卫星设计学

目 录 第1章 绪论………………………………………………………… 1 1.1 卫星设计学………………………………………………… 1 1.1.1 工程设计学…………………………………………… 1 1.1.2 卫星设计学…………………………………………… 2 1.2 科学、技术和卫星设计…………………………………… 4 1.2.1 科学和技术的区别…………………………………… 4 1.2.2 技术的定义…………………………………………… 6 1.3 卫星工程系统和卫星……………………………………… 8 1.3.1 卫星工程系统的组成………………………………… 8 1.3.2 卫星的主要组成……………………………………… 10 第2章 卫星特性和卫星设计特点的讨论……………………… 12 2.1 卫星特性的探讨…………………………………………… 12 2.1.1 卫星的系统性质……………………………………… 12 2.1.2 卫星对特殊环境的适应性…………………………… 18 2.1.3 卫星的高度自动化性质……………………………… 22 2.1.4 卫星的危险品性质和安全设计……………………… 23 2.1.5 卫星设计的程序性质………………………………… 24 2.1.6 卫星设计的创造性…………………………………… 26 2.2 卫星设计的特点…………………………………………… 30 2.2.1 由卫星个性引发的特殊的设计问题………………… 30 2.2.2 由运载器有效载荷引发的设计特点………………… 32 2.2.3 适应外层空间环境引发出的设计特点……………… 34 2.2.4 由特殊的一次使用性引发的设计特点……………… 35 2.2.5 由小批量生产引发的设计特点……………………… 36 第3章 卫星设计程序…………………………………………… 37 3.1 卫星设计程序的基本类型和通用模式…………………… 40 3.1.1 卫星设计程序的基本类型…………………………… 40 3.1.2 卫星设计程序的通用模式…………………………… 43 3.2 卫星的外部设计以及任务和指标的确定………………… 50 3.2.1 卫星的外部环境……………………………………… 50 3.2.2 卫星的外部设计……………………………………… 52 3.3 卫星可行方案论证和设计………………………………… 58 3.3.1 卫星可行方案论证…………………………………… 58 3.3.2 卫星可行方案设计…………………………………… 60 3.4 卫星总体方案设计………………………………………… 62 3.4.1 卫星总体设计与分系统设计的关系………………… 62 3.4.2 卫星总体方案设计的主要工作……………………… 64 3.5 卫星分系统的方案设计…………………………………… 71 3.5.1 卫星分系统设计的性质……………………………… 71 3.5.2 卫星分系统方案设计的主要工作…………………… 72 3.6 卫星的详细设计…………………………………………… 76 3.6.1 卫星详细设计的两个阶段…………………………… 76 3.6.2 卫星分系统的详细设计……………………………… 78 3.6.3 卫星总体的详细设计………………………………… 80 3.7 卫星通用设计程序的进一步讨论………………………… 84 3.7.1 卫星通用设计程序的简化…………………………… 84 3.7.2 卫星的设计评审……………………………………… 87 第4章 卫星的设计要求………………………………………… 90 4.1 卫星设计要求的构成……………………………………… 92 4.1.1 卫星设计要求的要点………………………………… 93 4.1.2 卫星的技术和功能要求……………………………… 95 4.2 卫星设计要求的分析和综合…………………………… 100 4.2.1 层次分析综合模式………………………………… 100 4.2.2 目标-约束分析综合模式………………………… 106 4.3 卫星设计要求的分解和确定…………………………… 109 4.3.1 卫星设计要求的分解……………………………… 109 4.3.2 卫星设计要求的权衡……………………………… 109 第5章 卫星总体方案设计……………………………………… 112 5.1 卫星总体方案设计的意义……………………………… 112 5.1.1 卫星总体方案设计的基本点和任务……………… 112 5.1.2 卫星总体方案设计的重要性……………………… 114 5.2 卫星总体方案的综合选优……………………………… 116 5.2.1 系统层次的综合选优……………………………… 116 5.2.2 卫星总体技术途径的综合选优…………………… 117 5.2.3 