航天器总体的设计

1、综合实例综合实例CE-1第十二章第十二章12.112.1概述概述12.212.2总体设计总体设计12.3 12.3 轨道设计轨道设计12.4 12.4 有效载荷设计有效载荷设计12.5 12.5 公用平台设计公用平台设计12.1概述概述嫦娥探月工程嫦娥探月工程 整个探月工程分为整个探月工程分为“绕绕”、“落落”、“回回”3 3个阶段个阶段 第一步第一步 20072007年年1010月月2424日日发射探月卫星发射探月卫星“嫦娥一号嫦娥一号”，对月球表面环境、地貌、地形、对月球表面环境、地貌、地形、地质构造与物理场进行探测。地质构造与物理场进行探测。 12.1概述概述嫦娥探月工程嫦娥探月工程 整

2、个探月工程分为整个探月工程分为“绕绕”、“落落”、“回回”3 3个阶段个阶段 第二步第二步 20072007年至年至20102010年，目标是研制和发射航天年，目标是研制和发射航天器，以软着陆的方式降落在器，以软着陆的方式降落在月球上进行探测。使用降落月球上进行探测。使用降落在月面上的巡视车、自动机在月面上的巡视车、自动机器人探测着陆区岩石与矿物器人探测着陆区岩石与矿物成分，测定着陆点的热流和成分，测定着陆点的热流和周围环境。周围环境。 12.1概述概述嫦娥探月工程嫦娥探月工程 整个探月工程分为整个探月工程分为“绕绕”、“落落”、“回回”3 3个阶段个阶段 第三步第三步 20112011至至2

3、0202020年，目标年，目标是月面巡视勘察与采样返回，为下是月面巡视勘察与采样返回，为下一步载人登月探测、建立月球前哨一步载人登月探测、建立月球前哨站的选址提供数据资料。站的选址提供数据资料。12.1概述概述四大科学目标四大科学目标 1. CCD立体相机搭载激光计拍摄三维影像月球地形图2.探测月球上元素的分布3.任务是评估月球上土壤的厚度和氦-3的资源量4.任务是监测远至40万km范围内的空间环境12.1概述概述关键技术关键技术 （1 1）卫星的姿态控制。卫星的姿态控制。因为因为“嫦娥一号嫦娥一号”在正常探测时，卫星大部在正常探测时，卫星大部分探测仪器需要对准月面，卫星太阳帆板要对准太阳，卫

4、星数传天线分探测仪器需要对准月面，卫星太阳帆板要对准太阳，卫星数传天线要对准地球，这种技术在以前的绕地卫星飞行器当中还没有使用过。要对准地球，这种技术在以前的绕地卫星飞行器当中还没有使用过。（2 2）远距离的通讯。远距离的通讯。由于地月之间距离接近四十万公里，要完成这由于地月之间距离接近四十万公里，要完成这么远距离通讯，涉及到卫星上的天线要对准地球，卫星上的放大器要么远距离通讯，涉及到卫星上的天线要对准地球，卫星上的放大器要有足够的功率，地面接收站要有足够大直径的天线。这些技术都是中有足够的功率，地面接收站要有足够大直径的天线。这些技术都是中国航天所首次遇到，有一定难度。国航天所首次遇到，有一

5、定难度。（3 3）探测仪器。探测仪器。卫星所载探测仪器都是根据这次科学目标新研制而卫星所载探测仪器都是根据这次科学目标新研制而成，它在后续的工作中是否能够正常工作要面临考验。成，它在后续的工作中是否能够正常工作要面临考验。（4 4）工作一年。工作一年。“嫦娥一号嫦娥一号”卫星设计的探测任务是工作一年，这卫星设计的探测任务是工作一年，这一年工作当中对于卫星及星载各种仪器设备的可靠性也是一个考验。一年工作当中对于卫星及星载各种仪器设备的可靠性也是一个考验。12.1概述概述飞行日志飞行日志 “嫦娥嫦娥”八大关节点八大关节点：发射：发射(24(24日日18:05 18:05 已完成已完成) - ) -

