現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用

2023/2/6第1頁一、空間飛行器概述2023/2/6第2頁飛行器現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法空間飛行器概述1.1

航天技術(shù)概論1.2

航天系統(tǒng)組成1.3

空間飛行器的分類和應(yīng)用1.4

航天探索過程的災(zāi)難史1.5衛(wèi)星系統(tǒng)組成1.6

現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用2023/2/6第3頁航天技術(shù)概論

航天是指進(jìn)入、探索、開發(fā)和利用太空以及地球以外天體的各種活動(dòng)的總稱。

航天技術(shù)：為航天活動(dòng)提供技術(shù)手段和保障條件的綜合性工程技術(shù)；

空間應(yīng)用：利用航天技術(shù)及其開發(fā)的空間資源在不同領(lǐng)域的各種應(yīng)用技術(shù)的統(tǒng)稱；

空間科學(xué)：空間科學(xué)是指利用航天技術(shù)對(duì)宇宙空間的各種現(xiàn)象及規(guī)律的探索和研究。2023/2/6第4頁航天系統(tǒng)組成

人類要實(shí)現(xiàn)航天活動(dòng)，就要建立龐大的以航天器為核心的航天工程系統(tǒng)，簡稱航天系統(tǒng)。2023/2/6第5頁空間飛行器的分類和應(yīng)用

空間飛行器是在大氣層以外的宇宙空間,基本上按照天體力學(xué)的規(guī)律運(yùn)行的各類人造物體的統(tǒng)稱。2023/2/6第6頁衛(wèi)星系統(tǒng)組成

衛(wèi)星：進(jìn)入并適應(yīng)外層空間環(huán)境，能在這種特殊環(huán)境下完全自動(dòng)化運(yùn)行和工作，以服務(wù)于地上人類的特定需求的一類工程技術(shù)的人造物體。衛(wèi)星是天上的東西是在外層空間自主運(yùn)行和工作從天上服務(wù)于地面2023/2/6第7頁衛(wèi)星系統(tǒng)組成衛(wèi)星是運(yùn)載器系統(tǒng)的有效載荷；衛(wèi)星是測(cè)控系統(tǒng)的對(duì)象；衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)是衛(wèi)星服務(wù)的對(duì)象。2023/2/6第8頁衛(wèi)星系統(tǒng)組成

有效載荷是直接執(zhí)行特定任務(wù)的分系統(tǒng)；保障系統(tǒng)是為有效載荷正常工作提供支持和保證的各分系統(tǒng)的總稱，也稱衛(wèi)星平臺(tái)。2023/2/6第9頁衛(wèi)星系統(tǒng)組成2023/2/6第10頁衛(wèi)星系統(tǒng)組成2023/2/6第11頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用2023/2/6第12頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用

小衛(wèi)星：應(yīng)用新技術(shù)和新的設(shè)計(jì)思想研制的人造衛(wèi)星，具有質(zhì)量輕、體積小、成本低、周期短和性能好等特點(diǎn)，又稱現(xiàn)代小衛(wèi)星。

設(shè)計(jì)思路的創(chuàng)新：現(xiàn)代小衛(wèi)星代表一種新的發(fā)展趨勢(shì)和設(shè)計(jì)思想，突破了傳統(tǒng)的“一星多用、綜合利用”的設(shè)計(jì)思想，主張簡化設(shè)計(jì)，采用成熟技術(shù)和模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件。盡量減少冗余或無冗余。2023/2/6第13頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用

設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展：多功能結(jié)構(gòu)、微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、高密度電子集成(SoC技術(shù))、先進(jìn)微型推進(jìn)技術(shù)、納米技術(shù)及先進(jìn)軟科學(xué)技術(shù)；

設(shè)計(jì)手段的進(jìn)步：突破傳統(tǒng)的分系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)、采用先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)微小型衛(wèi)星設(shè)計(jì)的并行化、數(shù)字化和集成化；

空間應(yīng)用的創(chuàng)新：衛(wèi)星星座、衛(wèi)星飛行編隊(duì)等分布式衛(wèi)星概念，擴(kuò)展了微小衛(wèi)星空間應(yīng)用的領(lǐng)域。2023/2/6第14頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用功能密度高、成本低、研制周期短快速響應(yīng)、靈活布置、自主生存的能力；2023/2/6第15頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)代小衛(wèi)星的出現(xiàn)是航天發(fā)展的必然趨勢(shì)：

