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[信息] 典型在轨系统(美)

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发表于 2008-12-1 10:29:04 | 显示全部楼层

典型在轨系统(美)

航天器由各个功能部分组合而成,每一个功能部分称为一个子系统,典型的航天器包括如下子系统:结构系统、热系统、机械装置、数据处理系统、姿态控制系统、无线电通讯系统、电源和电分配系统、推进系统等。下面对航天器构成层次以及典型的子系统作简单的介绍。

系统、子系统和装配

系统

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子系统

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装配体

</div>

</div>

理想层次

人们可以简单的想到系统由各个子系统构成,而子系统是由各个零部件装配而成的。举例来说,航天器或一个飞行系统由很多子系统构成,如姿态控制子系统。而姿态控制子系统由很多零件装配而成,其中就包括三到四个飞轮。似乎系统和子系统的用法比较泛滥。在有些用法里,系统包括航天器和地面的全部子系统。无线电通讯系统就包括航天器及地球上的发射器和接收器子系统。而在其它的用法里,一组仪器设备就被称为一个子系统,但它还包括透镜系统等等。

航天器个体间的差异很大,采用不同的处理方法解决相似的问题。较新的航天器体积更小,质量更轻。不论航天器是大是小,都要完成航天器通用功能。相同类型的航天器也不一定具有相同的子系统。大气探测器就缺乏推进子系统和姿态控制子系统。

 

 楼主| 发表于 2008-12-1 10:29:46 | 显示全部楼层

航天器构成

航天器的基本系统

航天器由不同功能的若干分系统组成,一般有专用系统(或称有效载荷)和保障系统。前者用于直接执行特定的航天任务,后者则用于保障专用系统的正常工作。

1.      专用系统

专用系统随航天器的任务各异,例如天文卫星的天文望远镜、光谱仪、粒子探测器等;侦察卫星的可见光照相机、电视摄像机、CCD摄像机、合成孔径雷达、红外探测器、无线电侦察接收机等,气象卫星的可见光和红外扫描辐射仪、空间激光雷达,地球资源卫星的电视摄像机、主题测绘仪等;通信卫星的转发器和通信天线等。

2.      保障系统

各类航天器的保障系统是类似的,一般包括下列分系统。

(1)           结构系统:用于支撑和固定航天器上各种仪器设备(包括安装空间、安装方位和安装精度),并以骨架结构与外壳结构相连,造成一个密闭的整体,为仪器设备和航天员提供必要的工作和生活环境,也承受地面运输、发射和空间运行时的各种力学和环境载荷。

(2)           热控制系统:热控制系统是用来保障各种仪器设备在复杂的环境中处于允许的温度范围内。热控制分为被动热控制和主动热控制。热控制的措施主要有表面处理(抛光、镀金或喷涂热控涂层),包敷多层隔热材料,使用旋转盘、相变材料、百叶窗、热管、电加热器和辐射散热器等。

(3)           生命保障系统:生命保障系统用于载人航天器,维持航天员正常生活所必需的设备和条件,其中包括温度、湿度调节,供水供氧、空气净化、废物排出和封存,食品制作、保管和水的再生等。

(4)           电源系统:电源系统用来为航天器所有仪器设备提供电能。电源系统由电源、电源控制设备、电源变换器、电源配电和电缆网组成。电源主要有化学电源(如锌银电池、锂电池、氢氧燃料电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池)、太阳电池(硅电池、砷化镓电池)、核电池(放射性同位素温差发电器、核反应堆温差发电器、热离子反应堆和热机系统等)。人造地球卫星多采用蓄电池和太阳能电池阵电源,空间探测器多采用太阳能电池阵电源系统或空间核电源,载人航天器则大多采用氢氧燃料电池或太阳能电池阵电源系统。