6、 入轨入轨(24(24日日18:30 18:30 已完成已完成) - ) - 变轨变轨( (第一次变轨第一次变轨 2525日日17:55 17:55 已完成已完成)()(第二次变轨第二次变轨 2626日日下午下午 升到升到2424小时轨道小时轨道 已完成已完成)()(第三次变轨第三次变轨 2929日日 进入进入4848小时轨道小时轨道 已完成已完成) - ) - 奔月奔月(10(10月月3131日日 已完成已完成) - ) - 修正修正( (第一次修正完成第一次修正完成) - ) - 制动制动(5(5日日1111时时3737分分 已完成已完成) - “) - “放歌放歌”(11(11月月7 7

7、日前后日前后) - ) - 传回照传回照片片(11(11月下旬月下旬) )12.1概述概述领军人物领军人物 总指挥：栾恩杰总指挥：栾恩杰总设计师：孙家栋总设计师：孙家栋 首席科学家：欧阳自远首席科学家：欧阳自远 测控系统总设计师：于志坚测控系统总设计师：于志坚卫星系统总设计师：叶培建卫星系统总设计师：叶培建12.2总体设计总体设计一、系统组成一、系统组成12.2总体设计总体设计1. 1. 卫星系统卫星系统 卫星系统总指挥兼总设计师为中国空间技术研究院的叶培建卫星系统总指挥兼总设计师为中国空间技术研究院的叶培建院士。院士。“嫦娥一号嫦娥一号”卫星外形与东方红三号卫星相似，是一个卫星外形与东方红三

8、号卫星相似，是一个2.02.0米米1.721.72米米2.22.2米六面的立方体，两张太阳能电池板分布在米六面的立方体，两张太阳能电池板分布在两侧，最大跨度达两侧，最大跨度达1818米，它选用东方红米，它选用东方红3 3号卫星平台并根据月球号卫星平台并根据月球探测任务需要进行了技术改进，采用三轴稳定姿态控制，数据储探测任务需要进行了技术改进，采用三轴稳定姿态控制，数据储存传输总量为存传输总量为39Gbit/24h39Gbit/24h，在轨寿命，在轨寿命11年。年。12.2总体设计总体设计1. 1. 卫星系统卫星系统12.2总体设计总体设计2. 2. 运载火箭系统运载火箭系统 运载火箭系统总指挥

9、、总设运载火箭系统总指挥、总设计师分别是中国运载火箭技术研计师分别是中国运载火箭技术研究院的岑拯、贺祖明。嫦娥究院的岑拯、贺祖明。嫦娥1 1号由号由我国长征我国长征3 3号甲运载火箭发射。号甲运载火箭发射。12.2总体设计总体设计3. 3. 发射场系统发射场系统 载人航天发射场基本任务：为运载火箭、飞船有效载荷提供载人航天发射场基本任务：为运载火箭、飞船有效载荷提供满足技术要求的转载、总装、测试及运输设施。发射系统总指挥、满足技术要求的转载、总装、测试及运输设施。发射系统总指挥、总设计师分别是西昌卫星发射中心徐宏亮、解放军总装备部工程总设计师分别是西昌卫星发射中心徐宏亮、解放军总装备部工程设计

10、所于建平。设计所于建平。12.2总体设计总体设计4. 4. 地面应用系统地面应用系统 地面应用系统的总指挥、总设计师分别是国家天文台的艾国地面应用系统的总指挥、总设计师分别是国家天文台的艾国祥、李春来。地面应用系统是把月球探测器探测到的信息进行实祥、李春来。地面应用系统是把月球探测器探测到的信息进行实际应用和开展应用研究的系统，负责探测器任务的规划、探测数际应用和开展应用研究的系统，负责探测器任务的规划、探测数据的接收、解译、探测数据的科学研究等。据的接收、解译、探测数据的科学研究等。 12.2总体设计总体设计4. 4. 地面应用系统地面应用系统12.2总体设计总体设计5. 5. 测控系统测控