航天任務(wù)出現(xiàn)新的需求為微小衛(wèi)星的發(fā)展提供了大社會(huì)環(huán)境；

傳統(tǒng)大衛(wèi)星具有不可克服的難題為微小衛(wèi)星的發(fā)展提供了機(jī)遇；

現(xiàn)代新技術(shù)的迅猛發(fā)展為衛(wèi)星微小型化提供了技術(shù)基礎(chǔ)；

未來廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景為其提供了動(dòng)力2023/2/6第16頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用

對(duì)小衛(wèi)星分類普遍采用的方法是利用衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量進(jìn)行分類分類質(zhì)量（包括燃料）

大衛(wèi)星>1000kg中型衛(wèi)星500-1000kg小衛(wèi)星（MiniSat）100-500kg

小衛(wèi)星微衛(wèi)星(MicroSat)10-100kg納衛(wèi)星(NanoSat)1-10kg皮衛(wèi)星(PicoSat)0.1-1kg飛衛(wèi)星(FemtoSat)<100g2023/2/6第17頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用

小衛(wèi)星的出現(xiàn)使得傳統(tǒng)上與航天無緣的國家和研究機(jī)構(gòu)成為小衛(wèi)星設(shè)計(jì)與研制隊(duì)伍中的一支主力軍，進(jìn)一步促進(jìn)了小衛(wèi)星的發(fā)展。

在眾多向小衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)域挺進(jìn)的高等學(xué)府里，英國薩瑞大學(xué)、美國猶他州立大學(xué)、德國柏林技術(shù)大學(xué)和不來梅大學(xué)可稱得上是排頭兵，迄今為止已有30多所高校研制并發(fā)射小衛(wèi)星。2023/2/6第18頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用

薩瑞大學(xué)從1979年開始研制和生產(chǎn)小衛(wèi)星，1981年成功發(fā)射UoSAT-1，1998年成功發(fā)射了第20顆衛(wèi)星PICOSAT-1。

SNAP-1衛(wèi)星微推力器是當(dāng)前世界上最小的推力系統(tǒng)，重450克，燃料是丁烷。2023/2/6第19頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用

柏林技術(shù)大學(xué)研制的Tubsat-N和TubsatN1兩顆納衛(wèi)星于1998年成功發(fā)射，主要用于進(jìn)行存貯轉(zhuǎn)發(fā)通信技術(shù)試驗(yàn)，并對(duì)微型技術(shù)進(jìn)行空間演示。2023/2/6第20頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用Munin是瑞典空間物理研究所研制的科學(xué)試驗(yàn)納衛(wèi)星，用于探測(cè)地球南北極的極光和高能粒子，衛(wèi)星重6kg。2023/2/6第21頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用亞利桑那州立大學(xué)研制，重6kg斯福大學(xué)設(shè)計(jì)和研制，重5kg，攜帶5顆皮衛(wèi)星ARMEMIS圣克拉拉大學(xué)

2000年1月美國國防部研究計(jì)劃局（DARPA）用一箭10星發(fā)射，包括兩顆50～60公斤的微型衛(wèi)星，三顆10公斤級(jí)納型衛(wèi)星和五顆皮衛(wèi)星（每顆小于1kg）2023/2/6第22頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用

美國空軍支持十所大學(xué)聯(lián)合開發(fā)納星計(jì)劃2023/2/6第23頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：多功能結(jié)構(gòu)

多功能結(jié)構(gòu)(Multi-FunctionionalSystem)將電子線路的外科、電連接器、數(shù)據(jù)傳輸、封裝、支架、熱控等部件加以集成，與無源電子線路一起敷設(shè)在結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中間，采用新方法將有源電子線路與機(jī)械表面直接接觸，敏感器和傳感器安裝在表面上。綜合了電、熱和結(jié)構(gòu)的功能，減少了分離部件。多功能結(jié)構(gòu)是衛(wèi)星輕量化的重要途徑，也是微小型化技術(shù)的重要支撐。2023/2/6第24頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：多功能結(jié)構(gòu)2023/2/6第25頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：多功能結(jié)構(gòu)2023/2/6第26頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：多功能結(jié)構(gòu)2023/2/6第27頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)2023/2/6第28頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：MEMS技術(shù)微電子機(jī)械系統(tǒng)(MicroElectronicMechanicalSystem)是按集成電路的思路和技術(shù)制造機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)電子與機(jī)械的綜合集成化。2023/2/6第29頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：電子集成有效載荷微推進(jìn)星間測(cè)量微型敏感器傳統(tǒng)低密度電子系統(tǒng)分散的信息處理單元適應(yīng)各類空間任務(wù)微型慣性測(cè)量組合微空間光學(xué)探測(cè)器微推進(jìn)陣列2023/2/6第30頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：電子集成2023/2/6第31頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：電子集成2023/2/6第32頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：MEMS技術(shù)MEMS-A&MEMS-BStensat皮衛(wèi)星2023/2/6第33頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：微推進(jìn)技術(shù)

