太空飛行器設計是在火箭和飛彈技術的基礎上，為實現太空飛行，綜合利用現代先進的科學技術成果而發展起來的，是航天工程的重要組成部分。太空飛行器設計通常分為可行性論證、方案設計、初樣設計和正樣設計4個階段。
基本介紹
- 中文名：太空飛行器設計
- 外文名：spacecraft design
- 定義：航天工程的重要組成部分
- 特點：設計受運載器制約
- 所屬領域：航空航天
- 目的：實現太空飛行
設計特點,設計內容,設計要求,
設計特點
太空飛行器設計除具有一般飛行器設計特點外，還有其自身的特點：
②設計受運載器制約，軌道選擇、重量、尺寸、結構、電氣和環境等都必須與運載器相適應。
④太空飛行器需要與地面測控系統和用戶台站（網）綜合設計，彼此協調一致，並解決遠距離信息傳輸問題。
⑤長時間的連續工作對可靠性設計有更高的要求。
設計內容
與一般飛行器設計類似，太空飛行器設計通常分為概念性研究、可行性論證、方案設計、初樣設計和正樣設計4個階段。太空飛行器設計的任務在於使太空飛行器在限定重量、容積和其他制約條件下裝載儘可能多的有效載荷，能長期可靠地在軌道上運行，而需要返回的太空飛行器又能安全可靠地返回地球。太空飛行器的有效載荷是指完成規定航天任務的專用系統，這是太空飛行器設計首先要確定的項目。太空飛行器的主要指標包括：功能、限定的重量和尺寸、軌道精度、壽命、經濟性和可靠性等，多次使用的太空飛行器還有重複使用的次數。許多太空飛行器往往在可行性論證時就要把所需要消耗的功率確定下來，並且要與地面用戶系統和公用艙協調一致。在此基礎上，確定關鍵分系統和部件工程實現的技術途徑，如廣播衛星的高精度的軌道和姿態控制、太陽電池翼的結構、大功率行波管等。然後經過優選,確定太空飛行器的總體方案和分系統的方案,在完成初樣設計和試驗之後進行正樣設計，最後完成用於正樣生產和使用的工程圖紙和技術檔案。總體方案設計包括：外形和總體結構、公用艙、軌道和推進系統、姿態控制方式、熱控制方式、電源系統、跟蹤、遙測和遙控、載人和返回等各項設計內容。
外形和總體結構選擇
太空飛行器結構可分為本體和可展開構件兩部分。先進行本體部分的外形、尺寸和布局設計，劃分結構艙段。外形和尺寸的確定主要取決於軌道類型、穩定方式和運載器整流罩的空間限制。返回型太空飛行器的外形設計主要考慮空氣動力和氣動加熱問題。自旋穩定衛星的外形應對稱於自旋轉軸，三軸穩定衛星可以是某種對稱的多面體。太空飛行器在結構上通常分為幾個艙段，返回的太空飛行器一般只有一個艙段返回，以減少再入重量。太陽電池翼、可展開天線、重力梯度桿等可展開構件要求有較高的可靠性，以免因它們的失效而導致整個飛行任務失敗。
公用艙
能夠裝載不同有效載荷、完成不同飛行任務的衛星服務艙。地球套用衛星由兩大部分組成：有效載荷和保證有效載荷在軌道上正常工作的服務艙（又稱保障系統）。執行同一類任務的地球套用衛星的服務艙大體上是相同的,因而有可能設計一種公用的服務艙(即公用艙)達到一艙多用的目的。在衛星總體和分系統方案設計時就進行公用艙設計，以便在保持衛星總重不變的條件下適當調整服務艙的技術狀態，就能適應不同有效載荷的要求。現代套用衛星的公用艙已形成若干種典型的結構形式,如四面側壁與中心構架組合的結構,以“Π”形構件為主體的結構。
軌道設計和推進系統
