1概論
直到1957年蘇聯(lián)斯普特尼克(Sputnik)1號衛(wèi)星發(fā)射入軌,人類才成功掌握了操控航天器的能力?在寫這本書的時候(2010年),太空時代也只有半個多世紀,在此期間航天技術(shù)取得巨大進步,阿波羅(Apollo)號到月球探險并返回已經(jīng)是遙遠的記憶了?在50年多一點的時間里,除了矮小的冥王星外,無人探測器已飛過了太陽系所有主要的星體,但預(yù)計此紀錄很快會被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?空間航天器已經(jīng)在月球和金星上著陸,近幾年已看到一個名副其實的由軌道飛行器?著陸器和巡游器等組成的艦隊正準備向人類期望的未來——火星這顆紅色行星的探險?1995年伽利略木星軌道飛行器“著陸”在木星大氣“表面”成功開展了一次探測;卡西尼/惠更斯號航天器取得了驚人的成功,于2004年進入環(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?太陽系中的小行星也吸引了任務(wù)規(guī)劃者的注意,第一個執(zhí)行小行星探測任務(wù)的是近地小行星會合(NEAR)鞋匠(Shoemake)航天器,于2001年2月著陸厄洛斯(Eros)小行星?接著,日本隼鳥號(Hayabusa)航天器于2005年嘗試進行了系川小行星(Itokawa)物質(zhì)采樣,盡管采樣沒有成功,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)?類似地,雄心勃勃的歐洲羅塞塔(Rosetta)計劃,其主要目的是于2014年在彗星表面投放著陸器?人們越來越意識到地球可能會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,人類太空飛行基本限制在地球軌道,目前主要聚焦于國際空間站(SS)的建設(shè)和利用?美國?歐洲?俄羅斯和日本都加入了此項雄心勃勃的長期計劃中?國際空間站是太空工業(yè)在技術(shù)和政策上的一大進步,是學(xué)習(xí)在太空生活和工作的有益經(jīng)歷,是人類將來探索太陽系所必要的課程?這次太空活動的主力是美國航天飛機,使用航天飛機是美國30年來將人類送入軌道的主要手段?然而有跡象表明航天飛機將于2011年退役,這是美國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人類航天計劃,引出了既滿足載人需要復(fù)雜度又低的戰(zhàn)神1號(Ares1)運載火箭的提議?Ares1是星座計劃任務(wù)的一部分,該計劃的目標是生產(chǎn)全新的人類太空飛行器,滿足美國宇航員往返月球最終往返火星的需求?然而,航天飛機退役恰逢嚴重的全球經(jīng)濟衰退,星座計劃的政治承諾變得很不確定,美國對該計劃的重新評估或許將預(yù)示著航天基礎(chǔ)設(shè)施朝著完全商業(yè)化趨勢發(fā)展?
毋庸置疑,無人航天器的應(yīng)用不會被削減,現(xiàn)在很多國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)建立了一個牢固的立足點支撐技術(shù)社會,并期望在將來可提供更多技術(shù)支持?
20世紀前,太空旅行是白日夢,當(dāng)時多數(shù)權(quán)威人士不理解航天器運動的本質(zhì),大多數(shù)人認為太空中的飛行物都比空氣輕[1,2]?轉(zhuǎn)過20世紀,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,但并沒有提供所需要的技術(shù),該技術(shù)最終由美國的羅伯特?戈達德(R.H.Goddard)和德國的維爾納?馮?布勞恩(Wem-hervonBraun)在后續(xù)工作中得以實現(xiàn)?德國人用V-2火箭來展示他們的成果,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可靠的推進系統(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?正是由于這些德國工程師的工作,使斯普特尼克(Sputnik)l號衛(wèi)星于1957年10月4日成功發(fā)射?美國緊隨其后,于1958年1月31日成功發(fā)射第一顆衛(wèi)星 探險者(Explorer)1號?
太空技術(shù)在過去50年有巨大的進步,但其發(fā)展并非一帆風(fēng)順,在美國航天史上發(fā)生過兩次災(zāi)難,分別是1986年的挑戰(zhàn)者號(Challenger)和2003年的哥倫比亞號(Columbia)?技術(shù)方面在各個領(lǐng)域都取得了成就,最顯著的是能量轉(zhuǎn)換技術(shù),特別是太陽能光伏?燃料電池和蓄電池?熱管技術(shù)在空間技術(shù)舞臺上也得到了發(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算機和軟件?盡管這些技術(shù)不是來自航天技術(shù)驅(qū)動,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?但是航天器也對人類的創(chuàng)造力和理解力提出挑戰(zhàn),即使像最基本的航天器無約束的旋轉(zhuǎn)運動,也必須嚴格審查航天器動力學(xué)后才能得到更好的理解?人類已經(jīng)成功設(shè)計了航天器并使其能承受惡劣的空間環(huán)境,在此過程中找到了多種解決問題的渠道?
