1概論
直到1957年蘇聯(lián)斯普特尼克(Sputnik)1號(hào)衛(wèi)星發(fā)射入軌,人類(lèi)才成功掌握了操控航天器的能力?在寫(xiě)這本書(shū)的時(shí)候(2010年),太空時(shí)代也只有半個(gè)多世紀(jì),在此期間航天技術(shù)取得巨大進(jìn)步,阿波羅(Apollo)號(hào)到月球探險(xiǎn)并返回已經(jīng)是遙遠(yuǎn)的記憶了?在50年多一點(diǎn)的時(shí)間里,除了矮小的冥王星外,無(wú)人探測(cè)器已飛過(guò)了太陽(yáng)系所有主要的星體,但預(yù)計(jì)此紀(jì)錄很快會(huì)被2015年飛經(jīng)冥王星-冥衛(wèi)系統(tǒng)的新地平線(NewHorizons)航天器所改寫(xiě)?空間航天器已經(jīng)在月球和金星上著陸,近幾年已看到一個(gè)名副其實(shí)的由軌道飛行器?著陸器和巡游器等組成的艦隊(duì)正準(zhǔn)備向人類(lèi)期望的未來(lái)——火星這顆紅色行星的探險(xiǎn)?1995年伽利略木星軌道飛行器“著陸”在木星大氣“表面”成功開(kāi)展了一次探測(cè);卡西尼/惠更斯號(hào)航天器取得了驚人的成功,于2004年進(jìn)入環(huán)繞土星的軌道;歐洲制造的惠更斯探針于2005年完美著陸到土衛(wèi)六表面?太陽(yáng)系中的小行星也吸引了任務(wù)規(guī)劃者的注意,第一個(gè)執(zhí)行小行星探測(cè)任務(wù)的是近地小行星會(huì)合(NEAR)鞋匠(Shoemake)航天器,于2001年2月著陸厄洛斯(Eros)小行星?接著,日本隼鳥(niǎo)號(hào)(Hayabusa)航天器于2005年嘗試進(jìn)行了系川小行星(Itokawa)物質(zhì)采樣,盡管采樣沒(méi)有成功,但航天器現(xiàn)已在返回地球的途中,人們希望在密封的采樣器內(nèi)能夠發(fā)現(xiàn)殘留的小行星物質(zhì)?類(lèi)似地,雄心勃勃的歐洲羅塞塔(Rosetta)計(jì)劃,其主要目的是于2014年在彗星表面投放著陸器?人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到地球可能會(huì)遭遇到附近小行星及彗星撞擊的威脅,促使人們?nèi)パ芯渴惯@類(lèi)星體從撞擊地球路線改道的有效方法?
自1969?1972年到月球的短暫旅行后,人類(lèi)太空飛行基本限制在地球軌道,目前主要聚焦于國(guó)際空間站(SS)的建設(shè)和利用?美國(guó)?歐洲?俄羅斯和日本都加入了此項(xiàng)雄心勃勃的長(zhǎng)期計(jì)劃中?國(guó)際空間站是太空工業(yè)在技術(shù)和政策上的一大進(jìn)步,是學(xué)習(xí)在太空生活和工作的有益經(jīng)歷,是人類(lèi)將來(lái)探索太陽(yáng)系所必要的課程?這次太空活動(dòng)的主力是美國(guó)航天飛機(jī),使用航天飛機(jī)是美國(guó)30年來(lái)將人類(lèi)送入軌道的主要手段?然而有跡象表明航天飛機(jī)將于2011年退役,這是美國(guó)航天史上非常重要的事件,也迫使人們徹底地重新思考美國(guó)人類(lèi)航天計(jì)劃,引出了既滿足載人需要復(fù)雜度又低的戰(zhàn)神1號(hào)(Ares1)運(yùn)載火箭的提議?Ares1是星座計(jì)劃任務(wù)的一部分,該計(jì)劃的目標(biāo)是生產(chǎn)全新的人類(lèi)太空飛行器,滿足美國(guó)宇航員往返月球最終往返火星的需求?然而,航天飛機(jī)退役恰逢嚴(yán)重的全球經(jīng)濟(jì)衰退,星座計(jì)劃的政治承諾變得很不確定,美國(guó)對(duì)該計(jì)劃的重新評(píng)估或許將預(yù)示著航天基礎(chǔ)設(shè)施朝著完全商業(yè)化趨勢(shì)發(fā)展?
毋庸置疑,無(wú)人航天器的應(yīng)用不會(huì)被削減,現(xiàn)在很多國(guó)家都有把航天器送入軌道的能力?在地球上作為基礎(chǔ)建設(shè)的一部分,衛(wèi)星已經(jīng)建立了一個(gè)牢固的立足點(diǎn)支撐技術(shù)社會(huì),并期望在將來(lái)可提供更多技術(shù)支持?