(5)           姿态控制系统:姿态控制系统用来保持或改变航天器的运行姿态。按照控制方式可分为两类:被动姿态控制(利用航天器本身的动力学特性和环境力矩来实现姿态稳定的方法),如自旋稳定、引力梯度稳定、磁稳定、气动稳定、太阳辐射压力稳定等;主动姿态控制(根据姿态误差形成控制指令,产生控制力矩来实现姿态控制的方法)。系统由姿态敏感器(如陀螺仪、红外地球敏感器、太阳敏感器、恒星敏感器、紫外敏感器、磁强计和射频敏感器等)、控制器(模拟和数字计算机)和执行机构(推力器、磁力矩器、飞轮和控制力矩陀螺)组成。常用的姿态控制方式有引力梯度稳定、自旋稳定和三轴稳定。

(6)           轨道控制系统:轨道控制系统用来保持或改变航天器的运行轨道。由机动发动机提供动力,通过程序控制装置控制或地面遥测站遥控。轨道控制按应用方式分为4类:变轨控制和轨道机动、轨道保持、交会和对接、再入和着陆控制。轨道控制按工作原理分为两类:非自主导航(卫星的运动参数依赖地面设备而获得的导航方法)和自主导航(卫星的运动参数完全由卫星上的仪器确定的导航方法)。轨道控制往往和姿态控制相配合,共同构成卫星控制系统。

(7)           返回着陆系统:返回着陆系统用以保障返回型航天器的安全,一般由制动火箭、降落伞、着陆装置、标位装置和控制装置等组成。

(8)           数据管理系统:数据管理系统结构分为集中处理式体系结构和分布式分成处理体系结构,现在研制的航天器大多数采用后者。数据管理系统由工程分系统、有效载荷系统和局部网组成。数据管理系统的计算机随时采集航天器飞行参数、工程参数和设备运行状态以及遥测和命令执行结果。将部分数据形成一定格式数据帧文件送航天测控网;另一部分数据形成文件,根据航天器运行计划,进行自主控制;还有一部分数据形成文件,以标准格式存入数据库,共航天器上各分系统使用。数据管理系统按地面测控中心的命令,指挥和协调各分系统工作,完成航天器飞行使命。

(9)           测控系统:包括遥测、遥控和跟踪。遥测部分主要由传感器、调制器和发射器组成,用于测量并向地球发送航天器的各种仪器设备的工作参数(工作电压、电流、温度等)和其它参数(环境参数和姿态参数等)。遥控部分一般由接收器和译码器组成,用于接收地球深空探测网发来的的遥控指令,传送给有关系统执行。跟踪部分主要是信标机和应答机,他们不断发送信号,以便地球深空探测网跟踪卫星并测量其轨道位置和速度。

此外尚需配有无线电测控系统、计算机系统等。

 楼主| 发表于 2008-12-1 10:30:10 | 显示全部楼层

卫星类航天器结构

卫星是航天器的一种,使用量极大,相比一般航天器其结构具有一定的特色。卫星结构形式因其用途而异,但从功能上看都由承力结构、外壳、安装部件、天线、太阳能电池阵结构、防热结构、分离连接装置等组成。

(1)           承力结构:承力结构与运载火箭相连接,承受发射时火箭推力,因而需要有很高的强度和刚度,一般由铝合金、钛合金或纤维增强型复合材料的薄壁圆筒壳、波纹或蜂窝夹层圆柱或截锥壳与杆件组成。

(2)           外壳:外壳是卫星最外层,形成卫星的外表面,也承受一部分外力,起承力构件的作用。外壳的形状可为球形、多面柱形、锥形或不规则的多面体等。除维持外形外,外壳还应满足容积、热控制、防辐射等要求。其结构形式有半硬壳式、蜂窝结构和夹层结构、整体结构和柔性张力表面结构。

(3)           安装部件:安装部件是安装设备,并保证安装精度和防震、防磁、密封等要求的结构,可以是仪器舱式或盘式结构。

(4)           天线结构:天线结构为抛物面形,有固定式和展开式。前者的发射面是一个大面积的薄壁构件。为了防止热变形影响天线的电性能,通常用线膨胀系数很小的石墨纤维复合材料制成。可展开式天线有伞式、花瓣式、渔网式和桁架式。

