《空間技術圖書館》是一系列高水平的研究書籍，涉及與空間任務有關的各種重要問題。從任務分析和設計開始，通過對航天器結構的描述，到航天器姿態(tài)的確定和控制，涵蓋了廣泛的與空間有關的主題。通過美國空軍學院的空間技術系列提供了《空間技術圖書館》的一些優(yōu)秀卷。叢書的質量是通過其總編輯和備受尊敬的編輯委員會的努力保證的。《空間技術圖書館》的圖書由歐空局、美國宇航局和美國國防部贊助。

本文是《空間技術圖書館》系列圖書《LEO衛(wèi)星設計》的簡要描述，為航天或衛(wèi)星通信從業(yè)人員提供閱讀概覽。

前言

1991年出版的《空間任務分析與設計》是第一本全面論述空間與航天器系統(tǒng)設計的著作。它仍然是關于這個主題最全面的書。雖然后來的版本確實涵蓋了一些航天器硬件設計問題，但本書的主要重點是空間任務的分析和設計，而不是航天器硬件本身的設計。

自1991年以來，人們對近地軌道航天器的興趣大大增加，從事這一領域的年輕工作者的數(shù)量也大大增加。隨著立方體衛(wèi)星的出現(xiàn)，今天建造和發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量激增。這本書，低地球軌道衛(wèi)星設計，旨在補充空間任務分析和設計。它專注于航天器硬件和軟件的設計，并打算為新一批太空愛好者提供他們設計太空硬件和軟件所需的工具。在本書的最后，給出了一個航天器的設計問題。我們鼓勵讀者用書中提供的電子表格和方程式來完成問題所提出的設計，從而肯定所有在本書中所學到的知識。

作者簡介

Alex Chuchra獲得機械工程碩士學位。在他的整個職業(yè)生涯中，他一直從事航天器熱分析和設計工作，先是在RCA/GE/Martin Marietta，后來在Swales和Orbital-ATK工作。在成為一名獨立承包商后，他繼續(xù)在福特航空航天公司、仙童公司、洛克希德馬丁公司和美國宇航局戈達德太空飛行中心的許多航天器上工作。他參與了GOES-R系列、quick TOMS、Indostar、CGS Wind and Polar、GPS-2R、TOPEX、GOES-1系列、Satcom-Ku等航天器的熱設計工作。他是《航空航天公司航天器熱控制手冊》的特約作者。他向讀者介紹了設計驅動因素、邊界熱情況以及這些因素影響航天器設計的方式。

Steve Fujikawa持有Stanford University的機械工程碩士學位和Cornell University的機械和航空航天工程學士學位。他的專長是航天器姿態(tài)確定和控制系統(tǒng)，他為許多大型航空航天公司和聯(lián)邦政府的大多數(shù)機構(包括美國宇航局和國防部)的發(fā)展做出了貢獻。他是Maryland Aerospace, Inc.的創(chuàng)始人兼總裁，該公司生產(chǎn)立方體衛(wèi)星、小衛(wèi)星、子系統(tǒng)和組件，包括用于成本敏感應用的集成ADACS系統(tǒng)。

Nicholas Galassi獲得伍斯特理工學院機械工程學士學位。他在職業(yè)生涯的前十年從事軍用飛機的結構分析，如F/A-18和A-6F攻擊戰(zhàn)斗機和AV8B鷂式噴氣式飛機。他花了三十年的時間對空間結構進行分析。他的經(jīng)驗包括管理工程小組和為超過18個空間項目提供分析支持。Galassi先生創(chuàng)立了自己的分析咨詢公司，為NASA、DOD和私人航天器項目提供支持。他對這本書的支持為工程師分析典型航天器任務的航天器、儀器和部件結構提供了指導。

George Sebestyen在麻省理工學院獲得電子學博士學位。他的研究領域包括雷達、數(shù)字計算機技術、語音帶寬壓縮、信號處理和視頻圖像分析自動化。他曾管理E-Systems公司的一個部門的研究活動，后來又管理利頓工業(yè)公司的研究活動。在國防部長辦公室工作了一段時間后，他擔任了國防研究與工程主任的戰(zhàn)術戰(zhàn)助理主任，之后他回到了工業(yè)界。

