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        衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜規(guī)劃

        2020-01-17 03:19:08尹玉明閆璇王喜奎
        航天標(biāo)準(zhǔn)化 2019年4期
        關(guān)鍵詞:整星型譜衛(wèi)星平臺(tái)

        尹玉明 閆璇 王喜奎

        (航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院,北京,100071)

        文 摘:總結(jié)國(guó)外衛(wèi)星公用平臺(tái) (波音、洛馬、阿姆斯特留等歐美公司制造的衛(wèi)星公用平臺(tái))的發(fā)展情況和特點(diǎn),設(shè)計(jì)衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架,明確平臺(tái)型譜的設(shè)計(jì)原則,選取最能體現(xiàn)衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜固有特性的特征參數(shù),提出一個(gè)科學(xué)、合理的衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架,形成有序發(fā)展的、成熟的、可應(yīng)用的衛(wèi)星公用平臺(tái)系列。

        衛(wèi)星公用平臺(tái)是指能夠根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行適應(yīng)性變化或調(diào)整部分配置,從而支持多種有效載荷、滿(mǎn)足多種任務(wù)要求的衛(wèi)星平臺(tái)。20世紀(jì)70年代,世界主流衛(wèi)星制造商將衛(wèi)星中的公共服務(wù)系統(tǒng)獨(dú)立出來(lái),開(kāi)展通用化研發(fā),從而有效地降低了衛(wèi)星研制成本,有利于衛(wèi)星研制規(guī)?;a(chǎn)業(yè)化發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著空間飛行器發(fā)射數(shù)量與在軌數(shù)量的不斷增長(zhǎng),衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)日益增多,建立科學(xué)、合理的衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜,用最少數(shù)目的不同規(guī)格平臺(tái)滿(mǎn)足當(dāng)前和未來(lái)的發(fā)展需求,實(shí)現(xiàn)系列化發(fā)展。

        1 國(guó)外主要衛(wèi)星公用平臺(tái)概況

        在全球衛(wèi)星制造業(yè)市場(chǎng)上,美國(guó)的波音公司、洛克希德·馬丁公司、勞拉公司,歐洲的阿斯特留姆公司、泰雷斯·阿萊尼亞航天公司、薩瑞衛(wèi)星技術(shù)有限公司等國(guó)外主要的宇航公司處于衛(wèi)星制造業(yè)市場(chǎng)領(lǐng)先的地位,代表了較為先進(jìn)的衛(wèi)星技術(shù)能力。這些公司研制了不同系列的衛(wèi)星公用平臺(tái),形成了真正意義上的通用化、系列化、模塊化平臺(tái)產(chǎn)品。其衛(wèi)星公用平臺(tái)產(chǎn)品得到了有序規(guī)劃和發(fā)展,可滿(mǎn)足高中低軌、大中小型衛(wèi)星在通信、遙感、導(dǎo)航、科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

        1.1 美國(guó)波音公司

        圖1 波音公司衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架

        1.2 美國(guó)洛克希德·馬丁公司

        洛克希德·馬丁公司其通信衛(wèi)星公用平臺(tái)主要有A2100系列、LM系列、Mil-Star系列及DSCS-3系列等;遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)主要有LMx系列和Tiros-N系列。

        在通信衛(wèi)星公用平臺(tái)領(lǐng)域具有代表性的平臺(tái)是 A2100系列平臺(tái),包含 A2100A、A2100AX、A2100M等子型。A2100系列平臺(tái)電源功率從1.5kW到13kW,發(fā)射質(zhì)量從1000kg~3900kg,設(shè)計(jì)壽命13年~15年,滿(mǎn)足不同的用戶(hù)需求,實(shí)現(xiàn)不同功率不同質(zhì)量的覆蓋能力。在遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)領(lǐng)域,Tiros-N平臺(tái)廣泛應(yīng)用于 “國(guó)防衛(wèi)星氣象計(jì)劃” (DMSP)和 “諾阿” (NOAA)等美國(guó)氣象衛(wèi)星系列[2]。洛馬公司衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架如圖2所示。

        圖2 洛馬公司衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架

        1.3 歐洲阿斯特留姆公司

        阿斯特留姆公司是歐洲空客集團(tuán)下屬子公司,主打的衛(wèi)星公用平臺(tái)覆蓋全面。近年來(lái),阿斯特留姆公司通過(guò)廣泛并購(gòu),建立了更為豐富的衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜。

        歐洲星 (Eurostar)系列平臺(tái)是阿斯特留姆公司典型的地球同步軌道通信衛(wèi)星平臺(tái),Eurostar3000平臺(tái)是其最新的主力衛(wèi)星公用平臺(tái),衛(wèi)星最大發(fā)射質(zhì)量可達(dá)6150kg,其尺寸和性能具有非常靈活的變化模式,可以滿(mǎn)足衛(wèi)星設(shè)計(jì)和尺寸上的不斷變化。

