航天器总体设计作业【哈工大】.docx

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1、航天器总体设计作业【哈工大】2017年（航天器总体设计）课程作业1.嫦娥三号探测器航天工程系统的组成及各自的任务嫦娥三号探测器由月球软着陆探测器简称着陆器和月面巡视探测器简称巡视器组成。1探测器系统：主要任务是研制嫦娥三号月球探测器。嫦娥三号探测器由着陆器和巡视器组成。着陆月面后，在测控系统和地面应用系统的支持下，探测器携带的有效载荷开展科学探测。2运载火箭系统：主要任务是研制长征三号乙改良型运载火箭，在西昌卫星发射中心，将嫦娥三号探测器直接发射至近地点高度200公里、远地点高度约38万公里的地月转移轨道。3发射场系统：主要任务是由西昌卫星发射中心承当嫦娥三号发射任务。发射场系统通过适应性改造

2、，具备长征三号乙改良型火箭的测试发射能力。4测控系统：主要任务是对运载火箭、探测器在各个飞行阶段以及探测器在月面工作阶段的测控、轨道测量、月面目的定位以及落月后着陆器和巡视器的控制。5地面应用系统：主要任务是根据科学探测任务，提出有效载荷配置需求；制定科学探测计划和有效载荷的运行计划，监视着陆器和巡视器有效载荷的运行状态，编制有效载荷控制指令和注入数据，完成有效载荷运行管理。2.我国载人航天工程系统的组成及各自的任务1航天员系统：主要任务是选拔、训练航天员，并在载人飞行任务施行经过中，对航天员施行医学监督和医学保障。研制航天服、船载医监医保设备、个人救生等船载设备。2空间应用系统：主要任务是研

3、制用于空间对地观测和空间科学实验的有效载荷，开展相关研究及应用实验。3载人飞船系统：主要任务是研制“神舟载人飞船。“神舟载人飞船采用轨道舱、返回舱和推进舱组成的三舱方案，额定乘员3人，可自主飞行7天，具有出舱活动和交会对接功能，可与空间实验室和空间站进行对接并停靠飞行半年。4运载火箭系统：主要任务是研制知足载人航天要求的大推力长征二号F型运载火箭，对长征系列运载火箭进行多方面改良设计，控制系统采用冗余技术，增加故障检测、逃逸救生等功能，增加运载火箭的可靠性、安全性。5发射场系统：主要任务是负责火箭、飞船和应用有效载荷在发射场的测试和发射，新建技术区，采用“垂直总装、垂直测试、垂直运输以及远距离

4、测试发射控制的先进测发形式。6测控通信系统：主要任务是完成飞行试验的地面测量和控制。在原有卫星测控通信网的基础上，研制建设符合国际标准体制的S波段统一测控通信设备。构成由地面测控站、海上测量船及中继卫星组成的载人航天测控网。7着陆场系统：主要任务是搜救航天员和回收飞船返回舱，建设主、副着陆场，设立上升段陆上、海上应急救生区和运行段应急着陆区。8空间实验室系统：主要任务是研制空间实验室，包括具有交会对接功能的8吨级目的飞行器，为开展短期有人照料的空间科学实验提供基本平台，为研制空间站积累经历。3.航天器总体设计的概念及主要阶段划分航天器总体设计，是指为完成航天任务规定的目的所开展的以航天器为对象

5、的一系列设计活动。航天器总体设计是航天器研制的顶层设计，是用系统工程的原理和方法，提出并优选航天器的总体方案、分系统方案，拟定、协调、优选和控制航天器的各项参数和性能指标，设计出能知足任务要求的、到达规定技术指标的、知足成本与研制周期要求的航天器。航天器总体设计贯穿于整个航天器工程论证和工程研制经过中，主要分为任务分析、总体方案可行性论证、总体方案设计、总体具体设计四个阶段。总体具体设计又分为总体初样设计和总体正样设计。4.航天器总体设计的基本原则1知足用户需求的原则总体设计必须围绕用户的特定需求开展设计工作。2系统整体性原则防止脱离系统整体功能和性能，片面追求局部高性能。3系统层次性原则处理