他是Sanders Associates(現(xiàn)為BAE)的系統(tǒng)工程首任副總裁，然后是該公司雷達和軍械部門的總經(jīng)理，后來是聯(lián)邦系統(tǒng)集團的集團副總裁。該集團由六個部門組成，在電子產(chǎn)品的大多數(shù)方面都有非常廣泛的產(chǎn)品。該集團開發(fā)和制造(1)空軍和海軍飛機電子對抗設備;(二)聲納浮標和反潛信號處理器、顯示器和海洋浮標;(三)陸軍對空搜索雷達;(4)飛機、直升機紅外對抗;(五)飛機、船舶、潛艇的通信攔截和DF系統(tǒng);(六)指揮控制系統(tǒng)。

Sebestyen后來成為波音航空航天公司工程部的副總裁。這個8200人的師和它的測試設施為戰(zhàn)略和戰(zhàn)術導彈和空中預警機提供工程。該部門還負責許多大型航天器項目。

隨后，Sebestyen創(chuàng)辦了自己的公司——防務系統(tǒng)公司(Defense Systems, Inc.)，生產(chǎn)監(jiān)視系統(tǒng)和航天器。該公司現(xiàn)在是軌道atk公司的一部分，建造了34個不同的航天器，重量在50-3300磅之間。

這本書是基于他的經(jīng)驗，旨在幫助航天器硬件設計師和建設者。

本書概覽

這本書是為實際動手的航天器設計師群體所用。它不提供對地球環(huán)境、天體動力學或航天器任務設計的全面處理，僅涵蓋了航天器硬件設計所必需的內容。這本書假定宇宙飛船的任務已經(jīng)被定義和指定。在最后一章中，給出了一個示例問題供讀者解決。

第1章空間環(huán)境描述了磁場、重力加速度、太陽輻射和反照率輻射。這些都是量化的，這樣衛(wèi)星設計者就可以利用它們來開發(fā)電力、姿態(tài)控制和推進系統(tǒng)，還可以計算ADACS和推進系統(tǒng)必須克服的大氣阻力和尖端扭矩。

圖1 地球磁場

第2章衛(wèi)星任務介紹了各種類型的軌道、衛(wèi)星和小型近地軌道衛(wèi)星數(shù)量的增長。本章還詳細介紹了成像衛(wèi)星和成像衛(wèi)星的設計。給出了設計方程和圖形。本章最后討論了衛(wèi)星星座，將單個衛(wèi)星部署到它們的站點和站點維護的方法。

圖2 從太陽上看到的極地軌道、傾斜軌道、太陽同步軌道和橢圓軌道

第3章軌道與航天器相關幾何，首先定義航天器軌道要素，獲得衛(wèi)星地面軌道、地面站訪問時間和每次通過時的仰角。它涵蓋了最常用的幾何關系，軌道周期，各種最小仰角的通過持續(xù)時間，遠離航天器地面軌道的地面站如何看到航天器，以及地面站對地面軌跡的最接近點(CPA)如何影響通過持續(xù)時間和峰值仰角。

圖3 軌道元素說明

第四章電力子系統(tǒng)設計詳細介紹了獲取軌道平均功率(OAP)和電池容量的過程。討論了如何獲得一組太陽能電池板產(chǎn)生的瞬時和軌道平均功率，最后給出了一個電力分系統(tǒng)的框圖。

圖4 典型的電力子系統(tǒng)框圖

第5章討論航天器的頻率分配、調制類型和前向糾錯。給出了不同誤碼率和調制類型所需的Eb/No。建立了典型航天器天線和大型碟形地面站的射頻鏈路方程與仰角的關系。描述了各種天線及其增益模式。本章總結了隨著鏈路余量的變化而改變數(shù)據(jù)速率以及在高增益和低增益天線之間切換來增加航天器吞吐量的方法。

