi)星。

設計思路的創(chuàng)新：現(xiàn)代小衛(wèi)星代表一種新的發(fā)展趨勢和設計思想，突破了傳統(tǒng)的“一星多用、綜合利用”的設計思想，主張簡化設計，采用成熟技術(shù)和模塊化、標準化的硬件。盡量減少冗余或無冗余。2023/2/6第13頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用

設計技術(shù)的發(fā)展：多功能結(jié)構(gòu)、微電子機械系統(tǒng)(MEMS)、高密度電子集成(SoC技術(shù))、先進微型推進技術(shù)、納米技術(shù)及先進軟科學技術(shù)；

設計手段的進步：突破傳統(tǒng)的分系統(tǒng)獨立設計、采用先進的數(shù)字化設計與仿真技術(shù)實現(xiàn)微小型衛(wèi)星設計的并行化、數(shù)字化和集成化；

空間應用的創(chuàng)新：衛(wèi)星星座、衛(wèi)星飛行編隊等分布式衛(wèi)星概念，擴展了微小衛(wèi)星空間應用的領域。2023/2/6第14頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用功能密度高、成本低、研制周期短快速響應、靈活布置、自主生存的能力；2023/2/6第15頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用現(xiàn)代小衛(wèi)星的出現(xiàn)是航天發(fā)展的必然趨勢：

航天任務出現(xiàn)新的需求為微小衛(wèi)星的發(fā)展提供了大社會環(huán)境；

傳統(tǒng)大衛(wèi)星具有不可克服的難題為微小衛(wèi)星的發(fā)展提供了機遇；

現(xiàn)代新技術(shù)的迅猛發(fā)展為衛(wèi)星微小型化提供了技術(shù)基礎；

未來廣闊的發(fā)展和應用前景為其提供了動力2023/2/6第16頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用

對小衛(wèi)星分類普遍采用的方法是利用衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量進行分類分類質(zhì)量（包括燃料）

大衛(wèi)星>1000kg中型衛(wèi)星500-1000kg小衛(wèi)星（MiniSat）100-500kg

小衛(wèi)星微衛(wèi)星(MicroSat)10-100kg納衛(wèi)星(NanoSat)1-10kg皮衛(wèi)星(PicoSat)0.1-1kg飛衛(wèi)星(FemtoSat)<100g2023/2/6第17頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用

小衛(wèi)星的出現(xiàn)使得傳統(tǒng)上與航天無緣的國家和研究機構(gòu)成為小衛(wèi)星設計與研制隊伍中的一支主力軍，進一步促進了小衛(wèi)星的發(fā)展。

在眾多向小衛(wèi)星技術(shù)領域挺進的高等學府里，英國薩瑞大學、美國猶他州立大學、德國柏林技術(shù)大學和不來梅大學可稱得上是排頭兵，迄今為止已有30多所高校研制并發(fā)射小衛(wèi)星。2023/2/6第18頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用

薩瑞大學從1979年開始研制和生產(chǎn)小衛(wèi)星，1981年成功發(fā)射UoSAT-1，1998年成功發(fā)射了第20顆衛(wèi)星PICOSAT-1。

SNAP-1衛(wèi)星微推力器是當前世界上最小的推力系統(tǒng)，重450克，燃料是丁烷。2023/2/6第19頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用

柏林技術(shù)大學研制的Tubsat-N和TubsatN1兩顆納衛(wèi)星于1998年成功發(fā)射，主要用于進行存貯轉(zhuǎn)發(fā)通信技術(shù)試驗，并對微型技術(shù)進行空間演示。2023/2/6第20頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用Munin是瑞典空間物理研究所研制的科學試驗納衛(wèi)星，用于探測地球南北極的極光和高能粒子，衛(wèi)星重6kg。2023/2/6第21頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用亞利桑那州立大學研制，重6kg斯福大學設計和研制，重5kg，攜帶5顆皮衛(wèi)星ARMEMIS圣克拉拉大學

2000年1月美國國防部研究計劃局（DARPA）用一箭10星發(fā)射，包括兩顆50～60公斤的微型衛(wèi)星，三顆10公斤級納型衛(wèi)星和五顆皮衛(wèi)星（每顆小于1kg）2023/2/6第22頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用

美國空軍支持十所大學聯(lián)合開發(fā)納星計劃2023/2/6第23頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：多功能結(jié)構(gòu)