        SPOT系列平臺(tái)是阿斯特留姆公司的遙感衛(wèi)星平臺(tái),包括MK1、MK2和MK3等子型。MK1、MK2平臺(tái)主要應(yīng)用于法國(guó)早期的SPOT系列商業(yè)衛(wèi)星、Helios(太陽(yáng)神)偵察衛(wèi)星;MK3平臺(tái)進(jìn)一步提高了性能、改進(jìn)了姿軌控和電子設(shè)備基礎(chǔ),定位于大型高分辨率成像衛(wèi)星平臺(tái),主要應(yīng)用于SPOT-5民用高分辨率遙感衛(wèi)星和軍用Helios-2衛(wèi)星。

        除此之外,阿斯特留姆公司還有針對(duì)極軌地球觀測(cè)項(xiàng)目研制的歐洲極軌平臺(tái) (PPF平臺(tái))、與泰雷斯·阿萊尼亞公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了大型通信衛(wèi)星平臺(tái)AlphaBus等。阿斯特留姆公司衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架如圖3所示。

        圖3 阿斯特留姆公司衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架

        1.4 薩瑞衛(wèi)星技術(shù)有限公司

        薩瑞衛(wèi)星技術(shù)有限公司 (SSTL公司)是由英國(guó)薩里大學(xué)組建的一家私營(yíng)衛(wèi)星制造公司,成立于1985年,旨在對(duì)該大學(xué)小衛(wèi)星工程研究成果進(jìn)行商業(yè)開(kāi)發(fā)。SSTL公司全面涉足遙感、通信、導(dǎo)航、科學(xué)實(shí)驗(yàn)四大民事衛(wèi)星領(lǐng)域和一些軍事衛(wèi)星領(lǐng)域,先后推出了SSTL-100增強(qiáng)型微型平臺(tái)、SSTL-150微小型平臺(tái)、SSTL-300、SSTL-600等衛(wèi)星平臺(tái),其型譜框架如圖4所示。

        圖4 薩瑞公司衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架

        2 國(guó)外衛(wèi)星公用平臺(tái)發(fā)展特點(diǎn)

        綜合國(guó)外衛(wèi)星公用平臺(tái)發(fā)展情況,總結(jié)其型譜特點(diǎn),主要有以下幾方面。

        (1)燕窩植生穴。吳江濤等[19]在湖北清江隔河巖庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐中,構(gòu)造燕窩植生穴用以種植耐水淹陸生灌木和挺水植物,并取得了良好的效果。

        2.1 軌道是衛(wèi)星公用平臺(tái)設(shè)計(jì)的必要約束條件

        衛(wèi)星公用平臺(tái)的主要工作環(huán)境是衛(wèi)星運(yùn)行軌道。從國(guó)外衛(wèi)星平臺(tái)公司的系列框架可以看出,適用于不同軌道的衛(wèi)星平臺(tái)系列都有著不同的型譜框架。例如:美國(guó)洛馬公司的A2100系列平臺(tái)和LMx系列平臺(tái),A2100系列平臺(tái)適用于地球靜止軌道 (約36000公里),LMx系列平臺(tái)適用于低地球軌道 (低于2000公里)。

        2.2 整星發(fā)射重量與衛(wèi)星公用平臺(tái)設(shè)計(jì)密不可分

        整星發(fā)射重量表征了衛(wèi)星公用平臺(tái)的規(guī)模,每一個(gè)系列的技術(shù)指標(biāo)中,整星發(fā)射重量都不盡相同。例如:薩瑞公司衛(wèi)星平臺(tái)的四個(gè)系列,每一個(gè)系列的承載質(zhì)量、平臺(tái)質(zhì)量和承載功率都有所不同。SSTL-100的整星發(fā)射重量為98kg,SSTL-150的整星發(fā)射重量為153kg,SSTL300的整星發(fā)射重量為368kg,SSTL-600的整星發(fā)射重量為629kg,其平臺(tái)系列中的命名數(shù)字也與整星發(fā)射重量相關(guān)。

        3 我國(guó)衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜規(guī)劃建議

        “十三五”以來(lái),我國(guó)持續(xù)面臨著高強(qiáng)度研制、高密度發(fā)射的形勢(shì)。商業(yè)航天需求爆發(fā)、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇,對(duì)衛(wèi)星的可靠性要求較高的同時(shí),也對(duì)衛(wèi)星的研制效率和成本提出了較大的要求。以我國(guó)正在論證的 “低軌移動(dòng)星座”為例,計(jì)劃在近年完成幾百顆衛(wèi)星的發(fā)射組網(wǎng)。以傳統(tǒng)型號(hào)為核心的衛(wèi)星研制管理模式越來(lái)越難以滿(mǎn)足我國(guó)對(duì)目前衛(wèi)星研制能力的需求,迫切需要合理規(guī)劃、設(shè)計(jì)衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜,提高衛(wèi)星公用平臺(tái)可靠性,縮短研制周期,提升研制效益。

