【航天甲子年50讲】 07 卫星设计流程



文:晟宇(视频讲解)

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(请自动忽视我这个鸡窝一样的头发)

写在前言前面,感谢各位知友的关注,以及各路高人提出的宝贵建议,一定努力把这个系列小分享越做越好,也希望大家不吝赐教。


0.前言

对于7一直有点着迷的晟宇选在这一讲和大家分享一下自己对于卫星设计流程的认识。首先要感谢大家的支持与关注,很多朋友在后台提出了许多宝贵的建议,虽然只是简单知识的分享,也会尽量的保持和提高质量。其次,觉得之前的内容分享还是显得有些枯燥,晟宇也努力抖抖机灵,讲得生动一些。


把卫星的设计流程作为分享的内容晟宇也是诚惶诚恐的,题目太大就只能讲讲自己内化了的那一部分,谈谈一些粗浅的认识。


1.欲望第一

说道卫星的设计还得从欲望说起,即便是打一个铁疙瘩到天上去背后也一定会有一个原因。这个原因我们称其为需求。需求这个东西大家都很清楚,一种是你很需要,一种是别人告诉你你很需要。(好像透露了什么)


无论这个需求是什么,重要的是要有需求,那么设计卫星这件事情才有了意义。专业地来说就是所有航天任务,包括卫星都是设计出来满足特定的空间应用的。在经典的《航天任务分析与系统设计》一书中勾画出来了为了满足如火灾探测这么一个应用而构建出来的完整系统的组成部分。


我们再来看看这个需求,将需求转化到航天任务的语言中来描述的话,需求主要包含的内容就是主要目标和从属目标的集合。怎么来理解主要目标和从属目标呢,例如我们去买房子,我们知道房子是买来住的,所以好住就是主要目标。那么同时房子买来可以按照自己的理念装修,凸显出比格和品位,再邀约朋友前来轰趴等等这些就是从属目标。


卫星的设计一般是围绕着这个主要目标来设计的兼带着实现这些从属目标,然而也不乏主任务失败依靠从属目标发挥意义的项目。






对于主要目标的满足是通过实现具体的功能要求来体现的。例如火灾卫星,要具备火灾的探测能力,所以要有诸如红外载荷之类的设备,要满足大面积的探测,需要载荷的幅宽要大等等之类。再次类比房子,就是好住体现在在二孩时代就最起码得是三房或者四房。为了舒适还要按照地暖等等。


最后哲学出现,没什么事情是只有好处的。约束无处不在,无论是卫星的设计,还是生活。卫星的设计受到资金、研制周期,任务受到运载、轨道、测控等各种约束条件的限制。就好象如果我们买房子的预算有限,又想买大房子,那么只好买到比较远的地方,住的是否属实也不是关起门来就好,还取决有没有个好的物业来帮忙解决一些细碎处的烦恼。


2.有的放矢


卫星设计的过程于自己最大的好处就是明白了目的的重要性,也就是胡萝卜之于毛驴的重要性。有了目的,意义就会赋予动力,任务驱动设计


为了更好的说明卫星设计的流程,要找一个标本,举一个栗子。算在法国待过几天,就找一个法国的卫星吧。普莱亚,也有叫昂宿星的,反正就是Pleiades。这个卫星是 Suite de Systeme SPOT ,也就是SPOT系列的继承者咯。其主要目标就是卖图片挣钱,为了卖出好价钱那么图像的质量要好;为了尽量满足顾客的需求,还要尽快地位顾客送上图像。因此这个系统的目标就是利用2颗卫星的星座来实现对于全球任意地区的每日重访,意味着只需要让顾客最多等一天就拿到图像。对于一直从USGS获取免费资源的我,真的从来没有体会过这种拿快图的快感。


Pleiades的全色波段的空间分辨率是0.7m意味着它的幅宽肯定大不了,那么这种每日重访还有一个潜在的设计要求。聪明如你一定猜到了,它是敏捷卫星。啥叫敏捷卫星呢,就是具备了转头能力,想看哪就看哪的卫星,具备了滚动、俯仰、偏航三轴进行快速机动能力的卫星。于是这卫星才能具备如此出色的数据采集能力。




