基本介紹
- 中文名：太空飛行器有效載荷系統
- 外文名：Spacecraft payload system
分類,系統研製程式和要求,研製程式,研製要求,地位與作用,試驗與測試,環境適應性試驗,電磁兼容性試驗,可靠性試驗,在軌測試,
分類
太空飛行器的有效載荷隨著任務的不同而不同，故其種類繁多，有多種不同的分類。按照太空飛行器及有效載荷的用途，大致可分為遙感類（或稱為信息獲取類）、通信類（或稱為信息傳輸類）、導航類（或稱為信息基準類）、科學類、對抗類及其他，如圖1-13所示。
（1）遙感類有效載荷系統
遙感類有效載荷是指對地觀測的各種遙感器，包括可見光遙感器（利用膠片和光電）、多光譜掃瞄器、紅外遙感器、微波輻射計（無源）、雷達或散射計等。這些遙感器可以獲得地面（水面）或大氣、空間等的各種軍用或民用信息。
（2）通信類有效載荷系統
通信類有效載荷是一種典型的有效載荷，主要由轉發器和天線組成。這類有效載荷可用於軍用或民用衛星通信,也可用於遙感類太空飛行器的信息對地傳輸，在商業和軍事航天活動中占有統治地位。
（3）導航類有效載荷系統
導航類有效載荷是指提供空間基準和時間基準信息的各種儀器和設備。這類有效載荷可用於衛星導航。
（4）科學類有效載荷系統
科學類有效載荷包括X射線望遠鏡分光儀、太陽光學望遠鏡、離子質譜儀、X射線分光計以及各種空間環境測量和監測裝置等。這類有效載荷可用於空間環境探測、天文觀測和空間科學試驗等。
（5）對抗類有效載荷系統
對抗類有效載荷包括雷射、微波、粒子束、動能、電子干擾、機器人抓捕或吸附、計算機病毒、污染等工具或設備。這類有效載荷可用於空間攻防對抗。
其他有效載荷主要包括新技術試驗有效載荷和特殊有效載荷兩類。新技術試驗有效載荷是指一些未得到在軌考驗的新的太空飛行器、分系統和儀器設備乃至元器件等技術，通過專門的新技術試驗衛星發射到某種軌道上進行試驗，以驗證其原理、方案、可行性、兼容性和可靠性等。特殊有效載荷是指非技術性的有效載荷，例如，太空旅遊（有效載荷是旅遊者）、太空紀念品（有效載荷是信封、旗幟等)。
系統研製程式和要求
有效載荷是太空飛行器最終提供用戶使用的最重要的一個分系統。太空飛行器總體(本體）方案設計的最終特性和規模大小取決於有效載荷的種類、功能、性能和對太空飛行器的各種要求，尤其是質量、尺寸和功耗。而有效載荷的類型繁多，在每一類有效載荷中又有很多種有效載荷方案，有效載荷所選擇的類型和方案主要是依據航天任務（太空飛行器的用戶要求）而確定。所以，在對太空飛行器用戶要求分析以後，選擇和分析有效載荷的總體方案及其對太空飛行器的各種要求，是有效載荷分系統設計師和太空飛行器總體設計師需要共同研究解決的首要問題，在達成一致方案的基礎上，才能繼續進行有效載荷的詳細設計與製造。
研製程式
有效載荷系統的研製一般要經歷約朿條件分析、技術指標確定、技術方案制定、技術指標分配、詳細設計、試驗驗證、製造裝配和套用等步驟（見圖3-3)，而且往往要有幾次循環反覆，才能使研製方案更合理、更最佳化。
（1）約束條件分析
這是有效載荷系統研製的第一步。需要在太空飛行器總體分析與設計的基礎上，考慮太空飛行器的系統要求、環境條件、技術水平、時間周期、經費投入等多種制約因素，進行有效載荷系統的約束條件分析，明確有效載荷系統研製的目標和技術途徑。
（2）技術指標確定
太空飛行器的主要特徵和性能參數，例如外形尺寸、質量、功耗、姿態控制精度等，主要是根據有效載荷的要求而確定的。因此，在有效載荷總體技術指標設計時，必須考慮太空飛行器平台的承載能力，兼顧技術指標的先進性與可實現性，通過綜合分析和論證，確定有效載荷的總體技術指標。有效載荷的總體技術指標應全面和定量，具有確切的定義，並具有可測性。
（3）技術方案制定