11、系统 测控系统总指挥、总设计测控系统总指挥、总设计师分别是西安卫星测控中心董师分别是西安卫星测控中心董德义、解放军总装于志坚。我德义、解放军总装于志坚。我国航天器测控系统已经形成了国航天器测控系统已经形成了以西安卫星测控中心为中枢，以西安卫星测控中心为中枢，以十多个固定台站、活动测控以十多个固定台站、活动测控站和远望号测量船为骨干的现站和远望号测量船为骨干的现代化综合测控网。代化综合测控网。 12.2总体设计总体设计二、卫星研制流程二、卫星研制流程 初样阶段：初样阶段： 在初样阶段进行系统和分系统的接口协调、详细设计和试验验证。在初样阶段进行系统和分系统的接口协调、详细设计和试验验证。完成热控

12、星、结构星、电性星的投产和试验，其目的是确定正样的技完成热控星、结构星、电性星的投产和试验，其目的是确定正样的技术状态。结构星采用真实的结构件，经过结构术状态。结构星采用真实的结构件，经过结构/ /热控模拟设备总装后，热控模拟设备总装后，进行整星级振动试验；试验完成后，进行整星热控实施改装成热控星，进行整星级振动试验；试验完成后，进行整星热控实施改装成热控星，进行热平衡试验；电性星由模拟结构件和真实设备组成，用以完成不进行热平衡试验；电性星由模拟结构件和真实设备组成，用以完成不同状态下的电性能测试和电磁兼容性试验。进行卫星与测控、应用系同状态下的电性能测试和电磁兼容性试验。进行卫星与测控、应用

13、系统的对接试验，以及星箭地三方电磁兼容性、星箭接口专项匹配性试统的对接试验，以及星箭地三方电磁兼容性、星箭接口专项匹配性试验。验。12.2总体设计总体设计二、卫星研制流程二、卫星研制流程 正样阶段：正样阶段： 在正样阶段进行正样星设备的设计、生产、试验和验收。进行正在正样阶段进行正样星设备的设计、生产、试验和验收。进行正样星的部装和总装，推进系统检漏、设备安装配准和精度测量、卫星样星的部装和总装，推进系统检漏、设备安装配准和精度测量、卫星质量特性测试等试验。进行正样星的电性能测试、质量特性测试等试验。进行正样星的电性能测试、EMCEMC试验。进行正试验。进行正样星的力学环境试验和热试验。完成测

14、控对接试验、应用对接试验和样星的力学环境试验和热试验。完成测控对接试验、应用对接试验和星箭接口匹配性检查。完成在发射场的总装、电测等发射准备工作。星箭接口匹配性检查。完成在发射场的总装、电测等发射准备工作。12.3轨道设计轨道设计12.3轨道设计轨道设计12.4有效载荷设计有效载荷设计1.1.三维影像的立体相机三维影像的立体相机CCDCCD 嫦娥嫦娥1 1号卫星将采取与其号卫星将采取与其他国家不同的思路，搭载他国家不同的思路，搭载1 1台台CCDCCD立体相机和立体相机和1 1个激光高度计，个激光高度计，两者结合绘制完整细致的立体两者结合绘制完整细致的立体月球地图。月球地图。CCDCCD立体相

