飞行器现代设计方法.docx
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飞行器现代设计方法
《飞行器现代设计方法》复习提纲
1.按层次论述卫星的上级、同级及下级系统
卫星工程系统是卫星的上一层次系统，是由卫星系统、运载器系统、发射场系统、测控系统和卫星应用系统等卫星系统同级系统构成的有机整体。
卫星本身又是由若干个相互关联的部分所组成，具有特定的内部结构，从大的角度划分卫星系统由有效载荷和卫星平台，装载于卫星上的、所有服务于地面的仪器、设备和系统，统称为卫星的有效载荷；卫星平台又可细分为服务支持系统和结构平台，卫星上用于保证和支持有效载荷工作的仪器、设备和系统，统称为服务和支持系统；卫星上所有用于装载有效载荷和服务支持系统的卫星结构体称为卫星结构平台。
各级关系如下图所示。
2.卫星及其设计的主要性质和特点
卫星是进入并适应外层空间环境，能在这种特殊环境下完全自动化运行和工作，以服务于地上人类的特定需求的一类工程技术的人造物体，作为设计对象，一种型号卫星就是一个工程项目。
因此卫星具有工程项目所具有的一般共性：
（1）系统的整体性
卫星是由相关的分系统或子系统有机组成的整体，卫星设计应从卫星的整体性质和功能出发，将卫星整体性质和功能的求得和卫星整体的优化自始至终列为设计工作的首要目标，避免脱离整体功能和整体优化原则，避免把局部当整体，突出局部和以局部优化来取代整体优化；
（2）系统的层次性
卫星系统是卫星工程系统的有机组成部分，与运载器系统、发射场系统、测控系统和卫星应用系统等同级系统构成有机的整体，而卫星系统又是由有效载荷和卫星平台等低层次系统有机组成的。
卫星设计师首先应该清楚他们所承担的项目位于哪一个层次，并且要做到工作确实“到位”；
卫星需要利用运载器发射到外层空间轨道，并自主运行和工作，为人类服务，具有其自身的个性：
（3）对特殊环境的适应性
卫星面临的特殊环境主要有运载器环境和外层空间环境。
对返回式卫星，还有卫星返回过程的环境。
Ø对运载器环境的适应性
Ø对外层空间环境的适应性
Ø对返回环境的适应性
（4）卫星的高度自动化性质
卫星的高度自动化性质是由于其运行和工作与外层空间环境、远离地面而且又是不载人航天器的客观情况而必然要具有的一种特殊性质。
卫星在其工作寿命期间，根据设计的程序和地面遥控指令，自动地运行和实现其信息获取、处理、存储和传输等任务。
卫星从发射入轨之时起直到其工作寿命终止之时止的整个运行期间，除了极个别极其昂贵的卫星或者需要延长其工作寿命者值得花高代价专门派航天员到外层空间对其发生故障的器件进行修理和更换外，一般都不进行空间轨道上的补给、维护、修理和更换。
卫星可以视为一种特殊的“一次性使用”的产品，要求卫星设计时使其工作寿命期间的失效概率设计到最小，使其在在轨运行期间不致发生整星失效的事件。
（5）卫星的高风险性
卫星的高风险性一是体现在发射过程中的高风险性，其二是卫星自身带有一定量的危险品，包括爆炸螺栓、推进系统等。
因此要求在卫星型设计过程中危险品的设计、存储、运输和使用要遵守规范及标准。
（6）卫星设计的顺序性
卫星设计的顺序性是由卫星系统的整体性、层次性及对特殊环境的适应性等决定的，可以用“先高后低和先外后内”来概括卫星设计的程序性质。
（7）卫星设计的创造性
所谓创造性活动是发现对象的新性质、新关系和新规律，形成反映事物的新概念、新思想、新理论。
卫星设计是创制过去不存在的新卫星的全部工程资料的技术工作，显然它具有鲜明的创造性。