6、好工程大系统、航天器总体及分系统间的关系。4研制的阶段性原则制定科学的研制流程。5创新性和继承性原则处理好继承和创新的关系。6效益性原则5.航天器技术从成熟程度上可分为哪四类技术，各自的含义1成熟技术已经过在轨飞行考核及成功应用的技术，可继承和沿用已有的成熟分系统的方案、部件、电路或构造。2成熟技术基础上的延伸技术在已有的成熟技术基础上，需要在分系统方案、部件、电路或构造等方面，进行少量修改设计后而应用的技术。3不成熟技术属于关键技术无成熟技术充分继承，必须经过充分研究、投产和充分地面试验技术攻关后，才能在航天器上试验及应用的技术。4新技术属于关键技术在理论、原理或方法方面有创新，未在航天器应

7、用的技术。6.航天器总体方案的五种技术实现途径1利用已有的成熟的卫星平台或标准化的公用平台，通过适应性改造，更换新的任务载荷，进而知足新的任务要求。2充分继承、使用已有的成熟分系统，或成熟有效载荷。3充分继承和利用已有的成熟技术，应用于新的研制任务。4采用技术引进方式，获得和应用国外的成熟设备、部件、器件、材料。5采用全新的技术研制新的卫星载荷、部件，构成新的卫星平台或有效载荷。7.航天器总体方案设计阶段的主要工作1用户使用要求及技术指标要求确实定。2总体方案确实定。3总体技术指标的分析、分配及预算。4分系统方案及技术指标确实定。5分系统机、电、热接口要求确实定。6轨道设计与分析。7构型设计。

8、8整星动力学分析及热分析。9整星可靠性和安全性分析。10总装、测试及大型试验方案的制定。11继承性和技术成熟度分析。12工程大总体接口协调与确定。13关键技术成熟度、工程研制难点及风险分析。14任务及技术指标知足度分析。15研制技术流程和计划流程的制定。16各级技术规范文件的编制。8.总体方案设计阶段的性能指标分析、分配及预算工作1任务分析及指标分解。2有效载荷技术指标的分析与分配。3姿态指向精度及稳定度指标的分析与分配。4航天器质量和功率的分配和预算。5仪器设备安装空间分配。6轨道任务分析与推进剂预算。7测控及数传分系统的链路分析。8测控及数传时机分析及存储器容量确定。9整星供电能力及能量平

9、衡分析。10分系统可靠性指标分配。11整星动力学分析。12整星热分析。13总装精度的分配与精度分析。14整星EMC设计与分析。15整星剩磁指标分配及预算。16空间环境影响分析及对策和预案。17飞行程序及工作形式规划。18可靠性、安全性设计与分析。9.根据轨道类型不同，低轨道航天器太阳电池阵有几种布局方式，画出示意图1太阳同步轨道单轴驱动的太阳电池阵的布局设计航天器运行姿态：对地定向适用轨道：太阳同步正午轨道带有预设安装角的单轴驱动的太阳电池阵布局设计航天器运行姿态：对地定向适用轨道：太阳同步正午轨道2回归轨道3太阳同步回归轨道4冻结轨道5地球同步静止轨道6临界倾角大椭圆轨道7甚低轨道与航天器通

10、过铰链直接连接的太阳电池阵布局设计航天器运行姿态：长期对日定向，短期对地定向适用轨道：各类低地球轨道8星座10.基于飞轮的控制系统的优势及存在的问题轮控系统的特点和优点：1不消耗工质，只消耗电能，支持长寿命航天器运行；2能够提供较准确的控制力矩，实现高精度姿态控制；3十分合适用于克制吸收周期性的干扰力矩影响；4采用轮控系统的三轴稳定航天器，能够安装大型太阳电池阵，知足航天器的大功率能源需求；5与喷气控制相比，轮控系统能够避免对光学仪器的污染。机械轴承轮控系统存在的问题：1存在转速饱和问题，航天器必须具备对飞轮的卸载能力；2飞轮高速运转时，对高稳定度姿态控制存在微振动影响；3飞轮转速过零时，存在