15、机同时立体相机同时对卫星飞行的前方、下方和后对卫星飞行的前方、下方和后方进行拍照，形成三维影像。方进行拍照，形成三维影像。 12.4有效载荷设计有效载荷设计1.1.三维影像的立体相机三维影像的立体相机CCDCCD12.4有效载荷设计有效载荷设计2.2.激光高度计激光高度计 激光高度计由激光器、望激光高度计由激光器、望远镜和接收电路三部分组成。远镜和接收电路三部分组成。卫星进入环月轨道后，激光高卫星进入环月轨道后，激光高度计首先向月面发射激光束，度计首先向月面发射激光束，并立刻用望远镜把反射回来的并立刻用望远镜把反射回来的光束变成电信号光束变成电信号 。12.4有效载荷设计有效载荷设计3.3.干

16、涉成像光谱仪干涉成像光谱仪 干涉成像光谱仪可以同时干涉成像光谱仪可以同时获取目标的获取目标的“形影信息形影信息”和和“光谱信息光谱信息”，在空间遥感探，在空间遥感探测方面具有不可替代的优势，测方面具有不可替代的优势，被誉为光学传感器发展历史上被誉为光学传感器发展历史上的一次革命。的一次革命。 12.4有效载荷设计有效载荷设计4.4.伽马射线谱仪伽马射线谱仪 嫦娥嫦娥1 1号卫星将用世界先进的伽马号卫星将用世界先进的伽马/X/X射线谱射线谱仪探测月球上仪探测月球上1414种元素的分布。通过开采月球资种元素的分布。通过开采月球资源，满足人类社会的需求。源，满足人类社会的需求。 12.4有效载荷设计

17、有效载荷设计5.5.微波辐射计微波辐射计 微波辐射计是一种获取微波辐射计是一种获取场景微波特征的重要手段，场景微波特征的重要手段，通过微波的特征，其穿透性通过微波的特征，其穿透性的力量，可以看穿地下，测的力量，可以看穿地下，测出土壤厚度。出土壤厚度。12.4有效载荷设计有效载荷设计6.6.高能粒子探测器、低能离子探测器高能粒子探测器、低能离子探测器 太阳高能粒子探测器和低能离太阳高能粒子探测器和低能离子探测器，将首次探测远至子探测器，将首次探测远至4 4万至万至4040万万kmkm间的空间环境，这些关键科学间的空间环境，这些关键科学数据，对今后深空探测器的环境防数据，对今后深空探测器的环境防护

18、设计具有重要的参考价值。这两护设计具有重要的参考价值。这两种探测器，都是用以探测太阳辐射种探测器，都是用以探测太阳辐射以及其它宇宙射线的最好工具。以及其它宇宙射线的最好工具。 12.5公用平台设计公用平台设计 嫦娥一号卫星整体重量嫦娥一号卫星整体重量23502350千克，自身重量千克，自身重量11501150千克。本体尺寸千克。本体尺寸为为20002000毫米毫米17201720毫米毫米22002200毫米。两张太阳能电池帆板展开最大跨毫米。两张太阳能电池帆板展开最大跨度度18.118.1米。米。 作为一个复杂的系统，嫦娥一号卫星由结构分系统，制导、导航作为一个复杂的系统，嫦娥一号卫星由结构分

19、系统，制导、导航与控制分系统，电源分系统，热控分系统，测控和数据传输分系统，与控制分系统，电源分系统，热控分系统，测控和数据传输分系统，数据管理分系统，推进分系统等多个部分组成。数据管理分系统，推进分系统等多个部分组成。 12.5公用平台设计公用平台设计 一、结构与机构一、结构与机构12.5公用平台设计公用平台设计 二、控制系统二、控制系统 制导、导航与控制分系统：由测量部件（敏感器）、控制计算机制导、导航与控制分系统：由测量部件（敏感器）、控制计算机和执行机构等构成，负责对探测器飞行路线偏差进行修正和控制，对和执行机构等构成，负责对探测器飞行路线偏差进行修正和控制，对探测器姿态进行测量和控制