从上述卫星及其设计的性质可知卫星设计具有不同意一般工程项目设计的特点，主要体现在：
（1）由卫星个性引发的特殊设计问题
卫星有别于一般的工程项目，具有很强的个性，其个性来自卫星存活和工作于空间轨道上而为地面特定需求服务的性质。
由于这些个性所引发的特殊设计问题包括：
（1）卫星作为运载器的有效载荷，其的总质量和总尺寸受到严格的限制；
（2）卫星运行于空间轨道，必须能够适应空间环境，但无法在真实的环境中进行检测、试验和验收；（3）卫星是特殊的一次性使用产品，无法进行维修和替换。
在卫星设计过程中必须注意上述由卫星个性所引发出的与众不同的问题。
（2）由运载器有效载荷引发的设计特点
卫星是运载器的有效载荷，由此引发出以下设计特点：
Ø慎用质量和追求轻质的设计特点
卫星的总质量一般只占运载器总质量的1%左右，卫星的平均单位质量的价值一般为其运载器平均单位质量价值的百倍以上，一般比黄金药膏很多，卫星1公斤的价值高达数万甚至十几万美元。
在卫星设计中，慎用质量和追求轻质，以规定的质量指标实现规定的或更多的功能，自然成为一个突出的特点。
Ø追求小尺寸和巧安排的设计特点
卫星只能占用运载器的很小一部分空间，只能放置在与运载器相协调的、尺寸限制很严的部位。
在这尺寸限制很严的狭小空间内，要放置所有的卫星部件，构成一个能在空间运行和工作的、满足特定要求的实体，这是一项难度大、涉及面广、与众不同的设计工作。
一般要从在运载器上获得尽可能大和适合卫星构型的空间、努力缩小卫星所有部件尺寸以及巧安排、巧布置卫星内部组成三个方面解决卫星在运载器上的安置问题。
（3）适应外层空间环境引发出的设计特点
由卫星适应外层空间环境引发出的设计特点来源于卫星不可能像一般的工程项目那样，可以在它们所处的真实环境中进行检测、试验和验收这样一种特殊的情况。
卫星不可能在真实的环境中进行检测、试验和验收，又要做到能够适应真实的环境，如何办？
办法就是在地面进行各种模拟真实环境的检测、试验和验收。
为此，在进行卫星设计的同时，要创造必要的、可以模拟真实环境进行卫星部件、设备、分系统和整体卫星检测、试验和验收的条件，使模拟真实环境的检测、试验和验收成为可能。
创造这些必要条件的工作，其内容包括环境模拟条件的制定、模拟设备的选用或设计建造等，使卫星设计工作的组成部分。
（4）由特殊的一次使用性引发的设计特点
设计卫星这样一种特殊的一次性使用的产品，除了使其高度自动化和自给自足外，还要特别重视其可靠性的设计。
通过卫星的可靠性设计，使卫星在空间轨道上运行和工作的条件下，在规定的工作寿命期内，具有足够大的完成其规定功能的概率。
卫星设计时要充分认识卫星一次性使用的特点，在设计卫星时要彻底排除那种可在使用中对它进行维护、维修、替换和补充等常规概念。
但是，在总装设计时，还是要考虑仪器、设备的可接触性和可拆换性，以便在地面的研制程序中维修和更换故障件或失效件。
（5）由单件生产引发的设计特点
单件生产不可能形成固定的生产线和装配线。
因此，同一个批次的不同颗卫星间的一致性难以保证，这就使每一颗卫星除了具有同型号卫星的共性外，还有自身的个性。
我国的卫星设计师应该对卫星的每一棵都有其自身的、相当强的个性这一特点有充分认识。
从这个特点出发，卫星设计师应作两方面工作：
一方面在设计中要尽可能地推行星上仪器、设备和分系统的系列化、通用化和标准化，以加强卫星间的共性和削弱其个性；另一方面要面对单件生产和状态不可能完全固定的现实情况，任劳任怨地紧跟每一颗卫星的研制全过程。
卫星设计时绝不能有前面卫星成功、后面的卫星也一定能成功地想法。
