《航天器设计》复习材料整理

1、航天器设计复习思考题北京航空航天大学 宇航学院 飞行器设计专业 航天器设计期末复习思考题第一章 绪论1.各国独立发射首颗卫星时间。2. 什么是航天器设计？是工程设计的一个分支。在航天器设计中将应用工程设计中的研究成果，并结合航天器设计领域的特殊问题进一步深化工程设计的内容。以航天器为对象，为完成某一任务而进行的工程设计。其活动过程与工程设计过程相同，但要考虑航天器自身的特点和约束。3. 画图说明航天器系统设计的层次关系并简述各组成部分的作用。作用：有效载荷分系统：卫星上装载的为直接实现卫星在轨运行要完成的特定任务的仪器、设备和分系统称为卫星有效载荷。有效载荷是卫星的核心部分，在卫星设计中起主导

2、作用。在具体设计时应注意与应用系统的协调。结构分系统：是航天器各受力和支承构件的总称。服务与支持系统：服务和支持系统是航天器有效载荷正常工作的必要条件。电源分系统：它具有发电、电能存储、电源控制、电源电压变换等功能。星上一般采用太阳翼蓄电池组联合电源，产生、储存和调节电能，以满足卫星在整个飞行过程中的电力需求。热控分系统：它通过组织和合理调配星上各部分之间热量的吸收、存储和传递，对星内外热量进行管理与控制，以保证卫星飞行各阶段卫星上仪器、设备的工作温度均在要求的范围内，满足卫星上各分系统对热环境的要求。姿态与轨道分系统：其主要任务是完成卫星在轨运行过程中所需的多种轨道和姿态机动控制，实现对地定

3、向的卫星姿态。推进分系统：它是卫星的动力系统，与制导、导航及控制分系统配合，根据指令提供卫星各种姿态的建立与保持、轨道控制和修正所需的动力，使卫星能按预定的控制方式工作。数据管理分系统：它是卫星的总管，根据事先制定好的准则控制各分系统的工作状态，将地面发送的遥控指令按时分发到对应的分系统，收集卫星产生的遥测和数据信息，并对这些信息进行分类和编码，为下传到地面做好准备；还为卫星上各个分系统提供时间和频率标准。测控和通信（数据传输）分系统：主要功能是为卫星的遥测、遥控和数据传输提供可靠的通道，使地面站能知道卫星的飞行轨道、飞行和工作状态，并对其进行相应的控制。4. 航天器设计的特点？（1）由运载器

4、有效载荷引发的设计特点：ü 慎用质量和追求轻质量的特点ü 航天器的总质量只占运载器总质量的很少部分，对于卫星而言为1左右。ü 运载器发射后的全部价值都浓缩到航天器上。（2）追求小尺寸巧安排的特点ü 运载器的运载空间决定航天器只能占很小的空间。（3）适应外层空间环境引发的设计特点。（4）由单件生产引发的设计特点。第二章 空间环境1. 近地空间环境由多种环境要素组成，其中对航天活动存在较大影响的环境要素是什么？对航天活动存在较大影响的近地空间环境要素：太阳电磁辐射、地球中性大气、地球电离层、地球磁场、空间带电粒子辐射、空间碎片与微流星等。2. 航天器在近地轨

5、道中运行受到的环境因素影响及这些因素所影响的分系统。u 太阳电磁辐射和地球反照影响航天器的光照环境、热设计中的外热流标准以及对地观测的光学背景主要影响热控分系统、电源分系统。u l高层大气密度影响低地球轨道航天器工作寿命的主要因素，主要影响姿态与轨道控制分系统，大气辐射影响热控分系统。u l地球电离层可以影响无线电波的传播，主要影响测控和通信分系统。u l地磁场影响航天器姿态控制以及要求磁净化的设备，主要影响姿态与轨道控制分系统u l空间带电粒子辐射对航天器所使用的电子元器件、功能材料、仪器设备以及载人航天 中的航天员均能产生损伤作用，主要影响数据管理分系统。u l空间碎片与微流星使航天器面临

