空间飞行器总体设计

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3. 轨道机动、交会对接的概念? 答:轨道机动是航天器在控制系统的作用下使其轨道发生有意的改变。 (沿原轨道运行的航 天器经机动改变成另一条所要求的新的轨道运行) 轨道改变和轨道转移是轨道机动按是否有相重点分为轨道改变和轨道转移。 有交点, 只施加 一个冲量的是轨道改变。没交点,至少施加两个冲量的叫轨道转移。 (中间轨道称为过渡轨 道或转移轨道) 交会与对接是两个航天器在空间某一点上的会合叫做交会, 两个航天飞行器连接成一体叫做 对接,为了对接首先要交会。 三种方式:直接交会;用交会位置调节轨道交会;用等待轨道交会。 对接:法线轴重合时,加一个冲量。 4. 共面同向轨道改变需要的速度增量的大小? 答:讨论椭圆轨道圆形化。设原轨道的半通径为 P、偏心率为 e。要求在其近地点或远地点 实施变轨使其转入一条同向圆轨道运行。 如果轨道改变在近地点发生,则因为原轨道在近地点处的地心距 rp 和速度 v p 分别为
航天器系统
有效载荷(有效载荷分系统)
航天器平台
航天器结构平台(结构分系统)
服务与支持分系统
图 1 航天器系统设计的层次关系图 (1). 有效载荷分系统:航天器上直接完成特定任务的仪器、设备和核心部分; (2). 航天器结构平台:整个航天器的结构体 (3). 服务和支持系统:有效载荷正常工作的必要条件。 ①结构分系统: 提供其他系统的安装空间; 满足各设备安装方位, 精度要求; 确保设备安全; 满足刚度,强度,热防护要求,确保完整性;提供其他特定功能
第四章—卫星总体设计
1. 总体设计基本任务是什么? 答: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、优化的卫星系统 (1). 将用户要求转化成若干分系统组成的系统和系统的功能及性能参数, 并使该系统满足大 系统(运载火箭、发射场、测控中心和应用系统)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, 经过分析和协调, 保证系统和分系统 之间的各种功能的、物理的和程序的接口兼容,最终完成总体方案设计 (3). 完成卫星总体详细设计(包含总装设计、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) 2. 总体设计基本设计原则是什么? 答:满足用户需求的原则,系统整体性原则,系统层次性原则,卫星研制阶段性原则,创新 性和继承性原影响航天器姿态控制以及要求磁净化的设备 使航天器面临着潜在的危害
姿态控制分系统 结构分系统
3.太阳辐射对近地轨道航天器的影响? 答:太阳辐射对近地轨道的影响有, (1). 对航天器温控系统的影响:太阳辐射是主要外热源。 (2). 对航天器姿控系统的影响: 太阳辐射和地气辐射压是航天器姿态控制中所必须考虑的因 素之一(a 对大型航天器 b 引起大气密度变化阻力增加) (3). 对航天器电源系统的影响: (a 决定太阳电池方阵功率的精确计算 b 影响控制回路的设 计 c 破坏太阳电池保护层) (4). 对航天器通信系统的影响: (a 致使短波和中波无线电信号衰落,甚至完全中断 b 引起 射电背景噪声的增强) (5). 对航天器遥感器、探测器的影响: (a 太阳辐射频谱是航天器遥感器设计、数据解译和 反演的重要光学背景 b 对绝缘材料、 光学材料和高分子材料也存在损伤作用 c 航天器材 料中的气体杂质释放出来,污染光学遥感系统) (6). 对人体和生物体的影响: (人体器官和眼睛有不同程度的影响) 4. 电离层对航天活动的影响? 答:电离层对航天活动的影响有, (1). 对航天器通信系统的影响: (a 无线电波存在严重的影响 b 电离层不规则体使通过的信 号产生闪烁 c 改变航天器上天线的阻抗特性) (2). 对航天器定轨系统的影响: (电波信号频率发生偏移) (3). 对航天器轨道和姿态的影响: (a 阻力增大 b 横切磁力线飞行时产生感生电动势) (4). 航天器的充电效应: (表面充电和局部充电) (5). 航天器电源系统的影响: (等离子体导电,使电池阵裸露部分与之构成并联回路) 5. 地磁场有那两个部分组成,每个部分分别包含哪些内容? 答:地磁场有内源场和外源场两个部分组成。 (1). 内源场:起源于地球内部,它包括基本磁场和外源场变化时在地壳内的感生。 (2). 外源场:起源于地球附近的电流体系,包括电离层电流、环电流、场向电流、磁层顶 电流及磁层内其他电流。 6. 空间辐射效应对航天器的影响?