20世紀(jì)前,太空旅行是白日夢(mèng),當(dāng)時(shí)多數(shù)權(quán)威人士不理解航天器運(yùn)動(dòng)的本質(zhì),大多數(shù)人認(rèn)為太空中的飛行物都比空氣輕[1,2]?轉(zhuǎn)過(guò)20世紀(jì),一位俄羅斯教師康斯坦丁?齊奧爾科夫斯基(K.E.Tsiolkovsky)奠定了火箭的基石,即通過(guò)把火箭內(nèi)的物體排放到自然界中去的方法獲得推力?1903年他在《莫斯科技術(shù)評(píng)論》雜志上發(fā)表一篇文章并推導(dǎo)出我們現(xiàn)在所知道的火箭方程,由于這份期刊發(fā)行量較小,大多數(shù)西方人不知道他的工作領(lǐng)先于赫爾曼?奧伯特(HermanOberth),赫爾曼?奧伯特的工作成果發(fā)表于1923年?
他們的分析給出了所需推力的原理,但并沒(méi)有提供所需要的技術(shù),該技術(shù)最終由美國(guó)的羅伯特?戈達(dá)德(R.H.Goddard)和德國(guó)的維爾納?馮?布勞恩(Wem-hervonBraun)在后續(xù)工作中得以實(shí)現(xiàn)?德國(guó)人用V-2火箭來(lái)展示他們的成果,V-2火箭用于第二次世界大戰(zhàn)后期,他們的火箭是第一個(gè)可靠的推進(jìn)系統(tǒng),但仍不足以把航天器投放到軌道上,但它能把約1000kg的彈頭打到300km左右的范圍?正是由于這些德國(guó)工程師的工作,使斯普特尼克(Sputnik)l號(hào)衛(wèi)星于1957年10月4日成功發(fā)射?美國(guó)緊隨其后,于1958年1月31日成功發(fā)射第一顆衛(wèi)星 探險(xiǎn)者(Explorer)1號(hào)?
太空技術(shù)在過(guò)去50年有巨大的進(jìn)步,但其發(fā)展并非一帆風(fēng)順,在美國(guó)航天史上發(fā)生過(guò)兩次災(zāi)難,分別是1986年的挑戰(zhàn)者號(hào)(Challenger)和2003年的哥倫比亞號(hào)(Columbia)?技術(shù)方面在各個(gè)領(lǐng)域都取得了成就,最顯著的是能量轉(zhuǎn)換技術(shù),特別是太陽(yáng)能光伏?燃料電池和蓄電池?熱管技術(shù)在空間技術(shù)舞臺(tái)上也得到了發(fā)展,該技術(shù)在地面上應(yīng)用于石油工業(yè)?然而在此期間發(fā)展最顯著的可能是電子計(jì)算機(jī)和軟件?盡管這些技術(shù)不是來(lái)自航天技術(shù)驅(qū)動(dòng),但它們具備的能力很快被航天技術(shù)吸收,使航天器的適應(yīng)性發(fā)生了革命性的變化?在一些實(shí)例中它們將可能失敗的任務(wù)轉(zhuǎn)換成巨大的成功?但是航天器也對(duì)人類(lèi)的創(chuàng)造力和理解力提出挑戰(zhàn),即使像最基本的航天器無(wú)約束的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),也必須嚴(yán)格審查航天器動(dòng)力學(xué)后才能得到更好的理解?人類(lèi)已經(jīng)成功設(shè)計(jì)了航天器并使其能承受惡劣的空間環(huán)境,在此過(guò)程中找到了多種解決問(wèn)題的渠道?
1.1有效載荷和任務(wù)
航天器的有效載荷和任務(wù)是多種多樣的,有些任務(wù)已可以達(dá)到具有經(jīng)濟(jì)效益的階段,如通信衛(wèi)星?氣象衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星,還有一些監(jiān)視地球資源?植被生長(zhǎng)狀況和污染的衛(wèi)星等?測(cè)量全球變暖的程度和原因只能通過(guò)全球視角的衛(wèi)星手段,今天服務(wù)于科學(xué)團(tuán)隊(duì)的衛(wèi)星,或許通過(guò)增加人類(lèi)對(duì)地球環(huán)境?太陽(yáng)系和宇宙的認(rèn)識(shí)的方式服務(wù)于明天的非專(zhuān)業(yè)人士?
每項(xiàng)和平應(yīng)用都不可避免地伴隨軍事應(yīng)用?依靠全球觀測(cè),以前的超級(jí)大國(guó)可了解全球軍事行動(dòng)及飛機(jī)部署?通信衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星服務(wù)軍事用戶,GPS(GlobalPositioningSystem)導(dǎo)航衛(wèi)星星座現(xiàn)在可以提供給步兵?水手或戰(zhàn)斗機(jī)飛行員lm的位置精度?這種空間技術(shù)的優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前地球沖突中軍事行動(dòng)的重要組成部分?
