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[信息] 航天项目运作

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发表于 2008-11-28 10:17:12 | 显示全部楼层

航天项目运作

世界各国的航天项目运作模式大体相同,一般分为概念性研究、可行性分析、方案论证、工程研制、发射准备以及运营管理等阶段。而各国国情不同,又在“大同”中存在“小异”,本章主要通过介绍中国以及以美国为代表的国外航天项目运作模式,为您揭开“航天项目运作”的神秘面纱。

 楼主| 发表于 2008-11-28 10:17:58 | 显示全部楼层

概念性研究

本阶段为第一阶段,国外称为零阶段。在我国,一般由航天器总体设计部门根据规划或用户部门提出的航天器任务目标、使用要求,进行项目了解、消化、分析和论证,并反复与用户部门协商,调研该航天器的国外发展态势、国内已具备的技术条件和技术进步,初步提出航天器总体方案和分系统方案设想、航天系统工程方案设想、航天器的关键技术、研制进度和经费估算以及国际合作的可能性。使得用户部门提出的该航天器的目的意义和任务目标明确,使用要求是必要的、合理的和可行的,并经过概念性研究评审。

而在国外,个人或是团队都可以根据自己的想法和计划向美国航空航天局申请开展研究。NASA将对申请报告中有价值的部分进行研究和评估,并将其中通过评估的部分分配给NASA的研究中心进行研究。如深空探测方面的任务,NASA一般就分配给其下属的喷气推进实验室完成,就像最近登陆火星的”勇气号”与”机遇号”探测任务。在进行下一阶段之前,需要完成以下活动:NASA总部建立科学项目工作组,并由其确定研究的目标和先决条件,准备项目的初步科学概念和理论。待工作组完成其工作,准备好高水平概念之后,NASA总部面向高校科学家、NASA各研究中心和全世界的科研组织发布招标书。招标书中明确了项目现阶段的概念、科学机会、目标、先决条件和系统概念,并详细规定了完成该项目所需要的时间。其后NASA总部要再次审议与任务目标有关的申请报告,并对其中涉及的航天器质量、能量消耗、收益、安全性和研究部门对项目的支持力度等重要审核因素进行评估。一般来说,当资金注入到项目承担单位就意味着计划正式启动。在此阶段,还需要按需为全体工作人员分配任务,形成专业项目组。举例来说,航天器系统工程组完成航天器设计、导航系统组完成导航设计、任务执行和自动化组完成任务操作。在进行新的项目时,各专业组还要进行调整以适应新项目的特色和管理结构。在本阶段的最后,喷气推进实验室向NASA总部提交概念性研究报告,NASA完成验收工作之后,概念性研究阶段结束。而在国内同样需要提交一份研究报告,为航天器工程项目启动作准备的。

 楼主| 发表于 2008-11-28 10:18:21 | 显示全部楼层

可行性论证

本阶段为第二阶段,国外称为A阶段。可行性论证是进行技术可行性论证和经济性可行性论证。技术可行性是指航天器和航天工程系统的功能、性能、技术特征、约束条件和运行条件,经济可行性是指投资规模和投资强度,并寻求最佳费效比。技术指标和经济指标是密切相关联的,并要考虑可能有政治、经济、法律或社会问题的因素。在航天器研制过程中,航天器的性能、成本、研制进度、约束条件和风险是航天器设计师和系统工程师始终要考虑的五要素。在一定的风险情况下,降低成本会降低性能;在一定的成本条件下,降低风险会降低性能;在一定性能条件下,降低成本会增加风险;在一定性能条件下,降低风险会增加成本。在本阶段,需要完成该航天器工程项目的初步设计任务书报告和技术可行性和经济可行性方案论证报告,并经过可行性阶段评审,为获得经费支持并为下阶段方案的确定打下基础。

在可行性论证阶段还要完成工程建立初步的设计和工程计划,具体包括:建设规划、发射时间、飞行轨道、巡航期任务、航天器到达目的地时间以及操作流程。初步计划中还用进行建造-采购对比,确定航天器必需设备,飞行系统试验的地点、执行任务操作的单位、确定地面数据系统能力以及试验承担单位。一般说来,公布含有经费预算的初步研究计划方案后,可行性论证阶段结束。

 楼主| 发表于 2008-11-28 10:18:54 | 显示全部楼层

方案论证阶段

本阶段为第三阶段,国外称为B阶段。航天器总体设计部门首先与使用部门共同进一步研究、分析、修改和补充初步设计任务书,使得任务目标和使用要求更明确、更必要、更合理、更满意。为此,提出的正式设计任务书作为航天器总体设计方案的依据。并将任务目标和使用要求重新陈述为航天器系统要求。