6、着潜在的危害，主要影响结构分系统？u l地球引力分布不均对航天器运行轨道产生引力摄动，影响轨道控制分系统。u l重力梯度对航天器产生扰动力矩，影响姿态控制分系统。或者分开答具体：1）太阳电磁辐射对近地轨道航天器的影响l对航天器温控系统的影响：主要外热源。l对航天器姿控系统的影响：lA.太阳辐射和地气辐射压是航天器姿态控制中所必须考虑的因素之一。lB.太阳辐射引起大气密度的变化，使航天器所受阻力增加。l对航天器结构系统的影响：热机械应力l对航天器电源系统的影响：太阳可见光和近红外波段的光谱辐照度决定航天器太阳电池方阵功率的精确计算。l对航天器通信系统的影响：短波和中波无线电信号衰落，甚至完全中断

7、；背景噪声的增强。l对航天遥感器、探测器的影响：光学背景、材料性能、光学遥感系统污染。l对人体和生物体的影响：人体器官和眼睛有不同的损伤，诱发皮肤癌。2）. 空间大气对航天器的影响l大气阻力影响航天器的轨道，进而影响航天器的运行寿命l高真空的影响：压力差；真空放电；真空出气；材料蒸发、升华和分解；粘着和冷焊；真空泄露；热交换方式的限制（当气压降至10-3Pa以下时，气体的传导和对流传热便可忽略不计。此时，航天器与空间环境的热交换几乎完全以辐射形式进行）。3). 电离层对航天活动的影响l对航天器通信系统的影响：电波时延、信号衰落、通信质量下降、电波信号丢失和产生噪声。l对航天器定轨系统的影响：电

8、波信号频率发生偏移l对航天器轨道和姿态的影响：阻力增大l对航天器电源系统的影响：电流泄露和弧光放电l航天器充电效应：表面充电和内部充电4). 近地空间磁场对航天器的影响l影响航天器轨道和姿态l影响航天器上磁性仪器的测试精度l可利用空间磁场控制航天器的姿态5). 空间高能粒子对航天器的影响l空间辐射效应（总电离剂量效应、单粒子效应）：高能带电粒子与航天器上所使用的电子元器件和功能材料的相互作用，引发特殊的空间辐射效应如总电离剂量效应、单粒子效应等l空间高能带电粒子对航天器的影响主要表现在两个方面：一是对航天器的功能材料、电子元器件、生物及航天员的总剂量效应，二是对大规模集成电路等微电子器件的单粒

9、子效应。l太阳质子事件、沉降粒子的注入，使电离层电子密度增加，造成通信、测控和导航等的严重干扰。6). 空间碎片和微流星对航天器的影响l威胁载人航天飞行安全l造成在轨航天器损毁；撞毁航天器；破坏热控涂层；(热控分系统)损坏太阳电池阵。（电源分系统）7）微重力对航天器系统的影响：分离及展开机构失效；影响航天员的生理机能及飞行生活；对热交换的影响。第三章 航天器设计方法学1.航天工程系统论的概念系统论认为系统是世界上一切事物存在的方式航天器本身是一个系统，航天器的应用又是另一个层面的系统。因此，航天器的设计时面向工程和应用的系统设计。航天器设计首先需要从系统论的观点出发，从不同的系统层面，满足不同

10、任务需求。2.航天器设计程序3.航天器任务设计的目标和内容航天器任务设计的目的：将航天任务的文字描述转换成可以量化的技术指标和功能要求。航天器任务设计的内容：l l有效载荷（科学仪器、航天员）l l航天器（卫星、飞船等）l l运输系统（运载火箭、再入与着陆器）l l运行轨道（地球轨道、星际探测器轨道）l l地面设施（测控与通信、地面接收站）第四章 有效载荷1. 卫星有效载荷的分类l 一般可分为：科学探测和实验类、信息获取类、信息传输类、信息基准类。l 按涉及的专业领域分类：光学遥感器、微波遥感器等。l 按应用分类：通信卫星有效载荷、气象卫星有效载荷、地球资源卫星有效载荷、海洋卫星有效载荷、导航