根據太空飛行器的使命來選擇最有利的運行軌道，力求消耗能量最小、控制簡單、便於地面觀測。通常軌道選擇受到火箭運載能力、制導精度、測控站布局和發射靶場位置的限制，往往需要在太空飛行器上設定推進系統，使它具備機動飛行、改變軌道的能力。固體火箭發動機系統簡單，液體火箭發動機可多次起動。大幅度地改變軌道常選用大推力的火箭發動機。為了修正軌道誤差或實現長期的軌道控制，往往採用能多次起動和工作壽命長的小推力發動機，如單組元、雙組元或其他高能推進系統。
姿態控制方式
為完成所擔負的任務，需要合理地選擇太空飛行器的姿態。採用某種控制方式克服干擾力矩的影響，將太空飛行器穩定在預期的姿態上。常用的姿態穩定方式有：自旋穩定、雙自旋穩定、重力梯度穩定、磁力矩穩定和三軸穩定等方式。自旋穩定、重力梯度穩定和磁力矩穩定是被動式的，精度較低。三軸穩定是主動式的，精度較高（見太空飛行器姿態控制）。重新改變太空飛行器的姿態，通常也採用主動控制方式。姿態控制方式的選擇主要考慮衛星所擔負的任務、工作壽命、軌道特性和姿態精度等要求。現代大多數太空飛行器採用自旋穩定和三軸穩定方式。
熱控制方式
在軌道上太空飛行器的溫度變化很大，採用熱控制把太空飛行器（主要是內部儀器設備）的溫度控制在一定範圍內，以改善儀器設備的溫度環境和減小太空飛行器表面溫度的波動和不均勻性(見太空飛行器熱控制)。採用自旋穩定方式可使太空飛行器的各部分均勻地受到日照。通過發射視窗的選擇可滿足熱控制對太陽投射角範圍和最大陰影區時間的限制。對於發熱儀器的相互影響問題，按工作程式和發熱量的不同，採取熱源合理布局、保證一定的散熱面積、設定必要的隔熱屏障、在結構框架上布置熱管和局部採用電加熱等措施來改善熱環境。
電源系統
原電池 (如鋅-氧化銀電池)的重量隨工作時間和功率的增加而增大，用於小功率短期飛行的太空飛行器。載人飛船用大功率的燃料電池供電，它產生的水可供航天員飲用。多數太空飛行器用壽命較長(7 ～10年)的太陽電池陣和蓄電池供電，它的重量主要取決於所能提供的瞬時功率,一般可達103～104瓦,功率更大或遠離太陽的空間探測器，一般採用核電源。自旋穩定衛星通常把太陽電池附在本體側表面上，構成體裝式太陽電池陣。三軸穩定衛星採用對日定向的太陽電池陣電源系統，與體裝式相比電池利用率約提高 3倍。鎘鎳蓄電池在日照區時充電，在陰影區時供電，它的壽命可通過控制放電深度和環境溫度來提高。例如,軌道周期為100分鐘的近地軌道衛星，放電深度一般取20%以下，而地球同步衛星可增加到50%～60%。溫度一般控制在 0～30°C之內。新型的鎳氫電池的壽命比鎘鎳電池長，但尚未得到廣泛套用（見太空飛行器電源系統）。
跟蹤、遙測和遙控
太空飛行器的跟蹤、遙測和遙控設備與地面測控站一起組成航天測控系統，用以測量太空飛行器的運行軌道和各分系統的性能參數，並對太空飛行器進行遙控。一般以較寬的定向波束來滿足運行時對地面測控站的覆蓋要求。
載人和返回
載人的太空飛行器需要有一套完善的生命保障系統，指揮艙和軌道艙是完全密封的，有調溫、調濕、壓力控制、供氧、供氮、二氧化碳淨化和微量污染控制等環境保障設施，有供水、供食和廢物處理等生活保障系統（見載人太空飛行器生命保障系統）。太空飛行器的操縱系統應是既可自動控制又可人工操縱的，並有顯示設備為航天員提供系統的工作情況。一般還有救生塔等救生設備，在出現發射故障時將航天員推離運載火箭。飛船和太空梭的軌道器應有能完成多種任務的姿態確定和控制系統，並能作變軌機動飛行。載人太空飛行器還配備有人在艙外活動的設備和航天服、遙控機械臂等。一次使用的太空飛行器多用鈍的、軸對稱旋成體外形的防熱殼作為再入體的防熱結構，降到離地一定高度後用降落傘回收。多次使用的太空梭，往往採用升力體式的機身、三角翼作大攻角飛行和多次使用的防熱層來解決氣動加熱問題。