(5)           太阳能电池阵:太阳能电池阵可以是直接粘贴在航天器外表面的一组太阳能电池片。有些卫星外壳做成套筒式伸展结构,卫星发射时缩叠,进入空间轨道后外筒伸展,以增加太阳能电池阵的面积。另一种是可伸展开太阳能电池翼(或称太阳能帆板),进入轨道后可伸展成翼状。

 楼主| 发表于 2008-12-1 10:30:35 | 显示全部楼层

结构子系统

结构子系统为航天器提供完整机械构造,用于航天器其它组成部分的固定支撑,承受设备操作、发射、自由落体飞行和推进系统工作造成的各种载荷。

航天器舱体是航天器子系统的主要部分,提供连接内外部组成部分的空间,保护精密模块,并为其提供热稳定和机械稳定的测量环境。支撑无线电设备、数据记录设备和计算机电路板。内部可以安装陀螺仪、飞轮、电缆、管道和其它组成部分。航天器舱体影响航天器的整体几何结构,并为其它结构子系统提供外挂点,如桁架和悬臂、天线、扫描平台等。此外,航天器舱体还提供了额外的夹持点用于航天器组装、实验、运输和发射等。

磁力计悬臂是航天器结构子系统中最长的部件,展开后可以在机械装置子系统的保护下起降。磁力计对航天器舱体的电流十分敏感,因此它被安装在悬臂上,保证恰当的使用距离。旅行者号航天器的磁力计被安装在距离航天器舱体6米和13米的距离上。发射时,由细非金属棒制成的磁力计悬臂妥善安放在保护筒内,任务过程中一旦展开就不能收回。

 楼主| 发表于 2008-12-1 10:30:57 | 显示全部楼层

数据处理子系统

现代科学设备和一些子系统一般都具有远远超过旅行者号时代整体的计算机能力,通常由一台称为“航天器主计算机”的电脑负责航天器全部的管理和活动,具有维持时间、解释地球发送的命令、收集处理并格式化需要发送回地球的遥测数据、管理高水平的错误保护和安全程序。在部分航天器上,计算机也作为命令和数据子系统。为了方便起见,我们用命令和数据子系统指代相似的子系统以及完成一些或全部任务的子系统。

§         顺序存储器

一部分命令和数据子系统存储器用于存放命令序列和地球控制航天器活动的程序。在这些命令序列和程序使用完毕后,将会被新的序列和程序覆盖,以维持对航天器长期运作的控制。命令序列是由工程计划以及由航天器小组、科学小组和其它组织共同构成的命令小组决定的。

§         航天器时钟

航天器时钟是命令与数据子系统的一个计数器,记录航天器生命周期的时间变化。除了实时命令外,航天器系统中几乎所有的活动都受到航天器时钟的控制。航天器时钟很简单,记录每一秒的时间并累加;它也可以很复杂,负责几个主要和次要的领域,采用多尺度时钟跟踪和控制不同的航天器运作。“尤里塞斯”航天器时钟仅设计了一个尺度,每两秒计一个数。“伽利略”和“麦哲伦”航天器时钟就不同了,设计了四个时钟尺度提高分辨率。有些类型的航天器上行命令要在时钟完成特定的计数后才启动。在遥测领域,航天器时钟计数指示数据产生的时间,并在工程和科学数据需要存储时作标记,或者直接启动发送下行数据,此外航天器时钟还要参与遥测进程、数据存储、系统恢复、分配和分析等。

 楼主| 发表于 2008-12-1 10:31:15 | 显示全部楼层

遥测数据的封装和译码

命令和数据子系统从科学仪器和机械子系统中提取出遥测数据,并将其恰当地放入遥测数据帧或者信息包中。如果航天器实时地发送下行数据,数据帧中的数据包将被发送到航天器的发射器,否则遥测数据将存储在航天器的存储器中。

航天器的工程和健康数据包含大量的测量参数,记录开关的位置、子系统的电压状态、温度、压力等。要在其中挑选几千个数据并汇总到遥测数据流中。命令和数据子系统能够改变遥测数据的格式,满足不同任务阶段和下行数据速率的需要,并能够判断异常数据。如果存在异常数据,命令与数据子系统就会中断科学数据的整理,而强化并专业化工程和内部数据的整理汇总。有些数据在科学和工程数据存储或发射前就已经在命令与数据子系统中处理好了。命令与数据子系统会采用数据压缩手段减小数据发射量,采用一个或更多的译码器减少数据的损失。