方案制定應以滿足總體技術指標為前提，研究分析各種限制條件，制定多種技術方案，從中選擇最優方案。所確定的方案應兼顧創新性和繼承性:鼓勵採用新技術、新材料、新工藝以及先進的設計方法和手段，但應儘可能地採用現成的和成熟的技術，儘可能地採用簡潔的而整體性能和功能又能滿足要求的方案，這樣可以節省經費，縮短研製周期，提高可靠性。
（4）技術指標分配
有效載荷總體技術指標的分配，一般要經過分析預估、調整、驗證等疊代過程。在有效載荷總體方案和技術指標確定後，要將其指標分配到宥效載荷內部的各子系統。各子系統通過分析和比較，最終確定各子系統方案，從而分析、預測出各子系統所能達到的指標值。綜合各子系統對總體技術指標所能作的貢獻，得出有效載荷的總體技術指標預測值。如果預測值達到或優於總體設計指標，則可以按預測值為基礎進行分配；如果預測值不滿足總體設計指標要求，就要進行另一個循環的分配和預測，必要時應對影響總體設計指標的關鍵子系統從方案到技術途徑等方面做進一步的改進、最佳化。這種指標分配的疊代過程使指標分配結果達到最佳的效果。
（5）詳細設計與驗證
在有效載荷的詳細設計階段，技術方案、技術指標和技術途徑都已經明確，應對有效載荷的各子系統、各部件進行詳盡的設計，為有效載荷製造和系統軟體製作提供全部技術資料。根據有效載荷詳細設計製造和裝配出來的產品，應進行檢測、試驗和環境模擬試驗來驗證有效載荷的性能、功能以及環境適應性。如果在檢測和試驗中發現問題.則需要改進設計，甚至重新進行約束條件分析，並根據改進設計製造和裝配出新的產品，再進行檢測和試驗，直到所有的檢測和試驗均能通過為止。
詳細設計分初樣和正樣兩個階段。全部通過檢測、試驗和環境模擬試驗的詳細設計稱為有效載荷的正樣詳細設計;需修改和改進的詳細設計稱為有效載荷的初樣詳細設計。
（6）製造裝配和套用
有效載荷詳細設計和驗證的後繼研製程式就是有效載荷正樣的製造裝配和套用，應注重使設計出來的產品有較好的工藝性、裝配性和可靠性，注重製造裝配和套用的經濟性。
研製要求
不同類型的有效載荷其具體研製要求不同，甚至有相當大的區別，然而，有一些共同性的問題在研製中是必須加以考慮的。太空飛行器有效載荷的研製應遵循以下基本要求：
（1）認真理解用戶需求，正確確定總體技術指標
該項工作是十分重要的。用戶需求往往是針對太空飛行器或針對整個太空飛行器套用系統提出的，而不是直接對有效載荷提出的，有效載荷設計者就需要與太空飛行器套用系統和太空飛行器總體設計者一起，根據用戶需求，進行綜合分析，確定有效載荷的總體指標，要儘量全面和定量。例如對於光學成像遙感衛星，用戶往往提出地面解析度、觀測頻寬度、覓復觀測周期等要求，也不是完全針對有效載荷的，而與衛星軌道類型（包括傾角、高度等）、光學系統的焦距、像元尺寸、掃描方式、指向控制能力等都有密切的關係。
（2）認真研究各種約束條件，科學選擇有效載荷方案
有效載荷的設計一般都有幾種方案可供選擇，在滿足總體指標的提下，必須認真研究各種約束條件，從多方面進行比較，儘量使選擇的方案最佳化。方案的比較要儘量量化，不同因素要賦予不同的權重。過分強調方案的技術指標越高越好的觀點是不正確的，應以滿足用戶需求為原則；當然技術可行性和經濟性的考慮也是需要的。
（3）從系統出發，合理分配技術指標
有效載荷總體技術指標確定後，要將指標合理分配至設備級、部件級。這種分配要將有效載荷作為系統看待，進行系統性能綜合分析，指標分配結果要使系統最優。例如，衛星光學遙感系統的調製傳遞函式（MTF)已分配至有效載荷光學遙感器之後，要將光學遙感器作為系統進行MTF指標分配。光學遙感器的MTF是光學系統MTF、探測器MTF和成像電路MTF等之積，MTF指標的科學合理分配必須從系統出發。
（4）通過仿真和試驗來驗證最佳化設計