11、卫星有效载荷、侦查卫星有效载荷、科学卫星有效载荷、技术试验卫星有效载荷等。2.卫星有效载荷设计的一般原则l 理解用户需求，确定总体技术指标l 研究各种限制条件，选择有效载荷方案l 合理分配技术指标l 通过仿真和试验来验证优化设计3. 卫星有效载荷设计的一般技术要求（1）对环境适应性的要求 §能适应力学环境要求 §能适应失重状态要求 §能适应真空状态要求 §能适应温度变化要求 §能适应空间辐射环境要求（2）质量、体积、功耗与可靠性要求（3）必须满足与卫星平台之间的特定关系（4）必须满足与应用系统之间的特定关系4. 各种卫星有效载荷的基本组成和工作

12、原理（1）通信卫星： 基本组成：1)转发器：实质是一台宽频带的收发信机。§ 2)天线：用于卫星通信信号收发。有时可完成测控信号的收发。分为：全球波束、半球波束、区域波束、点波束、多波束以及赋形可变波束天线等。工作原理：天线接收上行信号，送到转发器对信号进行加工，再由天线将加工后的信号作为下行信号发出，完成通信信号的中继转发。（2）地球资源卫星：有效载荷：各类遥感器以及遥感传输设备。遥感器大致可分为：多光谱类、成像光谱仪类、高空间分辨率类和合成孔径雷达类。（3）气象卫星：有效载荷指星上用于气象信息获取、处理、存储及发送的设备。主要包括：遥感器（扫描辐射成像仪、大气探测仪）、实时信息处理

13、器、大容量数据记录器及发射机等（4）海洋卫星：有效载荷包括不同种类的光学遥感器（海洋水色扫描仪、CCD成像仪）和微波遥感器（雷达高度计、微波散射计）。（5）导航卫星：？卫星导航的基本作用是向各类用户实时提供准确、连续的位置、速度和时间信息。分类：低轨测速导航系统（第一代）、全球导航定位系统（GPS、GLONASS）、全球同步卫星无线电测定系统（“北斗”）。l 低轨测速导航系统：利用地面用户终端机测定导航卫星发射载波的多普勒频移，确定卫星在不同时刻的两个位置至用户位置的距离差，得出旋转双曲面的基本导航方程；根据卫星在每时刻的轨道位置并利用多组基本导航方程解出用户的位置l 全球导航定位系统：用户同

14、时接收四颗卫星的编码信号，测量这四颗星各自到用户的伪距，并由解读卫星广播的导航电文得到卫星的位置，从而进行定位。l 全球同步卫星无线电测定系统：地面中心通过两颗卫星上的C/S转发器向用户发送谁要定位的询问信号，需要定位的用户接收到任一颗卫星的询问信号后，即可响应询问，发出定位申请；地面中心站收到来自两颗卫星L/C转发器发的应答信号，即可测定地面中心站分别经两颗卫星到用户的距离和。由于卫星位置可通过测轨获得，便可导出用户至每颗卫星的距离；利用存储在地面中心站数据库中的地形数字高程，算出用户所在的位置，通过其中一颗卫星通知用户，完成定位。 （6）侦察卫星l 成像侦查卫星有效载荷§1、胶片

15、相机§2、传输型相机§3、合成孔径雷达(SAR)l 电子侦察卫星有效载荷§1、天线§2、接收机§3、信号处理设备l 导弹预警卫星：红外探测仪l 海洋监测卫星：雷达，无线电接收机，红外探测器等侦察设备（7）科学卫星：1、空间带电粒子探测器§2、空间辐射效应探测器§3、太阳辐射探测器各种仪器第五章 总体设计自己看例子的过程！ 第六章 电源分系统1.画出电源分系统基本构型图，并列举每部分可能的选项2.不同类型、不同寿命的卫星对能源的种类要求不同，请分别说明各种类型和寿命的卫星使用的电源类型。不同寿命的卫星对能源的种类要求不同。l