表1.l根據(jù)軌道類(lèi)型給出有效載荷/任務(wù)的分類(lèi)?衛(wèi)星的分類(lèi)方法很多,如軌道高度?偏心率或軌道傾角?
表1.1有效載荷/任務(wù)類(lèi)型
任務(wù) 軌道類(lèi)型
通信 低緯度靜止軌道?高緯度閃電衛(wèi)星和極地衛(wèi)星?全球測(cè)量用極軌LEO衛(wèi)星星座等
地球資源 全球測(cè)量用極軌LEO衛(wèi)星
氣象 極軌LEO衛(wèi)星或靜止軌道
導(dǎo)航 傾向于全球覆蓋的MEO
天文 LEO?HEO?GEO和圍繞拉格朗日點(diǎn)的軌道
空間環(huán)境 多種多樣,包括HEO
軍事 全球覆蓋的極軌LEO,可以多種多樣
空間站 LEO
技術(shù)驗(yàn)證 多種多樣
注:GEO指地球靜止軌道;HEO指大橢圓軌道;LEO指近地軌道;MEO指中高度地球軌道
明確任務(wù)的軌道參數(shù)非常重要,它對(duì)運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響,正如1.2節(jié)所述?
考慮地球靜止軌道任務(wù),其特征是航天器要到達(dá)和地球相對(duì)靜止的位置?到達(dá)靜止軌道所需要的推力是巨大的,因此運(yùn)載火箭的“干重”不包含推進(jìn)劑)占所有質(zhì)量“濕重”的比例要適中?目前每千克物質(zhì)發(fā)射到靜止軌道所需經(jīng)費(fèi)在3萬(wàn)美元量級(jí),因此優(yōu)化設(shè)計(jì)并使重量最輕是必要的,同時(shí)也導(dǎo)致運(yùn)載火箭的多種設(shè)計(jì)形式,每種設(shè)計(jì)只適合有限的有效載荷和任務(wù)?
考慮航天器和地面系統(tǒng)的通信,顯而易見(jiàn)遠(yuǎn)距離意味著接收功率比發(fā)射功率低很多個(gè)數(shù)量級(jí),地面站需要連續(xù)可視航天器,能夠連續(xù)監(jiān)視航天器狀態(tài),減少航天器自主運(yùn)行的需求或者減少?gòu)?fù)雜數(shù)據(jù)處理/存儲(chǔ)系統(tǒng)的需求?
LEO(lowearthorbit)的任務(wù)是完全不同的,由于地面站設(shè)計(jì)覆蓋性問(wèn)題使通信時(shí)斷時(shí)續(xù),與這類(lèi)航天器通信更為復(fù)雜?20世紀(jì)80年代初期,發(fā)展了一種新型航天器-跟蹤及數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(丁DRSS),工作在地球靜止軌道上,提供低軌航天器和地面站的通信鏈接?由于低軌航天飛機(jī)需要和地面系統(tǒng)保持連續(xù)通信,中繼衛(wèi)星系統(tǒng)顯得更為重要?更為普遍的是低軌衛(wèi)星和地面站保持良好的通信,對(duì)移動(dòng)通信更有吸引力,功率可以降低,不會(huì)產(chǎn)生靜止軌道衛(wèi)星所遇到的由于電磁波有限傳輸速度導(dǎo)致的延遲問(wèn)題?
LEO和GEO(geostationaryearthorbit)衛(wèi)星電源系統(tǒng)也有明顯區(qū)別,主要特征是軌道光照區(qū)時(shí)間和陰影區(qū)時(shí)間不同?LEO軌道在陰影區(qū)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),因此相對(duì)面積較大的太陽(yáng)能電池陣才能滿足蓄電池充電的需求?另外,GEO軌道在一年特定時(shí)間陰影區(qū)工作時(shí)間較長(zhǎng)(最長(zhǎng)為72min),雖然陰影區(qū)時(shí)間只是軌道周期的一小部分,但也需要蓄電池滿足深度放電的能力?電源系統(tǒng)的另外一個(gè)不同點(diǎn)是和一年中太陽(yáng)方位角相對(duì)軌道平面的變化有關(guān),太陽(yáng)方位角變化可以補(bǔ)償,但太陽(yáng)同步軌道(見(jiàn)5.4節(jié))太陽(yáng)方位角接近常數(shù)?這種設(shè)計(jì)不是為了使平臺(tái)設(shè)計(jì)師受益,而是為了設(shè)備可以每天在相同的當(dāng)?shù)貢r(shí)間進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)和測(cè)量?