上面所說的確定總體指標、選擇方案、分解指標並不是一個單方向過程，往往需要多次疊代，才能使設計更加合理、科學；與此同時在設計中建立和套用恰當的模型進行仿真分析可以使設計更最佳化。通過仿真分析確定系統、設備和部件的參數，對系統性能進行預估，可降低研製成本，縮短研製周期，但模型的正確性必須經過驗證。即使這樣，一般還需要進行“設計-試驗驗證-修改設計”的循環，才能使設計儘量滿足要求。這就是各研製階段的任務，每個階段都要通過評審。
總體而言，太空飛行器有效載荷的研製主要要考慮以下原則：
①技術指標的確定應滿足用戶要求，兼顧先進性與可實現性。
②技術途徑的選擇應儘量採用成熟技術，以保證可靠性和經濟性等。
③技術方案的制定應充分考慮各種約束條件，以及加工、裝調和測試的可行性。
地位與作用
有效載荷是太空飛行器的核心，在太空飛行器設計中起主導作用。
（1）從套用功能看
太空飛行器的性質和功能主要是由有效載荷決定的。空間航天任務是通過太空飛行器來完成的，而太空飛行器在太空中完成任務、實現功能的標誌是產生符合任務要求的輸出。太空飛行器的有效輸出主要是有效載荷的輸出。太空飛行器平台內的各分系統一般是從不同的角度和方面為產生直接輸出的有效載荷或為平台內其他分系統提供服務和支持的。例如，通信廣播衛星上提供通信和廣播服務的轉發器和大線;氣象衛星上獲得大氣雲圖的各種輻射計、合成孔徑雷達;地球資源衛星上的CCD相機、紅外相機;海洋衛星上的海洋水色儀、雷達髙度計與成像光譜儀等。
（2）從研製難易看
有效載荷因其種類繁多、儀器複雜，現成為太空飛行器研製中的瓶頸所在。經過幾十年的發展，航天技術走向套用階段的今天，平台已經比較成熟了，而其上的有效載荷，卻因航天任務的多樣性，要滿足多種套用任務的需要，研發更多的新儀器、新設備。而每一種新型遙感儀器、觀測儀器、科學儀器的研製，從用戶需求出發，經初步方案論證、可行性研究，到確定總體方案，進行關鍵技術攻關，模樣、初樣、正樣階段研製，到最後發射上天,大約需要十年接至幾十年的時間。
（3）從研製經費看
有效載荷與平台研製經費比例約為3：1，有效載荷占有明顯的優勢。表1-1、表1-2是典型衛星平台與有效載荷質量及研製經費比較表。從表中可看出，無論是遙感衛星還是通信衛星，平台與有效載荷質量之比、研製經費之比，兩者的比例關係相似。有效載荷研製經費約占整星總經費的75%，也就是說有效載荷研製經費約是平台的3倍。這也從一方面說明了有效載荷在整星研製中的份最和重要性。
名稱 | 質量/Kg | 質量占整星比 | 經費/萬美元 | 經費占整星比例 |
平台 | 802.6 | 42.6% | 2114.4 | 26.3% |
遙感器 | 1081.2 | 57.4% | 5927.8 | 73.7% |
總計 | 1883.8 | 100% | 8042.2 | 100% |
名稱 | 質量/Kg | 質量占整星比 | 經費/萬美元 | 經費占整星比例 |
平台 | 505.4 | 43.3% | 1392.9 | 23.9% |
有效載荷 | 663.0 | 56.7% | 4440.3 | 76.1% |
總計 | 1168.4 | 100% | 5833.2 | 100% |
因此，要使有效載荷能夠在軌正常發揮航天使命，就必須要求太空飛行器各個保障分系統在軌全壽命周期內都要正常工作，向有效載荷提供必要的支持和保障，否則再好的有效載荷也不能發揮最終的作用。這就要求太空飛行器的電源分系統向有效載荷提供足夠的電源；熱控分系統要保證有效載荷有合適的工作溫度；結構分系統要保證有效載荷有足夠的強度和剛度；控制分系統要向有效載荷提供軌道保持和高精度的指向；測控、數據管理分系統要向有效載荷提供足夠的遙測參數和遙控指令等。這裡要補充一點說明，上述各保障分系統不僅要為有效載荷提供必要的支持和保障，而且，要為各保障分系統之間相互提供必要的支持和保障。所以，在系統設計時，組成太空飛行器平台的各分系統既要以有效載荷的需要作為它們最基本的設計要求，同時，有效載荷對平台各分系統提出的設計要求，也應是在太空飛行器系統總設計師主持下，經有效載荷和平台各分系統充分協商後確定的，應符合太空飛行器功能實現和整體最佳化的原則。