20、，对太阳能电池帆板和有效载荷进行指向探测器姿态进行测量和控制，对太阳能电池帆板和有效载荷进行指向控制，从而保证整个飞行期间的轨道稳定，并保证一定的飞行姿态。控制，从而保证整个飞行期间的轨道稳定，并保证一定的飞行姿态。我国研制出的新型紫外三轴姿态敏感器可以完成嫦娥我国研制出的新型紫外三轴姿态敏感器可以完成嫦娥1 1号三轴姿态的号三轴姿态的确定。确定。12.5公用平台设计公用平台设计 三、推进系统三、推进系统 在嫦娥一号卫星上，推进分系统配置了在嫦娥一号卫星上，推进分系统配置了1 1台大推力的变轨发动机和台大推力的变轨发动机和1212台小推力的推力器。台小推力的推力器。1212台推力器分成台推力器

21、分成A A、B B两分支，每分支两分支，每分支6 6台互为备台互为备份。份。 在嫦娥一号奔月的过程中，运载火箭将卫星送入绕地球飞行的大在嫦娥一号奔月的过程中，运载火箭将卫星送入绕地球飞行的大椭圆轨道后，卫星的推进分系统就开始工作，经过椭圆轨道后，卫星的推进分系统就开始工作，经过1 1次远地点和次远地点和3 3次近次近地点变轨，使卫星进入地月转移轨道，再经过地点变轨，使卫星进入地月转移轨道，再经过2 23 3次中途修正和次中途修正和3 3次次近月制动，将探测器送入绕月轨道。在随后卫星的近月制动，将探测器送入绕月轨道。在随后卫星的1 1年寿命期内，还需年寿命期内，还需要定期进行位置保持控制和姿态控

22、制。要定期进行位置保持控制和姿态控制。 12.5公用平台设计公用平台设计 四、热控制四、热控制 热控分系统对星内一般设备其温度范围为热控分系统对星内一般设备其温度范围为-10-104545，其设计指标，其设计指标由热控分系统保证。由热控分系统保证。12.5公用平台设计公用平台设计 五、测控与星载数据管理五、测控与星载数据管理 数据管理系统对所有数据进行收集。嫦娥一号数据管理系统对所有数据进行收集。嫦娥一号”所获取的数据将源所获取的数据将源源不断地以无线电波的方式传送回地球，此时，中国四个观测站形成的源不断地以无线电波的方式传送回地球，此时，中国四个观测站形成的“甚长基线阵甚长基线阵”，将这些无

23、线电波接收，然后集中发送到北京总部。，将这些无线电波接收，然后集中发送到北京总部。测控和数据传输分系统测控和数据传输分系统：主要包括接收：主要包括接收/ /发射机、放大器和天线网络发射机、放大器和天线网络等。它的主要功能是完成探测器的跟踪、测轨、遥测、遥控和数据传等。它的主要功能是完成探测器的跟踪、测轨、遥测、遥控和数据传输任务。嫦娥输任务。嫦娥1 1号的数据传输系统使用了高增益定向天线，这种抛物号的数据传输系统使用了高增益定向天线，这种抛物面形状的天线可以转动，保证在绕月飞行期间指向地球。面形状的天线可以转动，保证在绕月飞行期间指向地球。12.5公用平台设计公用平台设计 五、测控与星载数据管

24、理五、测控与星载数据管理数据管理分系统：数据管理分系统：向各分系统提供时间基准及频率标准；向各分系统提供时间基准及频率标准；接收地球站发来的实时遥控指令和存储延时指令，按时间接收地球站发来的实时遥控指令和存储延时指令，按时间要求分别发送给各分系统，产生执行动作；根据事先制定要求分别发送给各分系统，产生执行动作；根据事先制定好的准则，控制各分系统的工作状态；根据各分系统的工好的准则，控制各分系统的工作状态；根据各分系统的工作状态，给地球站下传遥测数据等。作状态，给地球站下传遥测数据等。12.5公用平台设计公用平台设计 五、测控与星载数据管理五、测控与星载数据管理数管分系统数管分系统是二级分布式容错计算机系统，由一台上位机