16、§仅几天到十几天寿命的航天器选择银锌蓄电池或锂电池；l §执行短期飞行任务的大功率（几千瓦至几十千瓦）飞行器，尤其是载人飞船，氢氧燃料电池组是最好的选择；l §核电源适用于在光照条件差、温度高或有尘埃流的恶劣空间环境条件下工作的卫星，多用于行星探测和某些长寿命的军事卫星；l §寿命为几个月、几年、十几年的卫星来说，功率为几千瓦到上万瓦的卫星来说，往往选择太阳电池阵。3.简要说明太阳电池阵构型及组成l 定义：将太阳电池片有序排列、黏贴在基板上，并连接成为电气整体，具有输出引线，就形成太阳电池阵。l 种类：体装式太阳电池阵和展开式太阳电池阵l 展开式：对日跟

17、踪定向太阳翼和固定式，前者设机构对日定向，后者一般依靠星体对日定向。l 对日跟踪定向：单轴对日定向和双轴对日定向l 太阳电池阵一般组成：电气系统和基板§（展开平板式的太阳电池阵还具有展开释放锁紧机构、连接支撑架、驱动机构等部件。）4.目前卫星用的储能装置有哪两种？化学储能和机械储能5. 卫星供配电有哪些体制？三种：有集中、分散和分级。6. 卫星电缆网的作用和基本构成作用：实现电子设备、部件外部电性连接，担负着馈电和各类电信号传输任务。基本构成：电连接器、导线束或成形电缆（扁平电缆、高额同轴电缆）等。第七章 热控制分系统1.航天器热控系统的任务卫星热设计的任务就根据卫星飞行任务的要求以

18、及卫星工作期间所要经受的内、外热负荷的状况。采取各种热控措施来组织卫星内、外的热交换过程，保证卫星在整个运行期间所有的仪器设备、生物和结构件的温度水平都保持在规定的范围内。2. 各种热控措施的组成和工作原理分为主动热控制技术和被动热控制技术两大类。l 被动热控制技术包括：热控涂层、多层隔热材料、热管、相变材料、导热填料、软质泡沫塑料、导热胶等。l 主动热控制技术包括：电加热恒温装置、热控百叶窗、接触式热开关、可控热管、风冷系统、液体冷却回路子系统等。2.1被动热控制技术n被动热控制是依靠选择热控材料、器件和合理的总体布局来控制航天器热交换的技术。优点：无运动部件，又无须消耗电能，具有技术简单，

19、运行可靠。寿命长及经济性能好等优点。缺点：本身没有自动调节温度的能力，不能克服卫星内、外热流变化带来的对仪器设备的影响。2.1.1热控涂层（辐射散热）热控涂层控温原理：对于一绝热平面，若只考虑辐射换热，该平面的热平衡温度：由 得：2.1.2 多层隔热材料组成：反射屏、间隔层和定型件用来保温或隔热n当量导热系数小于1×10-5W/(mK)n反射层一般使用镀金属材料的塑料薄膜，表面发射率0.020.06。塑料薄膜材料常用涤纶薄膜和聚酰亚胺薄膜，常用薄膜厚度为620m。n间隔层：常用低导热率的质地疏松的纤维纸或织物制成原理：在理想情况下（屏间真空，彼此不接触），多层隔热材料的外层反射屏只能