11、较大的干扰力矩；4由于有高速转动部件，存在轴承寿命和可靠性问题。11.航天器本身对姿态控制系统存在哪些干扰及影响12.联盟号载人飞船三舱设计方案相对两舱设计方案的优缺点优点：(1)轨道舱增加了飞船的有效空间，为长时间多人的空间飞行、携带多种载荷开展空间试验、航天员出舱提供了条件。(2)基于联盟号飞船三舱布局的优点，可扩展构成其它形式的载人航天器，例如：将两艘联盟号飞船对接，可快速构建小型的空间站。或扩展成为载人登月飞船使用。(3)联盟号飞船已发展成为高可靠性的载人运输飞船及货运飞船。缺点：(1)增加了舱段分离次数，带来了舱段分离的可靠性和安全性问题。(2)三舱之间的电、气、液接口多，带来了设计

12、的复杂性和可靠性问题。(3)三舱构型导致飞船的气动外形复杂，要求运载火箭配置整流罩，因而飞船外形又遭到整流罩直径的限制。(4)返回舱位于三舱的中间位置，增加了发射阶段进行逃逸救生的复杂性。13.航天器构型设计的基本原则1充分了解飞行任务要求及各种约束条件，把握有效载荷及平台分系统对构型设计的要求，知足飞行方式、姿态指向、设备视场、发动机推力矢量、设备布局等要求、以及其它特殊设计要求。2构型设计必须使构造传力道路合理，保证构造具有合理的强度、刚度和质量，构造生产工艺性好，总装操作简便，能够承受地面试验、起吊、运输、发射等各种载荷，安全可靠。3构型设计必须和运载器整流罩的有效空间，运载器的纵向及横

13、向基频、发射阶段的力学环境条件、星箭机械接口及电接口协调一致。4大、中型航天器的构型设计一般采用模块化的多舱段设计方案，各舱段按功能进行划分。小型航天器可采用一体化的单一舱段设计方案。5整星的总装测量基准、仪器设计安装测量基准应布局合理，便于总装精度测量。6整星的总装测量基准、仪器设计安装测量基准应布局合理，便于总装精度测量。7空间飞行器构型设计必须考虑空间飞行环境的影响。14.航天器总体布局的基本原则1根据有效载荷及星上各仪器设备的质量、体积及形状特点、以及各设备互相间的电气与机械连接关系，进行内、外部设备的布局。2根据各仪器设备的发热量及运行形式进行布局，知足整个航天器的热控方式和散热通道

14、设计要求。3对于具有较高安装精度和灵敏度的设备，应合理布局。光学相机、星敏感器、陀螺等高精度设备应布置于刚度好、振动小的位置。4推进系统的布局和管路走向、装配方案、推进剂加注和防泄露、防污染方案应合理，推进剂消耗对质心位置变化的影响应最小。5总体布局应知足在仪器设备的视场范围内，无遮挡、无反射光和热辐射影响。6太阳电池阵、大型展开天线的外形尺寸、构造形式、折叠及展开方式等，应与航天器总装、姿态与轨道控制分系统的方案协调一致。7航天器的电缆布局、走向、连接和固定方式，应知足电磁兼容设计要求，通过设备及电缆布局，减少整星剩磁矩。15.月球探测器典型飞行阶段划分、发射段的四种主要发射方式的特点1发射