卫星内部组成结构的综合选优…………………… 119 5.3 组成卫星的分系统……………………………………… 121 5.3.1 分解卫星组成的三种途径………………………… 121 5.3.2 卫星按功能层次的分解…………………………… 122 5.3.3 卫星按承担功能的分解…………………………… 123 5.3.4 按实现功能的过程进行分解……………………… 127 5.4 卫星的设计模型………………………………………… 128 5.4.1 卫星设计模型的特性……………………………… 128 5.4.2 卫星总体方案的内部组成结构模型……………… 129 5.4.3 卫星总体方案的数学模型………………………… 132 5.5 卫星总体设计指标的分配……………………………… 135 5.5.1 卫星功能分析……………………………………… 136 5.5.2 卫星总体设计指标分配方法……………………… 138 第6章 卫星轨道设计…………………………………………… 152 6.1 卫星轨道设计要求……………………………………… 153 6.1.1 外部环境对卫星轨道设计的支持与制约………… 154 6.1.2 卫星轨道设计的主要要求………………………… 156 6.2 卫星轨道的基本概念…………………………………… 157 6.2.1 地心赤道坐标体系………………………………… 157 6.2.2 地心直角坐标系…………………………………… 159 6.2.3 卫星轨道的零级近似解…………………………… 160 6.2.4 卫星轨道摄动……………………………………… 163 6.2.5 卫星轨道分类和特………………………………… 165 6.3 卫星对地面的覆盖……………………………………… 173 6.3.1 卫星的地面覆盖区………………………………… 173 6.3.2 卫星的地面覆盖带………………………………… 175 6.3.3 同轨等距卫星星座的地面覆盖带………………… 180 6.4 卫星轨道和一般星座设计的基本方法………………… 183 6.4.1 对全球覆盖的准回归、太阳同步、低高度圆轨道的确定………………………………………………… 183 6.4.2 空间基础设施轨道设计…………………………… 190 第7章 卫星构形设计………………………………………… 201 7.1 卫星构形设计的任务和特点…………………………… 201 7.1.1 卫星构形设计的任务……………………………… 201 7.1.2 卫星模装…………………………………………… 202 7.1.3 卫星构形设计与卫星结构设计的区别…………… 203 7.2 卫星构形设计的基本要求……………………………… 204 7.2.1 实现卫星及其组成的功能要求…………………… 205 7.2.2 适应外部环境和卫星工程系统限制条件和接口关系的要求…………………………………… 205 7.2.3 实现模块式和集成式布局的要求………………… 210 7.2.4 减少来自外部和内部的各种干扰的要求………… 211 7.2.5 其他要求…………………………………………… 212 7.3 卫星构形的类型………………………………………… 213 7.3.1 不用整流罩和用整流罩的卫星构形……………… 213 7.3.2 不同姿态控制方式的卫星构形…………………… 214 7.3.3 具有变轨功能卫星的构形………………………… 217 7.3.4 不同主承力构件的卫星构形……………………… 223 7.3.5 为满足特殊要求的特殊构形……………………… 228 第8章 卫星可靠性设计…………………………………… 234 8.1 卫星的可靠性…………………………………………… 235 8.1.1 卫星可靠性的定义………………………………… 235 8.1.2 卫星可靠性设计…………………………………… 236 8.1.3 对卫星可靠性有重要影响的设计准则…………… 239 8.1.4 可靠性的基本概念………………………………… 241 8.2 卫星可靠性模型………………………………………… 247 8.2.1 与可靠性有关的定义……………………………… 247 8.2.2 可靠性模型的建立………………………………… 250 8.2.3 串联系统可靠性数学模型………………………… 252 8.2.4 并联系统可靠性数学模型………………………… 254 8.2.5 可靠性串-并联组合系统 ………………………… 259 8.2.6 “n 中取k”表决系统…………………………… 262 8.3 卫星可靠性预测………………………………………… 264 8.3.1 卫星可靠性指标论证和可靠性预测……………… 264 8.3.2 元器件计数可靠性预测法………………………… 267 8.3.3 