        3.1 特征參數(shù)選取建議

        對(duì)應(yīng)平臺(tái)型譜中每個(gè)規(guī)格的衛(wèi)星公用平臺(tái),其主要功能性能指標(biāo)包括:衛(wèi)星軌道、整星發(fā)射重量、承載能力、設(shè)計(jì)壽命、姿控指向精度、姿控測(cè)量精度、定點(diǎn)精度、推進(jìn)方式、運(yùn)載火箭及接口等。通過(guò)分析研究國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星公用平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀可得出,衛(wèi)星軌道、整星發(fā)射重量直接影響到衛(wèi)星的總體方案和構(gòu)型設(shè)計(jì),是最能描述衛(wèi)星公用平臺(tái)的固有特性。

        3.1.1 衛(wèi)星軌道

        軌道是衛(wèi)星公用平臺(tái)設(shè)計(jì)的必要約束條件,與滿(mǎn)足衛(wèi)星飛行任務(wù)要求直接相關(guān)。衛(wèi)星軌道選擇是衛(wèi)星頂層設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì)的前提 (或依據(jù))之一,不同軌道高度對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)要求有較大差異,直接影響到衛(wèi)星的總體方案和構(gòu)型設(shè)計(jì),如近地軌道、大橢圓軌道以及地球同步軌道等均有自己的特點(diǎn),設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法也就不同。表1[3]列出了不同軌道上各種環(huán)境參數(shù)對(duì)衛(wèi)星的影響。由此可知,多數(shù)環(huán)境參數(shù)對(duì)低軌道和中軌道產(chǎn)生的影響基本比較類(lèi)似。結(jié)合我國(guó)衛(wèi)星公用平臺(tái)的應(yīng)用情況,建議將中軌道和低軌道合成一類(lèi),高軌道作為一類(lèi)。

        表1 不同軌道上各種環(huán)境參數(shù)對(duì)衛(wèi)星的影響

        3.1.2 整星發(fā)射重量

        整星發(fā)射重量是包含衛(wèi)星平臺(tái)、載荷的總重量,往往與衛(wèi)星平臺(tái)供電能力等性能正相關(guān),因此可作為衛(wèi)星公用平臺(tái)規(guī)格劃分的另一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)[5]。整星發(fā)射重量應(yīng)作為衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜的第一類(lèi)特征參數(shù)。

        此外,根據(jù)實(shí)踐積累的情況,為區(qū)分同一系列公用平臺(tái)型譜不同規(guī)格差異的類(lèi)型,可以將除衛(wèi)星軌道和整星發(fā)射重量以外的平臺(tái)突出特點(diǎn)作為公用平臺(tái)型譜第二類(lèi)特征參數(shù),用于區(qū)分每個(gè)系列里的各個(gè)子型。根據(jù)國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星及公用平臺(tái)發(fā)展的實(shí)踐,可以劃分為基本型、增強(qiáng)型、敏捷型、全電推型等。

        3.2 型譜體系框架設(shè)計(jì)

        按照第一類(lèi)特征參數(shù)進(jìn)行平臺(tái)系列分類(lèi),根據(jù)第二類(lèi)特征參數(shù)形成若干平臺(tái)子型。平臺(tái)型譜體系框架可分為高軌道、中低軌道兩大類(lèi),初步設(shè)計(jì)如圖5所示。

        圖5 衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架設(shè)計(jì)

        3.3 型譜體系框架優(yōu)化

        衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜應(yīng)在平臺(tái)體系框架的基礎(chǔ)上,根據(jù)任務(wù)需求、應(yīng)用數(shù)量等原則進(jìn)行優(yōu)化,一方面以覆蓋現(xiàn)有需求為前提,對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)型譜規(guī)格進(jìn)行整合與固化,有利于產(chǎn)品化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展;另一方面需要面向未來(lái)需求進(jìn)行拓展,填補(bǔ)能力空白,以實(shí)現(xiàn)更為有效的管理和合理的應(yīng)用[5]。

        產(chǎn)品型譜是航天通用產(chǎn)品體系建設(shè)的核心要素[6],開(kāi)展衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜研究與編制,在總結(jié)以往研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過(guò)產(chǎn)品的梳理、固化和能力提升,形成有序發(fā)展的、成熟的、可應(yīng)用的衛(wèi)星公用平臺(tái)系列,引領(lǐng)衛(wèi)星公用平臺(tái)的建設(shè)與發(fā)展。

        本文通過(guò)總結(jié)國(guó)外衛(wèi)星公用平臺(tái)發(fā)展情況,設(shè)計(jì)衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜框架,分析研究后將衛(wèi)星軌道和整星發(fā)射重量作為衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜的主要特征參數(shù),并進(jìn)一步區(qū)分出若干平臺(tái)子型。此外,衛(wèi)星公用平臺(tái)型譜建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,需要隨著衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展持續(xù)研究。因此,平臺(tái)型譜簡(jiǎn)表應(yīng)定期進(jìn)行更新維護(hù)與版本升級(jí)。

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