可行性论证阶段提出的几个比较好的方案,只是由总体设计部门根据任务要求的初步选择。而要最后确定方案,必须与有效载荷和航天器分系统研制部门共同开展研究和设计工作,必须与航天系统有关部门反复协调,最后共同提出一个最佳方案;这个方案可能是几个方案中的一个,也可能是吸取几个方案的优点重新提出一个更好、更切合实际的方案。所提出的方案绝大部分都必须根据已有的分系统,加以适当的修改后,组成方案的基础。

方案论证阶段是各研制阶段中最重要的一个阶段,必须全面认真、慎重、细致地进行工作。一旦方案确定,在以后的研制阶段将不允许出现“颠覆性”方案性问题,否则将会造成人力、物力、财力和时间的极大浪费。

在方案确定阶段,经评审后修改完成的总体技术方案应包括如下内容:重新审定确认任务需求研制任务书;确定工作分解结构;确定系统功能和总体主要性能指标;进行技术指标(功能、性能、重量、体积、功率、可靠性等)分配;确定系统之间和系统与分系统之间的内部和外部接口要求;完成航天系统(运载火箭、发射场、通信和测控网、地面应用系统)接口协调协议书;完成总体技术方案完整的设计图纸和软件;编制工作计划流程图;初步完成经费预算和分配;向分系统下达研制任务书;提出航天器总装技术,准备初步制造计划;提出航天器试验大纲和试验设备要求。确定该阶段必须物资、明确时间进度和进行初步系统设计和研制的技术规范。

美国在此阶段中,除完成以上内容外,还需重点要进行包括系统需求检验、系统设计检验、不利因素检验等在内的各种验证。试验内容分为实验室条件和工业生产条件两个层次。所谓的工业生产条件实验要在特定的硬件条件下完成,基于现有的资源和过去的成果选择设施,所进行的实验是在初步计划中拟定的。但是,同样允许实验项目承担者对实验方案和计划进行改良,并按照自己的想法完成实验,并且这些想法可以包含其它实验的附加内容。NASA评定委员会复审所有新提案,并划分等级。此后,由NASA空间科学办公室指导委员会的一个下属委员会从科学价值、经费使用、管理、工程以及安全性等方面考察,确定最终所要进行的实验项目。确认基础建设、仪器设备运转以及评估实验数据的科学团队。通常每项试验由一个团队负责完成,每个团队有一名负责人或者主要研究者。在美国多数情况下,不利因素检验完成标志着方案论证阶段的完成。

 楼主| 发表于 2008-11-28 10:19:34 | 显示全部楼层

工程研制阶段

本阶段为第四阶段,国外称为C/D阶段。国内工程研制阶段分为初样研制阶段和正样研制阶段。(1)初样研制阶段:根据总体设计部正式下达的研制任务书,各分系统研制部门按照总体技术方案中确认的分系统总体方案继续深入进行分系统方案论证,开展详细设计和分系统仿真,保证研制的分系统满足研制任务书中规定的各项技术要求。(2)正样研制阶段:在初样研制阶段基础上,根据试验中出现的问题经分析研究后,航天器各分系统进行修改设计、制造、组装和试验。此阶段还将编写工程项目指南和用户手册。

而在国外,本阶段需要协商通过项目时间进度,完成空间飞行系统的设计和研制。空间飞行系统按照总装、试验、发射、展开和验证的步骤完成此阶段。首先完成分系统建造,其后组装完成航天器。在发射之前,组装完整的航天器要在空间模拟环境中完成测试。如“旅行者”、“尤利塞斯”、“伽利略”、“卡西尼”等许多航天器都在喷气推进实验室直径25英尺的太阳-热-真空实验舱内完成大量试验和测试。 66就是“伽利略”航天器实验中的情景。在航天器设计研制的同时,地面辅助系统进行研制制造,并随航天器实验共同运转。在美国此阶段要一直持续到航天器发射前30天。在本阶段同样要完成很多检验,主要包括:初步设计检验、临界设计检验、实验准备检验以及飞行准备检验等。

 楼主| 发表于 2008-11-28 10:20:05 | 显示全部楼层

发射前准备阶段

本阶段为第五阶段,国外称为E阶段。本阶段的主要目的是准备并检验合格的运行系统。发射航天器经总装厂检验合格后,航天器整体或部分产品分装出厂运往发射场,首先进入技术阵地,进行组装和检查测量。航天器产品经长途运输后,受地面运输环境(主要是振动和冲击)的影响,是否能保持出厂前的技术状态,需要再一次检测产品性能、工艺质量和接口关系的合理性和协调一致性,以便排除隐患。航天器进入发射阵地后,首先吊装与运载火箭组装对接。航天器处于处置发射状态同样要利用外接电源和内接电源进行系统性能检测并保证航天器各分系统、航天器与运载火箭以及航天器与发射场和地面测控网接口关系的协调一致性。完成垂直测试后,航天器上蓄电池充电、气瓶充气、推进剂加注、火工品替代火工品工艺件、外接电源转内电,此时航天器真正进入发射状态。各类航天测控站进入临射状态,运载火箭推进剂加注后,把航天器送入预定轨道。