設計要求
苛刻的瞄準要求可能會影響太空飛行器本體的設計，並給任務運行帶來約束。除了已知的質量和功率約束外，必須精心設計太空飛行器滿足飛行雷射通信終端的要求。其中的一些考慮包括以下方面。
(1)平台抖動環境：苛刻的瞄準要求對太空飛行器振動環境提出了要求，進而對太空飛行器質量平衡和結構剛度提出要求。
(2)布局：為了給雷射通信終端提供一個無遮擋光學視線，可能會對太空飛行器的布局提出多種約束。尤其是裝在太空飛行器本體上的雷射通信終端，太空飛行器姿態必須能將其光學系統的視場瞄準地球。如果同時還有射頻鏈路，光學系統視線還需同高增益天線的視軸對準，以便射頻和光學下行鏈路同時工作。此外，雷射通信終端的溫度控制要求也對散熱器的朝向提出了要求。
(3)姿態控制精度：太空飛行器姿態控制的性能必須足夠高，確保姿態不確定性、控制不敏感、瞄準前置角等的總和小於雷射通信瞄準控制子系統的作用範圍。而且，根據實際瞄準控制迴路頻寬，還可能對達到希望瞄準精度的太空飛行器最大允許姿態變化率提出約束。
(4)數據存儲和管理：為讓採用ARQ協定的光學鏈路可靠地運行，太空飛行器上的數據存儲量必須大於RTLT加上地面數據處理時間內的預期下行鏈路數據量。對於以幾十Mbps工作的飛行雷射通信終端，這樣的數據存儲要求可能是設計時需要重點考慮的問題。
(5)技術方面的設計要求。技術方面的總體設計要求是保證所設計的太空飛行器能滿足用戶或社會的特定需求。而且，這些需求都是利用太空飛行器的各種特性(如覆蓋、失重、深空探索等特性)實現所需要的服務功能，如通信廣播、導航定位、對地觀測、科學研究、載人航天、深空探測等。太空飛行器技術方面的要求包括技術性能指標要求、適應各種外界環境要求、壽命與可靠性要求以及便於生產製造要求等。
(6)經濟方面的設計要求。經濟方面的設計要求包括降低成本和提高效益要求。效益包括經濟效益和社會效益。降低成本和提高效益的大小是評價太空飛行器工程系統優劣的重要因素。太空飛行器設計師需要在規定的投資總額和投資強度下，設計出能夠產生預期效益的太空飛行器。
在總體方案設計中，充分利用公用平台和現有成熟技術是降低成本、減少風險、提高效益的有效途徑；充分利用計算機技術，開發並套用太空飛行器多學科一體化設計平台和總體仿真技術，最佳化太空飛行器設計、縮短設計周期、保證設計質量，是提高效益的又一條有效途徑；充分利用系統工程觀念，使用系統工程方法，加強各方面的管理，最佳化研製技術流程，縮短研製周期，提高研製質量也是降低成本，提高效益的一條有效途徑。
(7)時間方面的設計要求。時間方面的設計要求對於任何工程系統設計都是很重要的要求。由系統工程觀念可知，一項工程如果研製周期過長，將會失去它應有的價值。特別在市場經濟激烈競爭中，時間方面的設計要求意義就更大。要能夠保證快、好、省的研製出滿足用戶要求的太空飛行器是總體方案設計的一項重要目標。能否用較短的時間研製出滿足用戶要求的太空飛行器是評價總體方案設計好差的一個標準。
(8)風險方面的設計要求。太空飛行器屬於高技術、高風險的產品。如何降低太空飛行器研製在技術、經濟、時間等方面的風險，對太空飛行器總體設計具有重要意義。技術風險包括由於設計失誤導致發射失敗或太空飛行器功能或性能指標未能達到預定要求，大大影響使用或效益。經濟風險是指經濟效益和社會效益太差，或未能達到預期經濟效益和社會效益。時問風險指研製周期大大超過預定要求。總體方案設計要保證太空飛行器研製沒有風險或把風險降低到可以接受的最低程度。
