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有效载荷

有效载荷是指航天器上装载的为直接实现航天器在轨运行要完成的特定任务的仪器、设备、人员、试验生物及试件等。航天器有效载荷是航天器在轨发挥最终航天使命的最重要的一个分系统。 [1]

有效载荷是航天器重要组成部分,说它重要,是因为对有效载荷选择和设计的最终功能和性能的品质将直接影响到最终特定航天任务实现的品质。航天器平台装载了有效载荷,就成为完整的能完成特定空间任务的航天器了。因此,若把航天器视为一级系统,则平台和有效载荷是从属于它的两个二级系统,二者是处在同一层次的两个分系统。 [2]

航天器的有效载荷随着任务的不同而不同,故其种类繁多,有多种不同的分类。按照航天器及有效载荷的用途,大致可分为遥感类(或称为信息获取类)、通信类(或称为信息传输类)、导航类(或称为信息基准类)、科学类、对抗类及其他,如概述图所示。 [2]

卫星的有效载荷就是直接执行特定卫星任务的仪器、设备或分系统。有效载荷的种类很多,即使是同一种类型的有效载荷,性能差别也很大。有效荷载能力就是指这些仪器、设备或分系统的性能和探测能力。

遥感类有效载荷是指对地观测的各种遥感器,包括可见光遥感器(利用胶片和光电)、多光谱扫描仪、红外遥感器、微波辐射计(无源)、雷达或散射计等。这些遥感器可以获得地面(水面)或大气、空间等的各种军用或民用信息。

通信类有效载荷是一种典型的有效载荷,主要由转发器和天线组成。这类有效载荷可用于军用或民用卫星通信,也可用于遥感类航天器的信息对地传输,在商业和军事航天活动中占有统治地位。 [2]

导航类有效载荷是指提供空间基准和时间基准信息的各种仪器和设备。这类有效载荷可用于卫星导航。

科学类有效载荷包括X射线望远镜分光仪、太阳光学望远镜、离子质谱仪、X射线分光计以及各种空间环境测量和监测装置等。这类有效载荷可用于空间环境探测、天文观测和空间科学试验等。

对抗类有效载荷包括激光、微波、粒子束、动能、电子干扰、机器人抓捕或吸附、计算机病毒、污染等工具或设备。这类有效载荷可用于空间攻防对抗。 [2]

其他有效载荷主要包括新技术试验有效载荷和特殊有效载荷两类。新技术试验有效载荷是指一些未得到在轨考验的新的航天器、分系统和仪器设备乃至元器件等技术,通过专门的新技术试验卫星发射到某种轨道上进行试验,以验证其原理、方案、可行性、兼容性和可靠性等。特殊有效载荷是指非技术性的有效载荷,例如,太空旅游(有效载荷是旅游者)、太空纪念品(有效载荷是信封、旗帜等)。 [2]

单一用途的卫星,一般装有一种或两种有效载荷。多用途卫星,一般装有几种有效载荷。随着航天技术的不断发展,有效载荷也在逐步向低功耗、小质量和小体积的方向发展。对于对地观测卫星而言,把多种遥感器安装在一颗卫星上去完成不同的任务,是提高效费比的主要发展趋势。安装不同有效载荷的卫星,结果就是多用途卫星,如资源侦察卫星、环境气象卫星、导航定位卫星等。

有效载荷是航天器的核心,在航天器设计中起主导作用。

1.从应用功能看

航天器的性质和功能主要是由有效载荷决定的。空间航天任务是通过航天器来完成的,而航天器在太空中完成任务、实现功能的标志是产生符合任务要求的输出。航天器的有效输出主要是有效载荷的输出。航天器平台内的各分系统一般是从不同的角度和方面为产生直接输出的有效载荷或为平台内其他分系统提供服务和支持的。例如,通信广播卫星上提供通信和广播服务的转发器和天线;气象卫星上获得大气云图的各种辐射计、合成孔径雷达;地球资源卫星上的CCD相机、红外相机;海洋卫星上的海洋水色仪、雷达高度计与成像光谱仪等。 [2]

2.从研制难易看

有效载荷因其种类繁多、仪器复杂,现成为航天器研制中的瓶颈所在。经过几十年的发展,航天技术走向应用阶段的今天,平台已经比较成熟了,而其上的有效载荷,却因航天任务的多样性,要满足多种应用任务的需要,研发更多的新仪器、新设备。而每一种新型遥感仪器、观测仪器、科学仪器的研制,从用户需求出发,经初步方案论证、可行性研究,到确定总体方案,进行关键技术攻关,模样、初样、正样阶段研制,到最后发射上天,大约需要十年甚至几十年的时间。 [2]