前面的卫星成功只能说明这种型号的卫星可以做到成功，而不能得出以后的卫星均能成功的结论。
3.空间特性与卫星应用
好的卫星应用是将用户的需要以及满足这些需要所利用的空间特性彼此结合起来，至少间接地结合起来。
一般情况下，不同类型的卫星应用是利用了不同的空间特性，如：
材料加工利用了空间的微重力和高真空特性，通信和观测卫星则利用全球覆盖能力的空间特性，空间育种这是利用了空间辐射的特性。
4.卫星总体设计方案要求的确定
卫星总体方案设计要求归根到底取决于卫星的用途。
卫星在轨道上不断地相对地球运动，这是卫星技术应用时最基本的特征。
根据这个特征，在决定任务、提出使用要求时，一般需考虑卫星工作的以下三个要素：
要素1：
卫星对地联系的手段
卫星高度少则有几百公里，因此只能用电磁辐射这个手段才能和地球发生联系（除回收型照相侦察以外）。
各种卫星的区别就在于接收辐射的性质和波段不同；星上信息变换、处理和向地面发射信号要求的不同。
这将造成星上接收和变换信息的有效载荷和所使用无线电频段的不同。
要素2：
卫星对地联系区域的位置和范围
轨道上卫星在任一瞬间只能对一部分地球表面发生联系。
轨道高度决定了卫星对地联系范围的上限。
不同卫星将由任务决定其联系区域的地理位置和范围，从而选定卫星的运行轨道。
如要扩大瞬时作用区就要增高轨道；要使卫星到达高纬度地区，必须增大轨道倾角。
要素3：
卫星对地联系的时间
卫星和地面某一区域之间的可联系时间是有限的，如：
近地卫星一次飞越过顶的时间只有几分钟。
通过选择轨道周期可以增加卫星对地联系时间。
一是地球同步轨道，它使卫星能对某区域保持连续的联系;二是回归轨道，它能使卫星按一定时间间隔重复地通过某区一域，例如12小时轨道、准太阳同步轨道等。
对上述三要素进行分析和综合后，可以得出有效载荷功能指标、运行轨道和寿命可靠性等三项设计要求（见图）。
一般，卫星正是根据其有效载荷的功能和运行轨道类型来命名的。
5.简述卫星设计的几个主要阶段及各阶段的工作内容
卫星设计程序大致可分为卫星外部设计、卫星概念性设计、卫星可行性方案设计、卫星方案设计及卫星详细设计等几个主要阶段，如下图所示。
卫星的外部设计是卫星设计程序的第一步，主要明确卫星在其外部工程环境所构成的大系统中所处的地位，明确卫星与这个大系统及其的同级系统之间的主要关系，明确卫星面临的技术、经济和人力的支持和限制条件。
外部设计以提出可以作为卫星总体可行方案论证（概念性设计）和可行方案设计依据的初步设计任务书而告一段落；
卫星概念性设计根据初步设计任务书、由不同的设计师或不同的设计单位提出各自认为可满足该任务书要求的好的或较好的途径或设想方案的程序。
在此阶段，卫星设计师主要从卫星总的、大的和他认为重要的方面，提出用工程语言描述的卫星概貌，从技术和经济两个方面论证所提出的卫星概念性设计可以实现并可满足初步设计任务书的要求。
卫星可行性方案设计是卫星总体设计中定方案、定大局的关键性的技术工作，目的在于得出能够在整体上最好地满足设计指标要求的、在经济与时间限制条件下可以完成研制任务的和现实条件下可行的卫星总体方案。
提出经过评审通过的卫星可行方案和最终版本的设计任务书是卫星可行性方案设计结束的标志。
卫星方案设计是在可行性方案设计后的设计程序，可分为总体方案设计和分系统方案设计两层次的任务。