 楼主| 发表于 2008-12-1 10:31:34 | 显示全部楼层

数据存储

对一项任务而言,保持实时的跟踪是很少见的。在不能与地球取得联系的时间里,航天器要靠自己采集数据并进行数据的处理。航天器数据处理子系统就是解决这个问题的,提供了一个或多个数据存储器,比如磁带机、由一些随机存储器(RAM)组成的存储器等。当深空探测网准备就绪时,存储器将把数据下传,当有新数据进入时,可将旧数据覆盖。

 楼主| 发表于 2008-12-1 10:31:56 | 显示全部楼层

故障保护和保险

在远离地球的太空中,空间飞行系统在其适用期限内应当具有一定的智能、对自身进行监控并完成某种程度的思考和判断。尽管地面系统同时对航天器监控和控制,但地面的控制受到光速传播的限制,并不能马上发挥作用。时间安排局促的跟踪计划也限制了地面及时了解航天器问题并作出响应的能力。故障保护程序一般运行在航天器的一个或多个子系统中,当航天器发生事故,故障保护程序能够减轻事故的影响;如果事故造成了航天器与地球联系的中断,故障保护程序要重建联系。一个航天器通常拥有很多不同的故障保护程序,他们同时运行,并具有向命令与数据子系统请求工作的能力。

所谓“保险”是故障保护程序运行后的一种响应。这种“保险”包括关机或重新调整零部件布局,避免航天器内部或外部环境引起的破坏。另一种内部响应是完全自动的,系统搜寻地球的方向并重建与地球的联系。这套程序可以是“保险”的一部分,也可能不是。当进入“保险”状态后,航天器会中断正在进行的科学观测,并需要地面飞行团队完成额外的工作。“保险”为航天器和科学任务提供有力并可靠的保护。

通常在航天器的只读存储器(ROM)上安装一套与“保险”相类似的指令,它很小,在“麦哲伦”航天器上安装的只有1 kbyte。这套指令能够在航天器系统失控和能量过度消耗的情况下,使航天器回到正常的工作状态。更复杂的“保险”程序(也称为“偶然模式”)和故障保护程序一般存储在命令与数据子系统的随机存储器(RAM)中,其中的参数也供只读存储器代码调用,在任务周期中,地面可对“保险”和故障保护程序进行必要的升级。

 楼主| 发表于 2008-12-1 10:32:17 | 显示全部楼层
故障保护程序中有一个叫做命令丢失计时器,是一个运行在命令与数据子程序中的软件,功能是恢复系统参数预设值。比如航天器每周都会接收一条地球命令,计时器计时总是减小的,直到零为止。可以想象,当航天器运行一段时间后,航天器的接收器或者其它部件的命令序列就会发生错误,这时命令丢失计时器就会发生作用,进行一系列操作(如交换冗余硬件),重新恢复“接收命令”。
 楼主| 发表于 2008-12-1 10:32:38 | 显示全部楼层

姿态和连接控制子系统

姿态影响火箭和导弹的轨迹,而飞行轨迹确定了航天器的空间方位。导弹采用舵面控制大气层中飞行,而在大气层外则需要改变火箭发动机喷管的喷射方向或火箭姿态来控制其飞行轨迹。在航天器有动力上升阶段也可以采用类似的方式控制飞行轨迹。在几分钟的火箭发射后,航天器要面临几年的自由飞行,此时仅能靠推进系统的机动喷射维持自身的姿态和飞行方向。

航天器的姿态要稳定并受到控制,这样才能保持航天器的高增益天线准确地对准地球。姿态稳定还会带来以下好处:保持空间实验结果的精度;妥善利用太阳照射和阴影造成的冷热效应,提高航天器冷却和热防护系统使用效率。姿态稳定对导航也有好处,只有稳定才能保证推进系统正确的机动喷射方向。

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