Pleiades的这种能力,不但体现在获取的数据更多,也体现在更加灵活多样的成像模式。例如可以从不同角度对目标成像,获得更丰富的信息。




Pleiades所成图像(CREDIT SPOT IMAGE)


在满足了给用户快速提供高质量图像的前提下,这些灵活特点构成的从属目标是的其数据更加具备竞争力。



3.庖丁解牛


从需求出发,转化到卫星设计所要实现的主要功能与性能。将应用的语言转换到了工程的世界里。


一般地,直接去满足任务提出要求的就是载荷。以Pleiades为例,它是光学型的遥感卫星,目标是实现高分辨率高质量的成像,因此这个卫星的载荷就是一台“照相机”,光学成像载荷。那么载荷设计也就从其工作原理出发,首先其工作的原理非常类似我们人眼看世界,所以主要看的是太阳在地面的反射bla bla ~~因此根据其成像的特点设计了望远镜系统类似于相机的镜头,同时要获得大幅宽又需要进行多块探测器的拼接形成电子学系统,类比于于相机的机身和里面的CCD。


这个动作如同庖丁解牛中的入刀的动作,抓住要害自然而入。



然后根据载荷设计提出的空间要求开展轨道的设计,卫星嘛,无论是哪一种类型都绕不过轨道设计这一过程。这一过程是为了应对空间产生的约束来开展设计。轨道的设计几乎设计了卫星生命周期里的方方面面。从任务的角度来说,Pleiades的轨道选择了太阳同步轨道,这是大多数遥感卫星选择的轨道,原因是该轨道有比较固定和良好的光照条件,咱们不是光学卫星,所以这很重要。另外还要考虑到空间分辨率幅宽相关的轨道高度的要素,可以出门左转【航天甲子年50讲】 05 空间任务几何


同时轨道根据任务确定以后,还要进行相应的能源分析,测控通信分析等等,这个过程相当于解牛的刀在牛的身体里游走。




最后就是根据任务载荷,所选轨道进行功能指标的分解,开展支撑载荷与任务的卫星其他分系统的设计。卫星一般分平台和载荷,所以很多时候平台是针对一大类的卫星进行设计的,最后载荷只是搭车。而Pleiades算是比较早的进行平台载荷一体化设计的,也就是围绕着任务载荷来设计相应的分系统。这个过程如同最终将牛解开。也是任务需求对各个部分的分解后的设计展开。


关于卫星的各个分系统,在之后的分享里会尽我所知和大家细细聊聊,此处就点到为止。



4.再看流程

前面说的这一步一步都是理想的过程,虽然存在所谓瀑布式的设计流程,然而现实中往往都是复杂协作,不断返工,反复权衡,争吵与协同交织,先有顾此失彼,最终圆满合融的过程。



这是由于参与卫星设计的设计所属的专业不同,所处角度不同,因此设计的过程中往往都主动降低自己的约束,主动地去约束别人,最终在竞争式的协同中获得平衡。于是有的机构如ESA就希望用这种协同设计中心的方法来将这个痛苦的博弈协同过程尽量的缩短。猜测推进这一过程应该也蛮痛苦的。


所以卫星的设计是一个不断迭代的过程,一方面是各个分系统之间博弈式的协同设计,一方面是任务目标的不断深入的理解,从而不断地明晰具体的设计方案。这一过程与艺术作品的创作也有异曲同工之妙,现有心中的轮廓,在一点点雕刻出细节,期间大概也有不少的推到重来。


最后贴上我国和NASA的空间项目的大概流程,大体上非常类似,前面三个阶段从任务的分析,到可行性方案的论证,到总体方案的形成,大概到总体方案的阶段有的研制工作就开始了,通过研制过程中的测试试验再一次来修正设计,最后形成了一个基线,到此设计结束,开始正式的研制。


下期我们来聊聊,载人航天的那些事。


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[航天甲子年五十讲] 往期回顾


【航天甲子年50讲】 01 飞天

【航天甲子年50讲】 02 轨道力学

【航天甲子年50讲】 03 轨道摄动

【航天甲子年50讲】 04 奔月:从地球到月球

【航天甲子年50讲】 05 空间任务几何

【航天甲子年50讲】 06 空间环境

编辑于 2017-11-22