同樣，由於太空飛行器有效載荷又是太空飛行器套用系統的組成部分，所以太空飛行器有效載荷的設計還必須滿足太空飛行器套用系統的需求，要做好與套用系統內其他組成部分的協調，努力實現太空飛行器套用系統的整體最佳化。例如，通信衛星有效載荷的轉發器飽和通量密度W、有效全向輻射功率EIRP、接收系統性能品質(G/T)等指標必須與地面套用系統（各種地面通信站或終端）的有效全向輻射功率EIRP、接收系統性能品質(G/T)。等指標通過通信鏈路分析使其協調，才有可能使衛星完成在軌航天任務，實現衛星通信。
試驗與測試
試驗與測試的目的是為了確保有效載荷系統及其子系統的功能性能能夠達到狀態轉換或集成所要求的標準。為了確保有效載荷在設計環境下能正常工作，在太空飛行器的各研製階段必須對有效載荷進行充分而又必要的試驗與測試，以考核有效載荷對各種約束條件的適應性，驗證有效載荷設計的合理性。同時，通過試驗發現隱患、改進設計、避免早期失效，從而提高有效載荷的功能性能。
環境適應性試驗
太空飛行器有效載荷從開始研製到在軌運行，先後要經歷各種地面環境、發射環境及軌道環境。其中地面環境包括溫度，濕度，運輸和吊裝產生的振動、衝擊等；發射環境包括噪聲、振動、衝擊和加速度；軌道環境包括真空、冷黑、太陽輻照、電磁輻射、粒子輻射、磁場、微流星體與空間碎片、電漿、靜電場、微重力、原子氧等。
1.環境試驗分類
環境試驗是檢驗產品設計餘量和工藝合理性、驗證產品經受各種環境應力的適應能力、檢驗和保證產品可靠性的重要手段。根據產品的不同研製階段，有效載荷環境試驗可分為初樣研製試驗、鑑定試驗及驗收試驗三種。
初樣研製試驗目的是檢驗有效載荷產品設計與工藝方案的合理性，驗證有效載荷能達到規定功能及對各種環境的承受能力，為正樣設計提供依據。對新型號來說，研製試驗是必不可少的。由於研製試驗具有因型號而不同的特點，不可能把研製試驗簡化成一組標準的試驗程式。尤其對於使用現有型號或具有大量繼承性的型號，研製試驗的內容和程式就和新研製型號不同。但有一點是明確的，研製試驗的試驗內容一般不少於鑑定試驗內容。為了搞清設計餘量而使用的試驗條件、應力可能要高出設計極限。但是，研製試驗不必像鑑定、驗收試驗那樣對試驗程式、試驗條件和試驗狀態有嚴格控制。試驗可在分系統承制單位的設備上進行，也可在總體單位或第三方的設備上進行。但所使用的試驗方法、原理要符合有關試驗標準要求。從契約的角度看，它一般不作為約束條款規定。
鑑定試驗是在產品初樣研製階段，為檢查設計方案和工藝方案是否滿足預定的強度要求和性能要求而進行的測試試驗。該試驗要驗證被試產品不僅能經受最高的預示環境，而且還要有一定的餘量。鑑定試驗用的產品是按照與飛行產品相同的圖樣、元器件、原材料、加工工具和工藝製造成的，或者它是同一批次飛行產品中的一件。鑑定試驗是在鑑定試驗件或在同批次飛行產品上隨機抽取的樣品上進行的，因此，它具有代表其他產品的資格。對新型號來說，鑑定試驗是必不可少的；對於採用原有型號或繼承性很大的型號或分系統儀器設備，而使用環境又不超過以往的環境，鑑定試驗可以省略不做。鑑定試驗與驗收試驗一樣，在契約條款中做出明確的規定，而且在產品驗收試驗之前要完成。
驗收試驗的目的是要暴露正樣產品的元器件、原材料和製造工藝中的潛在缺陷所造成的故障，以排除早期故障，保證產品的使用可靠性，確認產品符合契約要求，可以驗收交付。驗收試驗是正樣階段在正樣產品上進行的試驗，通過驗收試驗證明每一件交付飛行的產品是可以接受的，因此，有時又稱為交付試驗。驗收試驗與鑑定試驗的目的截然不同，鑑定試驗主要解決方案問題，驗收試驗要解決產品的生產質量問題。
