文:晟宇(视频讲解)

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本文主要参考:

彭成荣,《航天器总体设计》

Spacecraft Configurations-Space System Design, MAE 342, Princeton University Robert Stengel

前言

对卫星有点兴趣的朋友会看到卫星的样子各式各样,有的是球形,有的是圆柱形,有的方方正正,有的很高,有的很宽等等。

那么高矮胖瘦有圆有方的卫星,不同的外形到底有什么讲究呢?

其实前段时间在知乎上的一个回答:

为什么有的卫星有一个电池板,有的有两个?

就包含在卫星构型的考虑中。我们这篇小小文章的分享当然无法解答关于卫星构型的所有问题,但是算是打开一扇小窗,看看再完整的环节上我们是如何来考虑构型这个事情的。

看看卫星的模样是不是全靠卫星设计师的灵感呢?

首先我们可以泛泛地罗列一些卫星的外形图,从这些图上我们还是能大概得出两个感觉来。

第一个感觉就是在航天发展里程的这60年里,卫星整体的构型发生了很明显的变化,就是早期的卫星更多的是球星、圆柱形。而现在方盒子型的卫星几乎成为了主流。这种趋势哪怕是在同一系列的卫星中也同样存在。

第二个感觉就是大概干相似事情的一类卫星在构型上也非常接近,例如NOAA的陆地和海洋系列的卫星就长的很像。

构型到底起什么作用

卫星是个很贵的玩意儿,所以并不是想怎么着就怎么着的,我们在卫星设计的那次分享中说过,卫星的设计是为了满足特定空间应用的。

所以任务第一(敲黑板),卫星的构型也是以满足任务来开展的。

一般来说直接面向任务满足的仪器就是有效载荷,有的是相机,有的是天线。所以卫星的构型就是围绕着这些载荷和这些载荷的辅助支持设备来开展的。

以服务载荷为中心开始整个卫星构型的设计,可以得到两个层面的结果。

一个层面是更集中更直接的结果,那就是卫星最后的样子。这也是卫星构型设计很重要的作用,让卫星的设计从概念推向具体化的设计结果,这个结果包含了对任务满足的和对内部及环境约束的考虑体现。

另外一个层面在支持载荷的任务同时就对卫星上面其他的单机提出了各方各面的要求,形成卫星内部的布局,并依据此形成未来对于总装的需求。

具体还有啥要求呢

构型的要求实际上前面已经差不多提到一些了。

第一点就是保证功能,例如遥感卫星成像要对地,所以卫星要保证镜头朝向地面。然后呢卫星成像还有精度方面的要求,所以要考虑星敏等测量仪器的安装位置。例如有辐射制冷的,那么辐射面板就应该安装在不太能照到太阳的一面等等。

然后要满足在卫星整个生命周期里的约束条件。例如发射时整流罩的尺寸约束啦,力学环境啦。在轨工作以后的空间热环境啊,辐射环境啦。就要采取比如把一些容易受辐射影响的单机放在比较里面之类的措施。

最后卫星的构型还要想办法尽量减少星上各种仪器之间的干扰。比如敏捷卫星快速机动时帆板的干扰,卫星上不同电子设备之间的电磁干扰。太阳帆板对星敏视场啊,辐射面板的影响。之前聊过的太阳帆板的设置有很多就是这些方面的考虑。

技术进步改变颜值

我们前面看到的卫星构型随着时代的变化趋势就是由于技术发展决定的,最主要是姿控的技术。早期的无控制或者自旋稳定卫星多为球形或者圆柱型,后面的双自旋稳定的卫星一般就采用星体自旋和载荷消旋的方法来进行构型。而到今天姿控技术比较成熟了,所以很多星体就变成了大家看到的方盒子,因为可以实现三轴稳定。

逛逛看看

下面我们来看看不同的卫星的构型都是什么样子。例如遥感卫星,敏捷卫星WorldView 4 的载荷就是一个巨大的相机,所以星体就是一个望远镜的主要形态,同时又要快速的机动所以它的帆板也采用了更紧凑更对称的设计。

而像Landsat 8这样的遥感卫星不需要机动而追求平稳,所以就躺着飞,同时由于一面有散热需求,所以只用了一块帆板,因为不用机动,所以这一块帆板可以很长。

最后Radarsat 2这样的SAR卫星一方面有巨大的天线需要安装,所以要有这个巨大天线安装的承载能力,然后由于SAR还要消耗巨大的能源,所以还要装备巨大的帆板。

而导航卫星更多的要求就是要有足够大的安装面来安装对地的天线了,实现对覆盖的定位广播信号的分发。

像铱星和Intelsat这样通信卫星,最主要的就是各种天线的设置,既要满足需求又不能互相影响。同时通信卫星也有很大的能源需求,姿态一般比较稳定,所以也能选择非常长而大的太阳帆板。

詹姆斯韦伯这种大型的望远镜其最主要的目的就是满足望远镜的观测需求了。那么再对于这种红外型的望远镜,温度要求很高,所以要求足够的遮阳设计,来满足它非常低温的观测需求,50K(零下200多度啊)。而相比较于望远镜,卫星平台的设计就非常的简单了。

颜值不是目的,好用才真有价值,可是好用也有着曲折的道路。

下次我们说说卫星上的用电情况。

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张晟宇- 中科院微小卫星创新研究院高级主管 | 到「在行」来约见我

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:张晟宇

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