rp P /(1 e) v p ( / P) 2 (1 e)
式中, 为地球引力常数。 v p 的方向与地心矢垂直。
1
新轨道的环绕速度为:
v ( / rp ) 2 ( / P) 2 (1 e) 2
V 的方向与地心矢垂直,且和 v p 同向。
1
1
1
由于 v v p ,因而变轨所需的速度增量 v p 的大小为:
其中, M 0 为变轨前航天器质量 I s 为发动机比冲。 6.简述地球静止卫星的发射过程? 答:当运载火箭把卫星送到停泊轨道,远地点高度达到 35786km 卫星用远地点发动机,把 卫星送到静止轨道,但要达到倾角为零,且发射场纬度不在赤道,此种情况远地点发动机点 火前,必须把卫星的姿态设置好,并且要精确测定。当卫星到达远地点时,远地点发动机点 火,它所产生的速度为 Va,静止轨道卫星的速度 Vc,其差为△V,并使 Va 的矢量和△V 的 矢量之和为静止轨道卫星的速度,达到卫星在赤道平面内运动。
2.航天器的分类? 答:航天器按是否载人可分为无人航天器和载人航天器两大类。其中,无人航天人按是否环 绕地球运行又分为人造地球卫星和空间探测器两大类; 载人航天器可以分为载人飞船、 空间 站和航天飞机。 3.什么是航天器设计? 答:航天器设计就是要解决每一个环节的具体设计,其中主要的几个关键内容为:航天任务 分析与轨道设计、航天器构形设计、服务与支持分系统的具体设计。 4.画图说明航天器系统设计的层次关系并简述各组成部分的作用。 答:
va 的方向与远地点速度 va 的方向相同。
5. 简述 V 的概念,当给定 V 时所消耗的推进剂质量? 答:卫星从一个轨道转移到另一个轨道,通常是利用假定在瞬时之间作用的速度增量 V 完 成的;也就是说,可以用单个或几个推力冲量来调整或改变轨道。
m p M 0 1 exp( v / I s )
答:高能带电粒子的影响主要表现在:1、对航天器功能材料、电子元器件、生物及航天员 的总剂量效应。2、对大规模集成电路的等微电子器件的单粒子效应。其中, 总剂量效应:带电粒子入射到物体时,会将一部分或全部能量转移给吸收体(a 电离作用: 高能电子 b 位移作用:高能质子和重离子) 单粒子效应:当空间高能带电粒子轰击到大规模、超大规模微电子器件时,造成微电子器件 的逻辑状态发生改变,从而使航天器异常和故障。
第二章—空间环境
1.近地空间环境由多种环境要素构成,其中对航天器活动存在较大影响的环境要素是什么? 答: 对航天器活动存在较大影响的环境要素主要有五类, (1). 太阳电磁辐射; (2). 地球中性大气层; (3). 地球电离层; (4). 地球磁场以及空间带电粒子辐射; (5). 空间碎片及微流星。 2. 航天器在近地轨道中运行受到的环境因素影响以及这些因素所影响的分系统? 答: 环境因素 地球引力分布不均匀 重力梯度 高层大气密度 空间带电粒子辐射 环境因素产生的影响 对航天器运行轨道产生引力摄动 会对航天器产生扰动力矩 是影响低地球轨道航天器的工作寿命的主要原因 对航天器所使用的电子元器件、 功能材料、 仪器设 备以及载人航天中的航天员均能产生损伤作用 地球电离层 太阳电磁辐射以及地球 对其的反照 影响无线电波的传播 可影响航天器的光照环境、 热设计中的外热流标准 以及对地观测的光学背景 测控与通讯分系统 热控制分系统、姿态控 制分系统 所影响的分系统 轨道控制分系统 姿态控制分系统 轨道控制分系统
第一章—绪论
1.各国独立发射首颗卫星时间。 表格 1 各国独立发射首颗卫星时间表 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 国家 苏/俄 美国 法国 日本 中国 英国 印度 以色列 卫星 斯普特尼克 1 号 探险者-1 号 试验卫星一号 大隅号 东方红一号 普洛斯帕罗 罗西尼试验卫星 “地平线”1 号 运载火箭 卫星号 朱诺 1 号 砖石 A L-4S-5 长征一号 黑箭 SLV-3 彗星 2 号 发射时间 1957.10.04 1958.01.31 1965.11.26 1970.02.11 1970.04.24 1971.10.28 1980.07.18 1988.09.19 卫星质量/kg 83.62 4.8 38 23.6 173 66 35 154.4 17.3 19 9.4 81.5 火箭起飞质量/t 267