通过卫星总体设计，明确分系统的组成及其间的关系，明确各分系统的目标、任务和各项技术、经济指标，并以分系统设计任务书的形式下达给各分系统；卫星分系统方案设计根据卫星总体提出的分系统初步设计任务书，提出满足要求、与同层次分系统有机组合和接口关系协调的、优选的分系统方案，以支持卫星总体的方案设计，其目的在于得出组成卫星总体的、全面和具体地满足卫星总体正式设计任务书要求的各个分系统的方案和由这些分系统方案综合得出的卫星总体设计方案。
卫星分系统方案设计的依据是卫星总体方案设计提出的分系统初步设计任务书，卫星总体方案又必须在综合所有分系统方案的基础上，才能最终完成，因此分系统方案设计也可视为卫星总体方案设计的一个组成部分。
卫星的详细设计应得出卫星总体、卫星分系统及其组成部分的全部技术图纸、技术文件和应用软件。
可分为卫星总体的详细设计和卫星分系统详细设计，卫星详细设计又可分为初样和正样两个阶段。
6.卫星总体设计的三大阶段及各阶段的主要工作内容
卫星总体设计是卫星系统研制的顶层设计，广义而言，总体设计是指以卫星系统为对象的所有设计活动与技术协调活动；狭义地讲，总体设计是指在概念研究、可行性论证以及方案设计阶段与卫星系统有关的设计活动，主要包括卫星系统概念研究、卫星方案可行性论证及总体方案设计等三大阶段。
卫星系统概念研究目的是发现和确定新的航天需求，提出卫星系统及卫星应用的新概念，分析可能的技术实现途径。
其研究内容主要包括：
卫星系统及应用新概念研究，进行概念设计、任务分析、工程系统组成、任务运行研究、系统关键技术、费用效益与风险分析等。
卫星方案可行性论证目的是确定研制新型卫星系统的必要性、可能性，为卫星转入工程研制提供决策依据。
论证内容包括：
明确研制任务，确定系统需求和初步的技术指标，提出多个满足系统需求和指标的卫星总体方案并进行方案评价，提出并进行关键技术攻关项目的研究，进行研制条件保证分析，提出关键技术的系统验证方案，提出大系统实施要求与计划安排等。
卫星总体方案设计目的是选定并完成总体方案设计工作，确定总体技术指标，确定各种接口关系。
设计内容包括：
确定系统需求和总体技术指标，确定总体方案，进行总体方案优化，确定卫星运行程序，确定与运载、发射场、测控站、地面接收站的接口，确定卫星研制的工作分解结构与项目实施计划，确定分系统技术指标要求，下达分系统研制任务书等。
7.简述影响卫星设计的外部环境约束
卫星是一种特殊的、在外层空间存活和工作、从外层空间服务于人类社会的工程项目，因此其外部环境与一般的工程项目相比也具有一些特殊点。
按照系统论的观点，卫星与其周围环境的有关部分组成一个大系统，卫星是这个大系统的一个分系统。
在卫星设计师要同时考虑卫星本身（内部系统）及其周围的环境（外部环境），分析和了解他们之间的相互联系和相互影响。
卫星的外部环境有工程系统环境、技术和经济环境、人工和自然环境等：
（1）工程系统环境主要就是卫星的上一层次系统（卫星工程系统）与卫星的同级系统（运载器、发射场、测控网和应用系统），卫星是通过卫星工程系统来面向和满足社会对它的需求的；
（2）技术和经济环境主要是指研制卫星可能获得和受到的技术、经济支持和制约，以及研制单位的技术和管理队伍的素质；
（3）人工和自然环境是指卫星在储运、发射、运行和返回时中所遇到的各种物理和化学环境。
8.卫星总体设计的主要任务
卫星总体设计师在规定的研制周期和成本情况下设计一个能满足用户特定任务要求的、优化的卫星系统，其基本任务可归纳为：
（1）将用户要求转化成由若干分系统组成的系统和系统的功能及性能参数，满足大系统的约束要求；
（2）将卫星系统功能和性能参数分解到各个分系统中，分析和协调接口关系，完成总体方案设计；