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)已可以達到具有經(jīng)濟效益的階段,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?植被生長狀況和污染的衛(wèi)星等?測量全球變暖的程度和原因只能通過全球視角的衛(wèi)星手段,今天服務(wù)于科學(xué)團隊的衛(wèi)星,或許通過增加人類對地球環(huán)境?太陽系和宇宙的認識的方式服務(wù)于明天的非專業(yè)人士?
每項和平應(yīng)用都不可避免地伴隨軍事應(yīng)用?依靠全球觀測,以前的超級大國可了解全球軍事行動及飛機部署?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)斗機飛行員lm的位置精度?這種空間技術(shù)的優(yōu)勢成為當(dāng)前地球沖突中軍事行動的重要組成部分?
表1.l根據(jù)軌道類型給出有效載荷/任務(wù)的分類?衛(wèi)星的分類方法很多,如軌道高度?偏心率或軌道傾角?
表1.1有效載荷/任務(wù)類型
任務(wù) 軌道類型
通信 低緯度靜止軌道?高緯度閃電衛(wèi)星和極地衛(wèi)星?全球測量用極軌LEO衛(wèi)星星座等
地球資源 全球測量用極軌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,它對運載火箭的設(shè)計產(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和地球相對靜止的位置?到達靜止軌道所需要的推力是巨大的,因此運載火箭的“干重”不包含推進劑)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)費在3萬美元量級,因此優(yōu)化設(shè)計并使重量最輕是必要的,同時也導(dǎo)致運載火箭的多種設(shè)計形式,每種設(shè)計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,顯而易見遠距離意味著接收功率比發(fā)射功率低很多個數(shù)量級,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),減少航天器自主運行的需求或者減少復(fù)雜數(shù)據(jù)處理/存儲系統(tǒng)的需求?
LEO(lowearthorbit)的任務(wù)是完全不同的,由于地面站設(shè)計覆蓋性問題使通信時斷時續(xù),與這類航天器通信更為復(fù)雜?20世紀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,對移動通信更有吸引力,功率可以降低,不會產(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)時間和陰影區(qū)時間不同?LEO軌道在陰影區(qū)時間相對較長,因此相對面積較大的太陽能電池陣才能滿足蓄電池充電的需求?另外,GEO軌道在一年特定時間陰影區(qū)工作時間較長(最長為72min),雖然陰影區(qū)時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)的另外一個不同點是和一年中太陽方位角相對軌道平面的變化有關(guān),太陽方位角變化可以補償,但太陽同步軌道(見5.4節(jié))太陽方位角接近常數(shù)?這種設(shè)計不是為了使平臺設(shè)計師受益,而是為了設(shè)備可以每天在相同的當(dāng)?shù)貢r間進行對地觀測和測量?
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)計參數(shù),航天器設(shè)計需要對這些參數(shù)進行折中處理?
1.2航天器系統(tǒng)
本書重點論述航天器系統(tǒng)?航天器的類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)中的每個系統(tǒng)相互影響,系統(tǒng)設(shè)計師的工作就是使總體設(shè)計達到最優(yōu)化,高效實現(xiàn)任務(wù)目標?例如,為了將衛(wèi)星送達靜止軌道,應(yīng)采取運載火箭和衛(wèi)星本身推力器相結(jié)合的方案?
讓我們開始面向系統(tǒng)工程的所有過程,本書的最后一章會給出詳細論述?圖1.1給出衛(wèi)星任務(wù)組成分解框圖,每個單元根據(jù)與之有關(guān)的功能需求進行工作?從而,我們能夠從任務(wù)目標本身提取一系列最頂層任務(wù)需求?系統(tǒng)工程化過程中,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?檢測器等,也可以分解為機械子系統(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,他們是任務(wù)目的的發(fā)言人,事實上的質(zhì)量負責(zé)人,并且在設(shè)計過程中保持絕對權(quán)威地位,這些基本要求必須在整個設(shè)計過程中充分滿足?
例如,任務(wù)目標是給地面用戶和機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是適合此目標的一個選擇?
為滿足世界范圍的移動通信目標,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(詳見第5章),也可以用低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的概念去實現(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,即滿足目標要求絕不止一種方案,會有各種各樣的解決辦法,有的好一些,有的差一些,和目標判別的參數(shù)有關(guān),如經(jīng)費?重量或者是系統(tǒng)性能等?系統(tǒng)工程師的問題就是把這些不同的評估條件進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程是明確任務(wù)目標?任務(wù)需求,從最初目標到設(shè)計過程產(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的進一步說明和解釋?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主要部分,即平臺(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