(3). 应用卫星按用途分类 ①通信卫星:用于中继无线电通信信息的卫星。它通过转发无线电通信信号,实现地面 诸地球站之间或地球站与航天器之间的通信。 ②气象卫星:用于气象观测卫星。 ③地球资源卫星:用于勘测和研究地球资源; ④海洋卫星:专门用于观测和研究海洋的人造卫星; ⑤导航卫星:用于导航定位的人造卫星; ⑥侦察卫星:用于获取军事情报的人造卫星。 7.试述航天工程系统的组成。 答:发射场、运载器、航天器系统、地面应用系统、运载与航天器测控网。
②电源分系统:向航天器各系统供电 ③测控与通信系统:对航天器进行跟踪,测轨,定位,遥控,通信; ④热控系统:对内外能量管理和控制,实现航天器上废热朝外部空间的排散,满足在飞行各 阶段,星船各阶段、仪器设备、舱内壁及结构所要求的温度条件; ⑤姿态与轨道控制系统:姿态控制--姿态稳定,姿态机动;轨道控制--用于保持或改变航天 器的运行轨道,包括轨道确定(导航)和轨道控制(制导)两方面,使航天器遵循正确的航 线飞行。 、 ⑥推进系统:向地球静轨道转移时的近地点与远地点点火;低轨道转移时,低轨到高轨的提 升与离轨再入控制; 星际航行向第二宇宙速度的加速过程;在轨运行 ⑦数据管理系统:将航天器遥控管理等综合在微机系统中 ⑧环境控制与生命保障:维持密闭舱内大气环境,保证航天员生命安全 5.航天器的特点及其设计的特点? 答:航天器的特点有 5 个, (1). 系统整体性; (2). 系统层次性; (3). 航天器经受的环境条件:运载器环境、外层空间环境、返回环境; (4). 航天器的高度自动化性质; (5). 航天器长寿面高可靠性。 航天器设计的特点有 4 个, (1). 运载器有效载荷引发的设计特点: 慎用质量和追求轻质量的特点追求小尺寸和巧安排的 设计特点; (2). 适应外层空间环境引发的设计特点:创造必要的、可模拟真实环境进行航天器部件、设 备、分系统和整体航天器检测、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; (3). 特殊的一次使用性引发的设计特点:不存在维修、替换或补给,系统可靠性要求很高; (4). 单件生产引发的设计特点:每颗卫星都具有其特殊性。 6.试述应用卫星的分类及其主要用途。 答:应用卫星发射数量最多,种类也最多。具体分类如下, (1). 应用卫星按工作基本特征分类:对地观测类、无线电中继类和导航定位类; (2). 应用卫星按是否专门用于军事分类:民用卫星和军用卫星;
第三章—轨道设计及选择
1. 简述轨道设计的过程? 答:轨道设计过程有如下 9 个步骤, (1). 确定轨道的类型: (a 发射轨道 b 运行轨道 c 返回轨道 P3-1) (2). 确定与轨道有关的任务要求。 (3). 评价具体的轨道。 (4). 单颗卫星或星座的选择。 (5). 进行飞行任务轨道设计的权衡。 (6). 运载工具、回收或报废的选择。 (7). 估计星座的发展和补充。 (8). 建立 V 的预算 (9). 编制有关轨道参数、选择准则和允许范围的文件。 2. 常用的轨道类型有哪些?其应用范围是什么? 答:轨道类型有太阳同步轨道、太阳同步回归轨道、地球静止轨道、极轨道、临界倾角大椭 圆轨道、甚低(地球)轨道、星座等七类。
1 1 v p v p v p v ( / P) 2 (1 e) (1 e) 2
v p 的方向与 v p 的方向相反。
同样,如果轨道改变在远地点发生,则变轨所需的速度增量 va 的大小为
1 1 va va ( / P) 2 (1 e) 2 (1 e)
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