現(xiàn)在已經(jīng)清楚任何任務(wù)參數(shù)的改變都有可能很大程度地影響子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù),航天器設(shè)計(jì)需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行折中處理?
1.2航天器系統(tǒng)
本書(shū)重點(diǎn)論述航天器系統(tǒng)?航天器的類(lèi)型和外形是多種多樣的,航天器可以分解成功能單元或子系統(tǒng),但也應(yīng)注意衛(wèi)星本身也是航天大系統(tǒng)中的一個(gè)單元?航天系統(tǒng)中必須用支撐作用的地面控制系統(tǒng)(圖1.1),才能夠?qū)⒖刂泼�令發(fā)送給航天器并把航天器狀態(tài)和有效載荷信息傳回地面?發(fā)射系統(tǒng)將航天器發(fā)送到預(yù)定軌道,大系統(tǒng)中的每個(gè)系統(tǒng)相互影響,系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的工作就是使總體設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化,高效實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)?例如,為了將衛(wèi)星送達(dá)靜止軌道,應(yīng)采取運(yùn)載火箭和衛(wèi)星本身推力器相結(jié)合的方案?
讓我們開(kāi)始面向系統(tǒng)工程的所有過(guò)程,本書(shū)的最后一章會(huì)給出詳細(xì)論述?圖1.1給出衛(wèi)星任務(wù)組成分解框圖,每個(gè)單元根據(jù)與之有關(guān)的功能需求進(jìn)行工作?從而,我們能夠從任務(wù)目標(biāo)本身提取一系列最頂層任務(wù)需求?系統(tǒng)工程化過(guò)程中,我們將介紹系統(tǒng)最高限度滿足任務(wù)需求的解決方法
ChambersScienceandTechnologyDictionary這本詞典給出了航天領(lǐng)域“系統(tǒng)工程,,的定義?原文內(nèi)容為:“Alogicalprocessofactivitiesthattransformsasetofrequirementsarisingfromaspecficmissionobjectiveintoafulldescriptionofasystemwhichfulfiltheobjectiveinanoptimumway.Itensuresthatallas?pectsofaprojecthavebeenconsideredandintegratedintoaconsistentwhole.,,
這里談及的“系統(tǒng)”可包含航天工程中所有的空間段和地面段,包括空間段與地面段之間主要的接口關(guān)系,如圖1.1所示?系統(tǒng)也可以是應(yīng)用一個(gè)有限的空間
圖1.1總系統(tǒng)空間段和地面段組合
單元的集合,如有效載荷中的設(shè)備,設(shè)備又可以分解為天線單元?光學(xué)部分?檢測(cè)器等,也可以分解為機(jī)械子系統(tǒng)和電子學(xué)子系統(tǒng)?
用戶或者是數(shù)據(jù)的使用者提出系統(tǒng)的任務(wù)目標(biāo),他們是任務(wù)目的的發(fā)言人,事實(shí)上的質(zhì)量負(fù)責(zé)人,并且在設(shè)計(jì)過(guò)程中保持絕對(duì)權(quán)威地位,這些基本要求必須在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中充分滿足?
例如,任務(wù)目標(biāo)是給地面用戶和機(jī)載軍事用戶提供安全和可靠的三維位置信息和速度信息,GPS是適合此目標(biāo)的一個(gè)選擇?
為滿足世界范圍的移動(dòng)通信目標(biāo),可以提出不同的建議和解決的方法,可以使用偏心的極地衛(wèi)星設(shè)計(jì)(詳見(jiàn)第5章),也可以用低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的概念去實(shí)現(xiàn),如全球之星(Globalstar)或者銥星(Iridium)星座等?
這些例子表明系統(tǒng)工程的基本原理,即滿足目標(biāo)要求絕不止一種方案,會(huì)有各種各樣的解決辦法,有的好一些,有的差一些,和目標(biāo)判別的參數(shù)有關(guān),如經(jīng)費(fèi)?重量或者是系統(tǒng)性能等?系統(tǒng)工程師的問(wèn)題就是把這些不同的評(píng)估條件進(jìn)行平衡后給出一種解決方案?
系統(tǒng)工程師首先要著手的過(guò)程是明確任務(wù)目標(biāo)?任務(wù)需求,從最初目標(biāo)到設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)生的系統(tǒng)和分系統(tǒng)需求?圖.2展示了如何建立不同層次的需求,在第20章中將以一些特定的航天器為例給出需求層級(jí)的進(jìn)一步說(shuō)明和解釋?圖1.2中雙箭頭線段的理解非常重要,它們代表系統(tǒng)工程師在此處需要反饋和迭代?
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向空間飛行器系統(tǒng)本身?它可以方便地分解為兩個(gè)主要部分,即平臺(tái)(也稱服務(wù)艙)和有效載荷?很顯然,有效載荷是任務(wù)的主角