（3）完成卫星总体详细设计（含总装设计、总体电路设计、电性能测试和环境模拟试验要求）；
（4）提出产品保证要求，完成可靠性、可用性、可维修性、安全性、电磁兼容性及软件等保证大纲及规范。
由卫星总体设计的任务可知，总体设计是定方向、定大局、定功能和性能指标的设计，在卫星整个研制过程中它一直起着主导性和决策性的作用。
9.卫星构型设计的一般原则
卫星构形设计是对卫星外形、结构形式、总体布局、仪器舱布局、质量特性以及与运载器和地面机械设备接口关系等进行设计和技术协调的过程，主要涉及卫星整体及其组成的“形”和“位”对满足卫星设计任务和实现卫星功能间的关系，是卫星总体方案设计中的一项使所设计的卫星具体化和实物化的设计工作。
卫星构型设计的一般原则有：
（1）构型设计必须满足飞行任务要求，包括飞行器有关分系统的视场、飞行方式、指向、推力向量、质量、有效载荷容积以及其他的特殊要求；
（2）构型设计必须保证所有分系统的功能要求，提供坚固的支撑，保持所有分系统在全部飞行任务阶段的完整性；
（3）构型设计必须和运载器的运载能力、整流罩的有效容积，纵横向基频、力学环境条件、机械接口、电器接口等协调一致；
（4）构型设计必须满足各分系统、仪器设备的总体布局和内部布局要求，并考虑各分系统对构型设计的特殊要求；
（5）构型设计采用模块化设计，即各舱段、各分系统、仪器设备、组建等若干个模块单元组合成一个整体；
（6）构型设计必须考虑电磁兼容性和防静电放电（EMC/ESD）以及最大限度减少剩磁力距的要求；
（7）须考虑结构、有效载荷、太阳电池阵、热辐射器等有增长能力；
（8）构型设计必须能保证整星结构具有合理的强度和刚度，承受试验、运输、支撑、起吊、发射等各种载荷的作用，安全可靠；
（9）构型设计必须使结构合理，质量轻，操作方便，工艺简单；
（10）构型设计必须考虑空间飞行环境的影响。
10.说明卫星的外形选择主要受哪些因素影响
卫星的外形选择是一个复杂的过程，它涉及到各类飞行任务要求，星上各分系统和专用设备的功能要求，星上各单元、各结构块的排列组合等。
影响卫星外形选择的主要因素包括：
（1）姿态控制模式
（2）发射方式和运载火箭整流罩有效空间
（3）卫星运行轨道
（4）有效载荷要求
（5）气动外形要求
（6）密封舱要求
上述因素是相互影响、相互制约的，往往改善一部分系统性能又给另一部分系统性能带来影响，所以外形选择过程，要从全局观点出发运用系统工程原理，反复进行综合和分析。
11.简单系统的可靠度计算和预测
如图所示的系统，由三个单元A和执行备份的B构成，其中经过初步预计或历史数据有RA=0.98，RB=0.90，RS=0.97，确定系统的可靠性要求为0.95。
（系统的可靠性分配余量系数取为20%）
提示：
串联系统比例分配法是按照可靠性预测得到的系统不可靠度和要求的或指标规定的系统不可靠度之比值，对预测的组成单元不可靠度进行修正和分配的方法。
设系统的预测任务不可靠度为
；系统的任务不可靠度指标为
；组成单元的预测不可靠度为
；组成单元的分配不可靠度为
，则
。
解：
1）余量
的确定
根据经验公式
，可得
2）确定各单元可靠性分配值
欲求的三个单元可靠性分配值为
对应的不可靠度为
从预计可知，B单元并联部分
，对应的不可靠度为
。
A单元
，对应的不可靠度为
。
因此
B单元
。
因此系统可靠性分配结果为RA=0.973，RB=0.886，R余=0.99
12.什么是现代小卫星？
其总体设计有哪些本质的变化？
现代小卫星是应用新技术和新的设计思想研制出来的一种人造卫星，具有质量轻、体积小、成本低、周期短和性能好等特点。