多功能結(jié)構(gòu)(Multi-FunctionionalSystem)將電子線路的外科、電連接器、數(shù)據(jù)傳輸、封裝、支架、熱控等部件加以集成，與無源電子線路一起敷設在結(jié)構(gòu)的復合材料中間，采用新方法將有源電子線路與機械表面直接接觸，敏感器和傳感器安裝在表面上。綜合了電、熱和結(jié)構(gòu)的功能，減少了分離部件。多功能結(jié)構(gòu)是衛(wèi)星輕量化的重要途徑，也是微小型化技術(shù)的重要支撐。2023/2/6第24頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：多功能結(jié)構(gòu)2023/2/6第25頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：多功能結(jié)構(gòu)2023/2/6第26頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：多功能結(jié)構(gòu)2023/2/6第27頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)2023/2/6第28頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：MEMS技術(shù)微電子機械系統(tǒng)(MicroElectronicMechanicalSystem)是按集成電路的思路和技術(shù)制造機械裝置，實現(xiàn)電子與機械的綜合集成化。2023/2/6第29頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：電子集成有效載荷微推進星間測量微型敏感器傳統(tǒng)低密度電子系統(tǒng)分散的信息處理單元適應各類空間任務微型慣性測量組合微空間光學探測器微推進陣列2023/2/6第30頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：電子集成2023/2/6第31頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：電子集成2023/2/6第32頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：MEMS技術(shù)MEMS-A&MEMS-BStensat皮衛(wèi)星2023/2/6第33頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：微推進技術(shù)

微小衛(wèi)星要進行軌道控制，特別用于編隊飛行或星座應用，需要微推力系統(tǒng)而且整套推力系統(tǒng)微型重量和微功耗，推力沖量大約為1μNs（微牛秒）～1mNs（毫牛秒），整套推力系統(tǒng)所產(chǎn)生ΔV與重量比在50～100ms-1/kg。2023/2/6第34頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：微推進技術(shù)數(shù)字推進技術(shù)2023/2/6第35頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：微推進技術(shù)

氣體推進器（GasThruster）

氣體推進是靠推進劑儲箱中工質(zhì)自身的壓強產(chǎn)生推力。目前微型衛(wèi)星和納型衛(wèi)星上最常用、技術(shù)最成熟的推進方式，在Surry大學發(fā)射的多顆微型衛(wèi)星中都已成功的使用。2023/2/6第36頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：微推進技術(shù)

脈沖等離子推進器（PulsedPlasmaThruster）

依靠電磁場加速等離子體產(chǎn)生推力，屬于電磁式電推進，在20世紀50年代，脈沖等離子推進技術(shù)開始被發(fā)展和應用。1964年第一次在SovietZond-2衛(wèi)星上使用，首次進行飛行試驗。AFRL研制的μPPT樣機原型2023/2/6第37頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：先進設計1、基于分系統(tǒng)的航天器設計方法航天發(fā)展初期的衛(wèi)星都采用這樣的設計方法，NASA80年以前的衛(wèi)星，基本上都是用這樣的方法設計和研制的，包括現(xiàn)在的有些大型衛(wèi)星仍然沿用這種方法。該方法通過對衛(wèi)星任務的合理分解，如姿控系統(tǒng)、數(shù)管系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、數(shù)傳系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等，由不同的單位分別設計、研制，最終進行裝配。這種方法的優(yōu)點是能夠很好地滿足衛(wèi)星的任務要求，研制組織相對簡單。2023/2/6第38頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：先進設計2、模塊化設計方法以適應多任務、降低成本、縮短周期、提高可靠性為目的衛(wèi)星公用平臺就是目前應用最成功、最典型的實例，國外也稱模塊化多任務航天器或衛(wèi)星公用艙，原蘇聯(lián)最早使用這種設計方法，如聯(lián)盟號飛船?，F(xiàn)代小衛(wèi)星也廣泛使用這種設計方法，但公用模塊已經(jīng)延伸到分系統(tǒng)和單一的功能模塊，如計算機、測控等等，英國薩瑞大學的小衛(wèi)星甚至于在結(jié)構(gòu)上也使用了模塊化的方法。成功的實例還有美國的Iridium,Odyssey等。2023/2/6第39頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用創(chuàng)新技術(shù)：先進設計3、一體化設計方法由于難以找到合適的公用平臺，超大型衛(wèi)星采用了針對有效載荷的一體化設計，它以有效載荷為核心，平臺的所有分系統(tǒng)都是根據(jù)有效載荷的要求而優(yōu)化設計的。成功的實例是美國的“哈勃”望遠鏡。微小衛(wèi)星以一體化為其主要設計特點。其主要原因包括：*微小衛(wèi)星的任務和有效載荷更加靈活、多樣，難以發(fā)展公用平臺技術(shù)。*設計理念的創(chuàng)新、設計手段和設計環(huán)境的完善使航天器的設計向一體化的方向發(fā)展。2023/2/6第40頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用2023/2/6第41頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應用XXS-102023/2/6第42