3.从研制经费看

有效载荷与平台研制经费比例约为3:1,有效载荷占有明显的优势。无论是遥感卫星还是通信卫星,平台与有效载荷质量之比、研制经费之比,两者的比例关系相似。有效载荷研制经费约占整星总经费的75%,也就是说有效载荷研制经费约是平台的3倍。这也从一方面说明了有效载荷在整星研制中的份量和重要性。

因此,要使有效载荷能够在轨正常发挥航天使命,就必须要求航天器各个保障分系统在轨全寿命周期内都要正常工作,向有效载荷提供必要的支持和保障,否则再好的有效载荷也不能发挥最终的作用。这就要求航天器的电源分系统向有效载荷提供足够的电源;热控分系统要保证有效载荷有合适的工作温度;结构分系统要保证有效载荷有足够的强度和刚度;控制分系统要向有效载荷提供轨道保持和高精度的指向;测控、数据管理分系统要向有效载荷提供足够的遥测参数和遥控指令等。这里要补充一点说明,上述各保障分系统不仅要为有效载荷提供必要的支持和保障,而且,要为各保障分系统之间相互提供必要的支持和保障。所以,在系统设计时,组成航天器平台的各分系统既要以有效载荷的需要作为它们最基本的设计要求,同时,有效载荷对平台各分系统提出的设计要求,也应是在航天器系统总设计师主持下,经有效载荷和平台各分系统充分协商后确定的,应符合航天器功能实现和整体优化的原则。 [2]

同样,由于航天器有效载荷又是航天器应用系统的组成部分,所以航天器有效载荷的设计还必须满足航天器应用系统的需求,要做好与应用系统内其他组成部分的协调,努力实现航天器应用系统的整体优化。例如,通信卫星有效载荷的转发器饱和通量密度Ws、有效全向辐射功率EIRPs。、接收系统性能品质( G/T)s。等指标必须与地面应用系统(各种地面通信站或终端)的有效全向辐射功率EIRPE、接收系统性能品质(G/T)E。等指标通过通信链路分析使其协调,才有可能使卫星完成在轨航天任务,实现卫星通信。 [2]

有效载荷作为航天器系统的核心,其设计要求和一般工程系统项目设计要求不同。其中,产生不同的最大原因之一是由于它会遇到一般工程系统项目所没有的一些特殊环境。这些特殊环境主要包括有效载荷暴露在太空运行时所遇到的各种外部空间环境(如大气环境、等离子体环境、空间碎片等),以及有效载荷在航天器内部所遇到的各种平台内部环境(如力学环境、热环境、电磁环境等),如图2 -1所示。在有效载荷分析与设计中,需要把这些特殊环境作为约束条件,使研制出的有效载荷能适应这些特殊环境。正是由于特殊环境的影响,航天器有效载荷的研制过程和产品与一般项目有很大的区别,例如空间相机与家用相机,在结构、外形、材料、性能、价格等方面都有很大差异。因此,研究有效载荷的环境要素及其对有效载荷的影响,在有效载荷的研制和应用全过程中占有特殊重要的地位,也是有效载荷系统设计的重要环节和依据。 [2]

有效载荷分系统的研制一般要经历约束条件分析、技术指标确定、技术方案制定、技术指标分配、详细设计、试验验证、制造装配和应用等步骤(见图3 -3),而且往往要有几次循环反复,才能使研制方案更合理、更优化。

1.约束条件分析这是有效载荷系统研制的第一步。需要在航天器总体分析与设计的基础上,考虑航天器的系统要求、环境条件、技术水平、时间周期、经费投入等多种制约因素,进行有效载荷系统的约束条件分析,明确有效载荷系统研制的目标和技术途径。 [2]

2.技术指标确定

航天器的主要特征和性能参数,例如外形尺寸、质量、功耗、姿态控制精度等,主要是根据有效载荷的要求而确定的。因此,在有效载荷总体技术指标设计时,必须考虑航天器平台的承载能力,兼顾技术指标的先进性与可实现性,通过综合分析和论证,确定有效载荷的总体技术指标。有效载荷的总体技术指标应全面和定量,具有确切的定义,并具有可测性。 [2]

3.技术方案制定

方案制定应以满足总体技术指标为前提,研究分析各种限制条件,制定多种技术方案,从中选择最优方案。所确定的方案应兼顾创新性和继承性:鼓励采用新技术、新材料、新工艺以及先进的设计方法和手段,但应尽可能地采用现成的和成熟的技术,尽可能地采用简洁的而整体性能和功能又能满足要求的方案,这样可以节省经费,缩短研制周期,提高可靠性。 [2]