现代小卫星不是传统大卫星的缩小版，其总体设计具有本质的变化，只要体现在：
（1）设计思路的创新
现代小卫星代表一种新的发展趋势和新的设计思想，突破了传统的“一星多用、综合利用”的设计思想，主张简化设计，采用成熟技术和模块化、标准化的硬件。
尽量减少冗余或无冗余。
（2）设计技术的进步
以大规模集成电路为中心的微电子、微型机械、轻型机械、轻型复合材料和超精密机械加工等新技术、新材料、新工艺取得的成果，为卫星的小型化、轻量化、集成化等奠定了技术基础。
现代小卫星可能采用的新技术包括：
多功能结构、微电子机械系统（MEMS）、高密度电子集成（SoC技术）、先进微型推进技术、纳米技术及先进软科学技术。
（3）设计手段的进步
突破传统的分系统独立设计、实物试验为主、串行工作模式及过于保守的设计模式。
采用先进的数字化设计与仿真技术实现微小型航天器设计的并行化、数字化和集成化。
（4）空间应用的创新
现代小卫星具有体积小、重量轻、成本低等优势，也具有功能单一等缺点，单颗微纳卫星无法满足越来越高要求的航天任务，因此提出了卫星星座、卫星飞行编队等分布式卫星概念，扩展了微小卫星空间应用的领域。
2011年12月11日（16周周日）下午13:
30点-15:
30点，地点：
诚意楼A107
祝大家考出好成绩！
出师表
两汉：
诸葛亮
先帝创业未半而中道崩殂，今天下三分，益州疲弊，此诚危急存亡之秋也。
然侍卫之臣不懈于内，忠志之士忘身于外者，盖追先帝之殊遇，欲报之于陛下也。
诚宜开张圣听，以光先帝遗德，恢弘志士之气，不宜妄自菲薄，引喻失义，以塞忠谏之路也。
宫中府中，俱为一体；陟罚臧否，不宜异同。
若有作奸犯科及为忠善者，宜付有司论其刑赏，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使内外异法也。
侍中、侍郎郭攸之、费祎、董允等，此皆良实，志虑忠纯，是以先帝简拔以遗陛下：
愚以为宫中之事，事无大小，悉以咨之，然后施行，必能裨补阙漏，有所广益。
将军向宠，性行淑均，晓畅军事，试用于昔日，先帝称之曰“能”，是以众议举宠为督：
愚以为营中之事，悉以咨之，必能使行阵和睦，优劣得所。
亲贤臣，远小人，此先汉所以兴隆也；亲小人，远贤臣，此后汉所以倾颓也。
先帝在时，每与臣论此事，未尝不叹息痛恨于桓、灵也。
侍中、尚书、长史、参军，此悉贞良死节之臣，愿陛下亲之、信之，则汉室之隆，可计日而待也
。
臣本布衣，躬耕于南阳，苟全性命于乱世，不求闻达于诸侯。
先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顾臣于草庐之中，咨臣以当世之事，由是感激，遂许先帝以驱驰。
后值倾覆，受任于败军之际，奉命于危难之间，尔来二十有一年矣。
先帝知臣谨慎，故临崩寄臣以大事也。
受命以来，夙夜忧叹，恐托付不效，以伤先帝之明；故五月渡泸，深入不毛。
今南方已定，兵甲已足，当奖率三军，北定中原，庶竭驽钝，攘除奸凶，兴复汉室，还于旧都。
此臣所以报先帝而忠陛下之职分也。
至于斟酌损益，进尽忠言，则攸之、祎、允之任也。
愿陛下托臣以讨贼兴复之效，不效，则治臣之罪，以告先帝之灵。
若无兴德之言，则责攸之、祎、允等之慢，以彰其咎；陛下亦宜自谋，以咨诹善道，察纳雅言，深追先帝遗诏。
臣不胜受恩感激。
今当远离，临表涕零，不知所言。
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