20、通过辐射向内层反射屏传热，由于每层反射屏的表面发射率很低，所以向内辐射的热量很少，这样经过多层反射屏的作用，达到保温或隔热的效果。2.1.3热管热管是一种利用工质的相变和循环流动而工作的传热器件，其典型结构如图所示组成：管壳、工质和具有毛细结构的管芯n 工作原理：热能在蒸发段从外热源经管壁传给工作液体，液体蒸发后成为蒸汽流向另一端，在冷凝段蒸汽凝结成液体放出的热量再经过管壁传给冷源，而液体沿管芯在毛细力的作用下，再回流到蒸发段，如此循环不已，可不断地将热量从蒸发段传递到冷凝段。2.1.4相变材料利用相变时放出或吸收的相变潜热，达到保持仪器设备温度在要求范围内的材料,航天上常用的相变材料为石蜡类

21、材料 2.1.5导热填料影响接触热阻的因素主要：接触表面材料；接触压力；接触表面粗糙度和不平度；接触面间的填充材料等。常用的：金属箔、导热脂和导热硅橡胶等。2.1.6软质泡沫塑料软质泡沫塑料是一种多孔轻质聚胺脂固体材料，这种材料孔的尺寸小，其内气体对流传热可以忽略，所以它主要通过固体和气体导热以及辐射的方式传热。软质泡沫塑料的密度比多层隔热材料小得多，在密封舱内隔热时，常用软质泡沫塑料。2.2主动热控技术主动热控制技术是指当航天器内、外热流状况发生变化时，通过某种自动调节系统使航天器内的仪器设备的温度保持在指定范围内的热控技术。优点：具有一定的温度调节能力，可大大减少由于热源变化而引起的仪器设

22、备温度的波动。2.2.1 辐射式主动热控方法主要是通过控制辐射热阻的方法来对星上仪器或某一舱段进行温度控制（如热控百叶窗、热控旋转盘）2.2.2传导式主动热控方法n传导式主动热控技术是通过控制传导途径上的热阻来实现控温的。接触式热开关、可控热管（可变热导热管、热二极管、热管式热开关）2.2.3对流式主动热控方法对流热控制是利用流体对流换热的方法对卫星内部整体或局部实施热控。对流式主动热控需要注意的问题：保持密封；强迫对流消耗电能并且系统复杂。n优点：换热能力强。n包括：气体循环系统、液体循环系统、两相流体回路系统其中液体冷却回路常用于再忍飞船中：3. 常用的外热流模拟设备常用的外热流模拟设备：

23、红外加热笼、红外灯、康铜加热片与太阳模拟器。4. 简要说明再入飞行器的两种防热途径载入防热方法：吸热式防热、辐射式防热和烧蚀防热（共三种！）4.1 热容吸热式防热结构利用防热层材料的热容量吸收大部分气动热的一种防热方法。n机理：在返回舱结构的外面包覆一层热容量较大的材料，这层材料吸收大部分进入返回舱表面的气动热，从而使传入结构内部的热量减小。n基本特点：防热层的总质量与传入的总热量成正比；防热层表面形状和物理状态不变；这种防热方式所用的材料或受熔点的限制，或受氧化破坏的限制。n缺点：效率不高n优点：简单易行4.2辐射式防热结构 组成：1）蒙皮，主要功能用以辐射散热，外表面要处理成具有较大辐射系

24、数（0.8）的特性，向内表面的辐射系数应尽可能低；2）隔热材料，功能是将外蒙皮与内部结构隔开，并阻止热量向内部传递，材料热导率要小；3）飞行器本体结构；4）除此以外，还有将以上三部分连成整体的连接体。n特点：辐射防热结构只能在热流密度较小的条件下使用；辐射防热结构虽受热流密度限制，但不受加热时间的限制；辐射防热结构外形不变，可以重复使用。（航天飞机防热瓦）4.3烧蚀防热结构烧蚀：就是材料在再入的热环境中发生的一系列物理、化学反应的总称，在烧蚀过程中，利用材料质量的损耗，获得了吸收气动热的效果。组成：烧蚀层、隔热层和内部的承力结构。第八章 测控与通信分系统1. 说明用户卫星在星上时钟有时间误差的