数学模型法………………………………………… 268 8.3.4 上下限法…………………………………………… 273 8.4 卫星可靠性分配………………………………………… 277 8.4.1 可靠性分配的原则………………………………… 277 8.4.2 串联系统可靠性分配……………………………… 278 8.4.3 有并联冗余的系统的可靠性分配………………… 281 8.4.4 可靠性分配的代数方法…………………………… 282 8.4.5 动态规划法………………………………………… 284 8.5 卫星故障模式、影响及危害性分析…………………… 287 8.5.1 概述………………………………………………… 287 8.5.2 FMEA和FMECA的基本程序和所需资料…………… 290 8.5.3 故障模式及影响分析……………………………… 292 8.5.4 危害性分析………………………………………… 301 8.6 卫星故障树分析………………………………………… 306 8.6.1 故障树的建立方法………………………………… 306 8.6.2 建立故障树………………………………………… 308 8.6.3 故障树的规范化和简化…………………………… 313 8.6.4 故障树定性分析…………………………………… 322 8.6.5 故障树定量分析…………………………………… 325 第9章 卫星集同设计与设计工具的框架…………………… 329 9.1 卫星集同设计及其支撑软件…………………………… 329 9.1.1 概述………………………………………………… 329 9.1.2 集同设计对研制工作的影响……………………… 330 9.1.3 卫星集同设计进展概况…………………………… 331 9.1.4 数据源及支撑软件………………………………… 333 9.1.5 大数据技术………………………………………… 334 9.2 空间环境及其效应的集成分析………………………… 336 9.2.1 空间环境模型……………………………………… 336 9.2.2 产品适应空间环境的设计………………………… 337 9.3 卫星数字化模装………………………………………… 339 9.3.1 卫星数字化模装流程……………………………… 339 9.3.2 接口数据单编写及签署…………………………… 339 9.3.3 三维数字化建模…………………………………… 341 9.4 卫星集同设计实例……………………………………… 349 9.4.1 卫星集同设计中心………………………………… 349 9.4.2 卫星集同设计实例………………………………… 350 9.5 卫星热控分系统集同设计……………………………… 352 9.5.1 概述………………………………………………… 352 9.5.2 卫星热分析………………………………………… 355 9.5.3 卫星热控技术……………………………………… 355 9.5.4 高分一号整星热控设计实例……………………… 357 第10章 卫星成本估算………………………………………… 367 10.1 卫星成本的构成………………………………………… 367 10.1.1 卫星成本估算的重要性…………………………… 367 10.1.2 成本分析的基本概念……………………………… 368 10.2 卫星成本估算方法……………………………………… 372 10.2.1 成本估算参照体的选择…………………………… 373 10.2.2 成本估算公式……………………………………… 373 10.2.3 成本修正因子……………………………………… 379 10.3 卫星成本数据的回归分析……………………………… 381 10.3.1 回归分析…………………………………………… 381 10.3.2 成本的一元线性回归……………………………… 382 10.3.2 成本的一元曲线回归……………………………… 384 第11章 卫星设计方案评价…………………………………… 386 11.1 卫星设计方案评价的标准和步骤……………………… 386 11.1.1 卫星设计方案评价的实质和标准………………… 386 11.1.2 卫星设计方案评价的体系与步骤………………… 387 11.1.3 专家组评价………………………………………… 390 11.2 卫星设计方案的定量评价方法………………………… 393 11.2.1 普通评分法………………………………………… 393 11.2.2 层次分析法………………………………………… 398 11.2.3 模糊综合评判法…………………………………… 405 11.3 卫星设计方案评价示例………………………………… 411 参考文献…………………………………………………………… 418