4.技术指标分配

有效载荷总体技术指标的分配,一般要经过分析预估、调整、验证等迭代过程。在有效载荷总体方案和技术指标确定后,要将其指标分配到有效载荷内部的各子系统。各子系统通过分析和比较,最终确定各子系统方案,从而分析、预测出各子系统所能达到的指标值。综合各子系统对总体技术指标所能作的贡献,得出有效载荷的总体技术指标预测值。如果预测值达到或优于总体设计指标,则可以按预测值为基础进行分配;如果预测值不满足总体设计指标要求,就要进行另一个循环的分配和预测,必要时应对影响总体设计指标的关键子系统从方案到技术途径等方面做进一步的改进、优化。这种指标分配的迭代过程使指标分配结果达到最佳的效果。 [2]

5.详细设计与验证

在有效载荷的详细设计阶段,技术方案、技术指标和技术途径都已经明确,应对有效载荷的各子系统、各部件进行详尽的设计,为有效载荷制造和系统软件制作提供全部技术资料。根据有效载荷详细设计制造和装配出来的产品,应进行检测、试验和环境模拟试验来验证有效载荷的性能、功能以及环境适应性。如果在检测和试验中发现问题,则需要改进设计,甚至重新进行约束条件分析,并根据改进设计制造和装配出新的产品,再进行检测和试验,直到所有的检测和试验均能通过为止。 [2]

详细设计分初样和正样两个阶段。全部通过检测、试验和环境模拟试验的详细设计称为有效载荷的正样详细设计;需修改和改进的详细设计称为有效载荷的初样详细设计。

6.制造装配和应用

有效载荷详细设计和验证的后继研制程序就是有效载荷正样的制造装配和应用,应注重使设计出来的产品有较好的工艺性、装配性和可靠性,注重制造装配和应用的经济性。

不同类型的有效载荷其具体研制要求不同,甚至有相当大的区别,然而,有一些共同性的问题在研制中是必须加以考虑的。航天器有效载荷的研制应遵循以下基本要求:

1.认真理解用户需求,正确确定总体技术指标

该项工作是十分重要的。用户需求往往是针对航天器或针对整个航天器应用系统提出的,而不是直接对有效载荷提出的,有效载荷设计者就需要与航天器应用系统和航天器总体设计者一起,根据用户需求,进行综合分析,确定有效载荷的总体指标,要尽量全面和定量。例如对于光学成像遥感卫星,用户往往提出地面分辨率、观测带宽度、重复观测周期等要求,也不是完全针对有效载荷的,而与卫星轨道类型(包括倾角、高度等)、光学系统的焦距、像元尺寸、扫描方式、指向控制能力等都有密切的关系。 [2]

2.认真研究各种约束条件,科学选择有效载荷方案

有效载荷的设计一般都有几种方案可供选择,在满足总体指标前提下,必须认真研究各种约束条件,从多方面进行比较,尽量使选择的方案优化。方案的比较要尽量量化,不同因素要赋予不同的权重。过分强调方案的技术指标越高越好的观点是不正确的,应以满足用户需求为原则;当然技术可行性和经济性的考虑也是重要的。 [2]

3.从系统出发,合理分配技术指标

有效载荷总体技术指标确定后,要将指标合理分配至设备级、部件级。这种分配要将有效载荷作为系统看待,进行系统性能综合分析,指标分配结果要使系统最优。例如,卫星光学遥感系统的调制传递函数( MTF)已分配至有效载荷光学遥感器之后,要将光学遥感器作为系统进行MTF指标分配。光学遥感器的MTF是光学系统MTF、探测器MTF和成像电路MTF等之积,MTF指标的科学合理分配必须从系统出发。 [2]

4.通过仿真和试验来验证优化设计

上面所说的确定总体指标、选择方案、分解指标并不是一个单方向过程,往往需要多次迭代,才能使设计更加合理、科学;与此同时在设计中建立和应用恰当的模型进行仿真分析可以使设计更优化。通过仿真分析确定系统、设备和部件的参数,对系统性能进行预估,可降低研制成本,缩短研制周期,但模型的正确性必须经过验证。即使这样,一般还需要进行“设计一试验验证一修改设计”的循环,才能使设计尽量满足要求。这就是各研制阶段的任务,每个阶段都要通过评审。 [2]

总体而言,航天器有效载荷的研制主要要考虑以下原则:

(1)技术指标的确定应满足用户要求,兼顾先进性与可实现性。

(2)技术途径的选择应尽量采用成熟技术,以保证可靠性和经济性等。

(3)技术方案的制定应充分考虑各种约束条件,以及加工、装调和测试的可行性。


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