微小衛(wèi)星要進(jìn)行軌道控制，特別用于編隊(duì)飛行或星座應(yīng)用，需要微推力系統(tǒng)而且整套推力系統(tǒng)微型重量和微功耗，推力沖量大約為1μN(yùn)s（微牛秒）～1mNs（毫牛秒），整套推力系統(tǒng)所產(chǎn)生ΔV與重量比在50～100ms-1/kg。2023/2/6第34頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：微推進(jìn)技術(shù)數(shù)字推進(jìn)技術(shù)2023/2/6第35頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：微推進(jìn)技術(shù)

氣體推進(jìn)器（GasThruster）

氣體推進(jìn)是靠推進(jìn)劑儲(chǔ)箱中工質(zhì)自身的壓強(qiáng)產(chǎn)生推力。目前微型衛(wèi)星和納型衛(wèi)星上最常用、技術(shù)最成熟的推進(jìn)方式，在Surry大學(xué)發(fā)射的多顆微型衛(wèi)星中都已成功的使用。2023/2/6第36頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：微推進(jìn)技術(shù)

脈沖等離子推進(jìn)器（PulsedPlasmaThruster）

依靠電磁場(chǎng)加速等離子體產(chǎn)生推力，屬于電磁式電推進(jìn)，在20世紀(jì)50年代，脈沖等離子推進(jìn)技術(shù)開始被發(fā)展和應(yīng)用。1964年第一次在SovietZond-2衛(wèi)星上使用，首次進(jìn)行飛行試驗(yàn)。AFRL研制的μPPT樣機(jī)原型2023/2/6第37頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：先進(jìn)設(shè)計(jì)1、基于分系統(tǒng)的航天器設(shè)計(jì)方法航天發(fā)展初期的衛(wèi)星都采用這樣的設(shè)計(jì)方法，NASA80年以前的衛(wèi)星，基本上都是用這樣的方法設(shè)計(jì)和研制的，包括現(xiàn)在的有些大型衛(wèi)星仍然沿用這種方法。該方法通過對(duì)衛(wèi)星任務(wù)的合理分解，如姿控系統(tǒng)、數(shù)管系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、數(shù)傳系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等，由不同的單位分別設(shè)計(jì)、研制，最終進(jìn)行裝配。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠很好地滿足衛(wèi)星的任務(wù)要求，研制組織相對(duì)簡單。2023/2/6第38頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：先進(jìn)設(shè)計(jì)2、模塊化設(shè)計(jì)方法以適應(yīng)多任務(wù)、降低成本、縮短周期、提高可靠性為目的衛(wèi)星公用平臺(tái)就是目前應(yīng)用最成功、最典型的實(shí)例，國外也稱模塊化多任務(wù)航天器或衛(wèi)星公用艙，原蘇聯(lián)最早使用這種設(shè)計(jì)方法，如聯(lián)盟號(hào)飛船。現(xiàn)代小衛(wèi)星也廣泛使用這種設(shè)計(jì)方法，但公用模塊已經(jīng)延伸到分系統(tǒng)和單一的功能模塊，如計(jì)算機(jī)、測(cè)控等等，英國薩瑞大學(xué)的小衛(wèi)星甚至于在結(jié)構(gòu)上也使用了模塊化的方法。成功的實(shí)例還有美國的Iridium,Odyssey等。2023/2/6第39頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)：先進(jìn)設(shè)計(jì)3、一體化設(shè)計(jì)方法由于難以找到合適的公用平臺(tái)，超大型衛(wèi)星采用了針對(duì)有效載荷的一體化設(shè)計(jì)，它以有效載荷為核心，平臺(tái)的所有分系統(tǒng)都是根據(jù)有效載荷的要求而優(yōu)化設(shè)計(jì)的。成功的實(shí)例是美國的“哈勃”望遠(yuǎn)鏡。微小衛(wèi)星以一體化為其主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)。其主要原因包括：*微小衛(wèi)星的任務(wù)和有效載荷更加靈活、多樣，難以發(fā)展公用平臺(tái)技術(shù)。*設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新、設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)環(huán)境的完善使航天器的設(shè)計(jì)向一體化的方向發(fā)展。2023/2/6第40頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用2023/2/6第41頁現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)及應(yīng)用XXS-102023/2/6第42