 楼主| 发表于 2008-11-28 10:20:25 | 显示全部楼层

运营和管理阶段

本阶段为第六阶段,国外称为F阶段。本阶段的目的在于满足完成研制任务书确定的用户需求。刚入运行轨道的航天器并不能马上满足用户需求,需要经过一段测量和调整时间才能交付使用。航天器建立初始姿态后要调整姿态和修正姿态偏差;初始运行轨道要修正或机动后才能进入标称轨道;航天器上分系统和仪器需要大量的工程数据和环境数据;航天器与地面测控系统、地面应用系统联试需要时间。地球测控站要定期或长期监视运行航天器的技术状态,以便及时发现航天器上的异常现象和出现的故障,并排除故障。

 楼主| 发表于 2008-11-28 10:21:06 | 显示全部楼层

航天器设计的影响因素

一项任务的提出,到经历上述步骤得以完成需要考虑很多因素的影响,下面我们就简单谈谈这些设计中的影响因素。

l         预算

航天器轨道是受天体力学支配的,但实际上经费预算才是决定航天器计划细节的支配力量。航天器以一条快速、直接的途径完成任务是最容易想到的,这样只需考虑航天器上面级的质量和星际引力加速就可以了。航天器飞出地球几个星期是否就可以取得重要的科学成果?哪一种方式才能更有效地减少人力和时间两方面的投资呢?这就需要在进行更多项目之前,达成资金、政治以及物理定律之间的平衡。

l         设计变更

在真正的航天器设计执行之前,任务的目的、应用范围、时间和经费预算是必须要明确的。但是在航天器的寿命周期中,由于假想因素的变化,就很有可能更改设计,即便这个设计已经被最终认可、并已经获得资助。设计更改代价总是很高昂的。 “伽利略”任务就在最终发射之前,经历了重大的而且昂贵的设计修改。投资数百亿美元的自由号空间站项目已经实施多年,并已经形成全面的设计,但最终修改了设计,成为了国际空间站。

l         资源争夺

许多喷气推进实验室航天器的观测时段要受到太阳系几何结构的直接影响,而观测时段指示着航天器的最佳发射时期。航天器要占据一部分空间完成预定的科学任务,因此会与其它航天器存在空间位置上的竞争,而实际上与之竞争的对象主要是深空探测网天线跟踪时间。如果任务航天器所占据的空间很少有其它航天器,或者观察周期内没有其它的航天器,那么该航天器就有很大的优势了。在观察周期内,在一个深空探测网位置的本地水平线上可以观察到特定的航天器,可能的时间跨度每天有8小时或者更多。在航天器任务启动的几年前,任务设计者就需要喷气推进实验室的资源分析组进行假定性分析研究,决定任务周期中深空探测网跟踪时间可能的竞争度。这项研究有助于项目管理者选择发射时间、最小竞争任务剖面和获得最大的任务回报。

67表明了不同观察周期内不同航天器对深空探测网内资源的竞争情况。尽管 67日期是1993年,但已经能够说明不同的航天器面临着潜在的资源竞争。不同的航天器占据不同的空间位置,如 67中的四月,竞争很小;但是当几个不同的航天器聚集在空间的同一区域,像 67中的12月,竞争就十分严重了。 67是由资源定位组所制定的,十年一个周期,每图中显示每月15日航天器位置。箭头表示由地球看航天器的方向,箭头两侧各有60度的空隙表明航天器有8小时的观察周期。

l         跟踪能力

设计在轨存储、遥测率、飞行轨道以及发射周期时,深空探测网跟踪能力和数据处理能力也是必须要考虑的。如“麦哲伦”金星探测器每秒需要雷达传输800KB的数据。在金星测绘和高速数据传输过程中,“麦哲伦”都使用高增益天线,这样就可以满足每次测绘在轨存储数据的需要。航天器飞行任务期间需要保证每天几乎24小时的深空探测网跟踪时间。在完成每一圈在轨测绘后,数据必须马上行输回地球,否则这一圈的数据会因下一圈数据覆盖而丢失。这个方案很好地利用了“麦哲伦”金星测绘阶段所占据的高椭圆轨道,在近金点附近的2030分钟以高速率获得数据,而在其余一小时左右时间内以每秒268.8KB的速度将数据传输回地球。

l         数据回归

飞行任务中的遥测处理及设备均十分复杂的复杂性,建设新的遥测数据处理中心将大大提高地面数据处理的成本。如果任务中的遥测与以往的飞行任务没有显著的差别,采用改进通用系统要比设计制造专用遥测数据处理系统经济得多。1985年 “红外天文卫星任务”在加州理工学院研制了全部的数据处理设备,建成的红外处理和分析中心,现在这个中心正在支持“空间红外望远镜任务”。 68就是红外处理和分析中心,也称为Morrisroe空间科学实验室。

 

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