25、情况下，通过4颗GPS卫星进行精确定轨的原理2. 航天器测控系统的任务是什么？测控与通信系统的任务是对航天器进行跟踪、测轨、定位、遥测、遥控和通信。测控系统的任务是对航天器进行跟踪、遥测和遥控。通信是测控之外的另一个星地数据系统，主要目的用来传输航天器上有效载荷取得的高速率数据。3.地面测控网对卫星测距与测速的原理测距：测速：4. 卫星测控通信分系统的组成及工作原理广义的测控与通信系统是航天技术的大系统之一，包括航天器本体中的测控通信分机和地面通讯设备（运载与航天器测控网）。地面站（包括船队）和航天测控中心组成航天测控网。由航天测控中心完成地面站的统一管理，数据的统一处理，命令的统一编排。工作

26、原理：？n第九章 航天器数据管理系统1. 航天型号软件研制过程模型可分成那几种类型？软件瀑布模型软件增量模型软件快速原型模型软件螺旋模型2. 说明航天型号软件的特点。3. . 数据管理分系统的组成和主要功能航天器数据管理系统是将航天器的遥测、遥控、程控、自主控制和管理等功能综合在一个以微处理机为主的系统中去实现。数管系统可实现航天器的运营管理和在轨维护。组成：数管分系统是由硬件、软件、固件组成。功能：遥控功能。接收、解调和处理来自射频信道的上行遥控指令和数据，完成遥控验证后，将指令和数据分配到航天器各分系统；遥测功能。采集航天器工程遥测数据和有效载荷遥测数据，进行处理、存储，并汇集所有需经遥测

27、下行信道传送的信息，实施格式化或包装处理，完成信道编码和副载波调制后送遥测下行信道；程序控制功能。按设计要求发送延时指令或程控指令，产生自主控制命令，以实现航天器的自主控制和管理；星上时间基准功能。产生航天器时间基准信号和航天器时钟，并向各分系统分配时间信息和定时信号，为分系统提供事件计时；内务管理功能。即对数管系统自身实施监控，进行冗余和容错管理有效载荷管理功能。为其它分系统提供专用的数据处理和数据格式，支持各分系统间的信息交换和信息共享，这一功能依航天器飞行任务而异，繁简差别很大；姿态与轨道控制功能。有的航天器数管系统还具有姿态和轨道控制的功能以及实施航天器计算机系统运行的管理和交互支持；

28、测试服务功能。在航天器各类大型试验中支持完成航天器的测控任务。第十章 姿态轨道控制分系统1. 轨道确定的任务是什么。解释说明轨道6要素的含义。轨道确定的任务是研究如何确定航天器的位置和速度，有时也称为空间导航，简称导航;六要素：2. 说明航天器控制系统的组成及各组成部分的功能。航天器控制系统由敏感器、控制器和执行机构三部分组成：1)敏感器用以测量某些绝对的或相对的物理量；2)控制器担负起信号处理的任务；3)执行机构起控制作用，驱动动力装置产生控制信号所要求的运动;这三部分统称为控制硬件，而用于完成测量和控制任务所需的算法称为软件。3. 说明航天器双矢量定姿的工作原理?4. 请写出姿态敏感器按不同的方位基准的分类及其工作原理。按不同的方位基准分类:1)以地球为基准方位：红外地平仪，地球反照敏感器；2)以天体为基准方位：太阳敏感器，星敏感器；3)以惯性空间为基准方位：陀螺，加速度计；4)以地面站为基准方位：射频敏感器；5)其他：磁强计（以地磁场为基准方位），陆标敏感器（以地貌为基准方位）原理：太多了！5. 试说明飞轮控制的特点特点：l 飞轮可给出精确的连续变化的控制力矩，可进行线性控制。因此飞轮的控制精度一般比喷气推力器高一个数量级，且姿态误差速率也比喷气控制小。l 飞轮需要电能，可通过太阳能电池在轨得到补充