2.動力學環境試驗
針對不同的動力學環境，有效載荷的動力學環境試驗可分為噪聲試驗、隨機振動試驗、正弦振動試驗、衝擊試驗、加速度試驗等。
3.空間環境試驗
有效載荷的空間環境試驗項目一般包括熱真空試驗、低氣壓放電試驗、微放電試驗、熱循環試驗、真空紫外輻照試驗、空間靜電放電試驗、總劑量輻照試驗和單粒子效應試驗等。
4.環境試驗的有效性
從前面的介紹可知，航天產品的環境試驗項目很多，當然需要的試驗設備和條件就很多。這樣，有效載荷在環境試驗方面所花費的人力、物力和時間是很可觀的。如何評價和提高環境試驗的有效性，使有效載荷潛在的缺陷通過地面試驗得到暴露和排除，同時，能夠降低試驗費用，縮短試驗時間，成為各國航天部門的研究課題。目前，可用下式來評估環境試驗的有效性：
試驗的有效性=試驗中暴露的故障/（試驗中暴露的故障+在軌發生的故障）
美國NASA的戈達德航天飛行中心曾對57顆衛星發射後第一天的故障數作了統計，得到熱真空試驗的有效性約91%，振動試驗的有效性約85%。
電磁兼容性試驗
電磁兼容性試驗是電磁兼容性工程的基本任務之一，是目前電磁兼容研究的基本手段。一方面，它是分析預測的驗證；另一方面，它是設計的最終檢驗，系統是否電磁兼容只有用試驗來檢驗。
對於太空飛行器有效載荷系統，電磁兼容性試驗的內容主要分為以下幾項：
(1)兼容性分析試驗：是指在系統研製的初期，對分部件進行電磁兼容性試驗或採用等效替代方法對系統作電磁兼容性試驗，以驗證理論分析的正確性或找出設計過程中需要考慮的電磁兼容性關鍵部件。
(2)相互作用試驗：是指將系統內易產生干擾的兩個或多個部件設備，模擬實際工作情況，以各種工作方式工作，觀察各個部件設備工作是否正常，達到解決突出的不兼容問題的目的。
(3)干擾試驗：在系統正常工作情況下，測試系統自身是否產生內部干擾和系統自身的干擾特性是否滿足規定的要求。
(4)環境試驗：模擬系統可能工作的各種干擾環境，對系統的環境適應性進行考核。
(5)安全係數試驗：安全係數是評定一個系統電磁兼容性的重要指標之一，它定義為敏感度閾值與實際干擾之比。安全係數試驗就是要比較準確地測試出安全係數，從而給系統的電磁兼容性以較客觀的評價。
圖3-10表示一個典型的電磁兼容測試試驗裝置，測試是在類似於消聲室的腔中進行的。消聲材料吸收射頻，通常會減少內在和外在電磁環境之間的干擾和折射。這個消聲室也可以確保一個包含多數電磁波的特定波帶從消聲室的側壁發射出來。一個發射或接收電磁波的裝置要置於不同遠近的設備周圍或對被測設備進行掃描。
可靠性試驗
可靠性試驗分為工程試驗和統計試驗兩大類。工程試驗的目的在於暴露產品的可靠性缺陷並採取措施加以排除（或使其出現的機率低於容許水平），工程試驗包括可靠性老煉試驗、環境應力篩選試驗和可靠性增長試驗。統計試驗的目的是確定或驗證產品的可靠性特性或其量值，包括可靠性測定試驗和可靠性驗證試驗。對一般航天產品而言，由於其任務時間比較長，不具備進行統計試驗的條件。
在軌測試
有效載荷在發射之前雖然已進行過多次地面測試，但最終還要靠在軌測試來檢測太空飛行器有效載荷在軌運行中的性能和技術參數，驗證太空飛行器總體和有效載荷系統設計方案的正確性和合理性，為有效載荷套用和後續設計的改進提供重要依據。現實情況是，在入軌初期，有效載荷與太空飛行器平台一起都經過在軌調試和測試過程。
在軌測試是一種大型並帶有一定風險的試驗，事先必須進行充分準備，認真編寫測試大綱和測試細則，制定比較完備的故障對策，進行嚴密的組織，並使整個太空飛行器（含有效載荷）和地面系統的狀態滿足一定技術要求之後才能進行。因為太空飛行器某些技術參數是在天地系統作為整體測試的基礎上推算的，因此必須事先對地面系統設備的技術參數進行標定，並使地面系統處於良好的技術狀態。同時，對測試中出現的問題必須有相應的對策和必要的措施。