圖5各種調制和FEC的BER-Eb/No曲線

第6章簡要介紹了C&DH、ADACS和圖像或實驗處理數(shù)字計算機的選擇。

圖6分布式航天器處理器架構的示例

第7章描述了各種ADACS系統(tǒng)，以及如何將任務需求轉化為ADACS需求。然后討論了各種姿態(tài)控制系統(tǒng)、重力梯度、俯仰偏動量、三軸零動量和自旋穩(wěn)定系統(tǒng)。介紹了ADACS的組成、軟件開發(fā)、集成和測試以及在軌檢驗。

圖7三軸零動量ADACS的功能圖

第8章航天器軟件描述了軟件體系結構、航天器軟件執(zhí)行的功能以及如何實現(xiàn)這些功能。本章最后討論了軟件開發(fā)方法。

圖8軟件架構和軟件模塊

第9章介紹了航天器的各種結構形式、優(yōu)缺點以及詳細的結構分析過程。

圖9 LCROSS和LRO的衛(wèi)星堆棧

第10章展開機制描述了太陽能電池板和天線展開以及運載火箭分離的常用機制。

圖10 保留-釋放機制的性質

第11章推進介紹了冷氣體和肼推進系統(tǒng)，計算了航天器快速部署到其空間站所需的德爾塔V，以及在星座內跟上空間站。

圖11 冷氣體推進系統(tǒng)原理圖

第12章熱設計描述了熱平衡方程，通過應用表面處理和創(chuàng)建導電和輻射路徑來改變航天器熱性能的方法。介紹了建立航天器熱模型、進行溫度預測、將模型預測與熱真空試驗數(shù)據(jù)相關聯(lián)的方法。本章以一個點設計的例子作結。

第13章討論了輻射強化、冗余和可靠性。還討論了屏蔽、冗余的使用和計算可靠性。

圖12 可靠性框圖

第14章集成與測試描述了集成航天器的過程，并討論了組件和系統(tǒng)級測試程序。

圖13 典型的集成和測試時間表

第15章運載火箭和航天器接口描述了幾種運載火箭的特性以及航天器將看到的振動環(huán)境。航天器的設計必須能容納這些。介紹了作為主載荷和次載荷的航天器的機械接口。

圖14沃洛普斯飛行設施（WFF）的典型安塔瑞斯發(fā)射剖面

第16章地面站和地面支持設備描述了地面站的功能和航天器設計者必須知道的地面站操作的那些方面。

圖15 到GS航天器的位置和距離，仰角和方位角

第17章宇宙飛船操作介紹了宇宙飛船運行時的功能和一些顯示器。

圖16衛(wèi)星位置、通信軌跡和通信接入時間

第18章低成本設計和開發(fā)描述了降低航天器成本的程序和項目管理技術。

?組建一個有能力的小團隊

?制定一個簡短的時間表

?快速果斷地做出重大權衡和技術決策

?在制造和設計之間進行明智的并行實踐

?不要拖延或不必要的分析

?不要讓任何人拖慢您的速度

?項目經(jīng)理應該在項目中運行程序，而不是在矩陣組織中運行

?與客戶保持和諧的關系

第19章系統(tǒng)工程和項目管理描述了從需求流程到子系統(tǒng)規(guī)范的系統(tǒng)工程過程。它還給出了權衡分析的例子。描述了開發(fā)文檔過程，并描述了各種報告，如PDR和CDR。工作說明和工作分解結構的一個非常詳細的例子給出。

第20章航天器設計實例從客戶對航天器的技術要求出發(fā)，描述了航天器硬件設計的航天器初步設計過程。我們鼓勵讀者根據(jù)這些要求進行他或她自己的觀點設計。

第21章可下載的電子表格描述了航天器設計中經(jīng)常需要的29種計算。這些電子表格可以下載并適應設計師的具體要求。

《空間技術圖書館》系列圖書為電子書，Springer出版社官方圖書鏈接：Space Technology Library | Book series home (springer.com)。

美國作為全世界第一大航天強國，在航天器設計、數(shù)字系統(tǒng)工程、項目管理等方面，值得我們學習。希望國內相關單位在星地一體化、載人登月計劃、火星探測、南天門計劃等系列重大項目實踐中，科學組織、有序推進、勇攀高峰。