15、段。第一种方式：运载火箭一次发射，首先发射至地球停泊轨道，经调相轨道后，探测器加速进入月地转移轨道。有较多的轨道测控及轨道调整时机，但地月飞行时间较长。第二种方式：运载火箭一次发射，利用运载火箭末级直接将探测器发射到地月转移轨道。可充分利用运载火箭能力，但对发射窗口及轨道控制精度要求高。第三种方式：运载火箭一次发射，先利用火箭末级将探测器模块发射至地月转移轨道，然后在地月转移轨道上进行探测器各模块的对接、装配，构成探测器组合体。合适载人登月任务，对运载火箭能力、轨道装配技术要求较高。第四种方式：进行二次发射，先将分别发射的探测器各模块在地球停泊轨道上进行交会、对接装配，然后利用运载火箭末级将探

16、测器组合体发射进入地月转移轨道。合适载人登月任务，通过二次发射，降低了对运载火箭的能力要求，且地球轨道交会、对接技术已成熟。为减少对探测器携带推进剂的需求，减小无人月球探测器的规模，优先选择第二种方式。(2)地月转移段.(3)环月段.(4)着陆段.(5)月面工作段.(6)起飞段.(7)环月段.(8)月地转移段.(9)再入段.(10)回收段。16.月球采样返回探测器在月面着陆阶段的关键问题及影响因素1着陆缓冲能力影响着陆缓冲机构设计的主要因素：1关机高度:发动机距月面的关机高度决定了着陆速度和姿态条件。2着陆速度:着陆速度决定了着陆时对着陆器的冲击。2导航控制能力由于月地之间距离遥远,且着陆经过

17、时间很短,因而通过地面控制进行着陆导航，在着陆精度以及控制的实时性上均难以得到保证。为实现软着陆任务,必需进行自主导航。对于自主导航与控制,主要的需求包括：1着陆器自主进行测距、测速，实现着陆器相对月面的速度、距离的准确测量。2根据对月距离和速度的信息，控制执行机构工作，实现闭环控制，按设计的轨迹和速度下降。为实现自主导航与控制，需配置相应的测距、测速敏感器,并研究相应的导航控制算法。3地形识别与自主避障能力月球外表分布着斜坡、石块、凹坑等地形地貌，而着陆区的地形地貌特征具有未知性，因而要求着陆器具备一定的地形识别和避障能力。在一定的高度悬停，识别月面坡度、石块凸起和凹坑，选择有利于安全着陆的

18、地点,平移后再缓速下降。4大推力、变推力的推进能力。应选择推力较大的发动机，以减小重力损耗带来的推进剂需求。为保证地形识别时的悬停，实现缓速下降，要求发动机推力可调整，变推力发动机的推力范围应覆盖不同阶段的需求。5月尘影响月尘的人为激起机制，按影响程度由小到大为：宇航员的行走、探测器车轮旋转带起、探测器着陆、发射上升器。在探测器软着陆经过中，发动机的喷流作用于月面，会引起月尘。在逐步接近月面的经过中，表层月壤会逐步被羽流扬起，探测器下方和上方颗粒的浓度会不断增大。必须考虑月尘对探测器携带的敏感器等设备的影响。6着陆稳定性影响影响着陆稳定性的因素较多，主要包括：探测器的速度、月面坡度和硬度、着陆

19、方向、着陆时姿态和角速度等。将上述影响因素组合，进行多工况仿真，结果表明：1探测器沿坡面向下的水平着陆比沿坡面向上的水平着陆更容易翻倒。2探测器以较小角速度着陆时，角速度对稳定性的影响较小。3在一样的初始条件下，探测器在月壤较刚性的着陆环境更容易翻覆。17.月球采样返回探测器的一次发射、无月球轨道交会对接方案的经过及优缺点经过：探测器系统由着陆器、上升器和返回器组成。探测器发射进入地月转移轨道后，完成中途修正、减速进入环月轨道、动力下降、着陆、月面采样，将采样样品放置到返回器内。上升器携带返回器完成月面动力上升、环月停泊、加速进入月地转移轨道，到达地球附近后释放返回器，返回器携带样品再入大气层并着陆。