银河航天漫游指南

2021-12-07 18:42:38

1957年10月4日，苏联成功地把世界上第一颗绕地球运行的人造卫星Sputnik-1送入轨道，人类正式进入航天时代。60多年过去了，截至2021年9月，全球在轨卫星已达4550余颗。

随着在轨卫星数量的不断提升，卫星所提供的服务正逐渐遍及我们生活的各个方面，现在的卫星可以为每个人的出行提供导航服务，可以支持偏远地区的通信，可以看见夜间所有亮灯的大桥、测算就业增长情况、监测二氧化碳浓度等，有着极其丰富的应用场景。

可你有没有想过，这些兢兢业业为我们服务的卫星，它们的组成结构是怎样的？

实际上，无论是导航卫星、气象卫星还是通信卫星，一颗典型的卫星均由以下的部分组成：

1、机械结构；

2、推进系统；

3、热控系统；

4、电源系统；

5、遥测、跟踪和指令系统；

6、姿轨控系统；

7、载荷系统；

8、天线系统。

这一期，我们先为大家介绍卫星的机械结构、推进系统、热控系统、电源系统。

一

 机械结构

机械机构占卫星卫星总重量的 7%～10%。它连接了卫星与发射器，并且支撑卫星所携带的电子设备，同时机械结构还可以对抗太空的高能辐射、微小陨石撞击。

Sputnik-1卫星和“东方红一号”卫星等早期小卫星结构大多采用变形铝合金，以2000铝铜系列和7000铝锌系列为主。

随着人们对卫星结构材料比刚度要求的提高以及防腐工艺的进步，镁合金逐渐开始应用在小卫星结构中。21世纪初，航天东方红卫星有限公司的小卫星推进舱储箱安装板采用了变形镁合金材料，由机械加工成形。

材料比刚度和尺寸稳定性要求的进一步提高促进了碳纤维增强复合材料在小卫星结构中的大量应用。2002年美国与德国联合研制发射的GRACE卫星，其结构材料大量应用了由碳纤维增强树脂材料面板和铝蜂窝芯子组成的蜂窝夹层结构板。

近年来，随着3D 打印技术的不断成熟及3D 打印工艺的日益稳定，基于3D 打印工艺的金属粉末材料也逐步应用到卫星结构上来。

二

 推进系统

推进系统可以为卫星提供推力，进而改变卫星的运行速度，帮助卫星执行相关的机动操作。推进系统主要由推进剂贮箱、推力器、自锁阀、压力传感器、过滤器、气加注/排放阀、液加注/排放阀和管路连接件组成，如下图所示。

卫星单组元推进系统结构

根据使用的燃料不同，一般我们可以将推进系统分为 3 种类型：固体燃料推进、液体燃料推进、电和离子推进。

固体燃料与液体燃料所需的化学推进剂质量较大，而且化学燃料的使用效率较低，从而限制了航天器入轨后的寿命和空间探索任务的机会。

电推进技术由于其高比冲等性能将可以使航天器降低成本、提升性价比、延长工作寿命、减少对发射窗口的依赖和增加有效的科学载荷，效费比更高。

真空罐内电推进点火测试

对于无拖曳控制、编队飞行、精确姿态和轨道控制的空间科学试验，电推进也是重要的支撑技术。在可预见的未来，电推进系统将是效率较高的空间推进技术。

三 

 热控系统

卫星上不同的设备可能具有不同的正常工作温度范围，比如卫星上使用的电池通常要求在 0 ℃～40 ℃ 的温度范围内工作，功率放大器的能量耗散组件具有 -10 ℃～ + 80 ℃ 的操作温度限制。但由于太阳周期性地被地球遮挡，所以卫星要经历大幅度的温度变化。面对太阳时的温度是几百摄氏度，而在阴面时则是零下几十摄氏度。

而热控系统可确保卫星上的每个子系统在不超出其安全工作温度范围内工作。此外，热控系统还确保了整个卫星结构理想的温度分布，这对于保持空间大小尺寸稳定性和维持温度均衡必不可少。日本的“大隅号”实验卫星、加拿大的通讯技术卫星、美国“陆地卫星-4”等均由于热控系统故障而造成重大损失。

第三次航天飞机任务机载的热管热控制系统/来源NASA

传统的热控系统分为不具有自动调节能力的被动热控技术和能根据温度的要求主动改变换热特性参数的主动热控技术两种基本类型。

对于轨道和姿态相对稳定的常规航天器来说，所处的热环境和星上载荷的工作模式都比较固定，也不用考虑来自人为干扰的不利因素。大多数航天器都采用被动为主、主动为辅的热控模式，而其针对周期性外热流的变化也可依靠涂层、多层隔热材料等简单的被动热控技术实现。

近年来，由于具有功能密度高、灵活性强和研制周期短等优势，小卫星正成为目前国际航天技术领域的三大研究热点与发展前沿之一。但由于微小卫星结构上对质量、体积和功耗的约束，给其热控设计带来了两个主要问题：一个是局部的高热流密度，一个是低的热惯性。为解决这些问题，近年来“自主热控技术”的设计理念正成为了国内外的研究热点。

热控的主动系统包括远程热管、受控加热器和机械制冷器。加热器和制冷器由星载传感器控制或由地面指令激活，热管则将热从一个位置有效地传递到另一个位置。典型的航天器热管的有效导热系数是铜的几千倍。

上图为NASA火星探测器石蜡启动的微型热开关，这种热开关在开启状态下的热导率为0.4 W/℃，在一定条件下通过开关控制，其热导率能达到30倍的变化。

四 

 电源系统

卫星的电源系统可以利用太阳能电池阵列，收集太阳能将其转化为电能，并将电能分配给卫星的其他部件和子系统。此外，一般卫星也有属于自己的电池，它在卫星的发射阶段、日食期间和其他紧急情况下提供电力。

卫星的电力需求取决于航天器及其携带的有效载荷的需要，功率需求可以从几百瓦变化到几十千瓦。

虽然人类已经开发了太阳能、化学能和核能的使用技术，但由于大量不间断的太阳能在空间环境中可用，所以太阳能驱动的卫星电力系统最受欢迎且最为常用。

为了应对复杂的太空环境，当前大部分太阳能电池阵列都采用转换效率高、抗辐照性能好的三结砷化镓电池，其原材料主要为锗、银、金等贵金属，价格也就格外昂贵，一片8平方厘米的三结砷化镓电池大概需要1000元。天和核心舱的“双翼”有134平方米，可以大概估算这对“翅膀”耗费上亿元。

卫星上常用的星载电池是镍镉（NiCd）电池、镍金属氢化物（NiMH）和镍氢（NiH2）电池。它们的比能量参数分别是 20～30 W·h/kg（NiCd 电池）、35～55 W·h/kg（NiMH 和 NiH2电池）和 70～110 W·h/kg（锂离子电池）。之前，低轨小卫星大多采用镍镉电池，而具有更高的比能量参数和更长的预期寿命的镍氢电池正在慢慢地替代它们。

下一期，我们将介绍卫星的遥测、跟踪和指令系统、姿轨控系统、载荷系统、天线系统，敬请期待。

参考资料：

1、《宇航学报》小卫星结构的发展与展望

2、《电脑与信息技术》 基于智能AGV系统的卫星推进系统批量化研制研究

3、《深空探测学报》 “实践9号”卫星电推进首次在轨试验验证

4、《计算机仿真》 灵巧视频卫星推进系统的热控制

5、《航天器环境工程》 微小卫星热控系统的研究现状及发展趋势

6、《卫星技术原理篇》

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