基于MBSE的卫星设计之结构部分初探（1）

基于MBSE的卫星设计之结构部分初探

01. 卫星设计主要内容

卫星设计是指设计人员应用航天动力学、结构力学、工程热物理、工程控制论、电子技术、计算机技术、推进技术等学科知识通过分析综合和创造思维，将设计要求转化为一组能完整描述卫星的参数的过程。从《NASA系统工程手册（第2版）》一书正文第4页中可知，通用技术流程包括三部分内容，它们分别是（1）系统设计流程；（2）产品实现流程；（3）技术管理流程。

卫星设计工作的输出是什么？是卫星分解结构（SBS：Satellite Breakdown Structure）。一颗典型的卫星由不同的子系统构成，包括以下内容：

01. 机械结构

占卫星总重量的7%～10%。它提供以下3个主要功能：

（1）将卫星与发射器连接起来，从而充当两者之间的接口。

（2）担任卫星所携带的所有电子设备的支撑物。

（3）作为防护屏，对抗在太空中的高能辐射、尘埃和微小陨石。

1. 设计考虑

（1）发射卫星的成本随其重量而变化。 因此，发射一个卫星的成本非常高，对于地球静止卫星更是如此。因此，最基本的要求之一是其机械结构的轻便性。因此，一直努力将卫星的结构重量减至最小。这可以通过使用轻而非常坚固的材料来实现。在结构中使用的一些材料包括铝合金、镁、钛、铍、凯夫拉（Kevlar）纤维，更通常的是复合材料。所有这些材料的特征在于高强度和刚度，并且还具有低重量和低密度。除了结构的轻盈性之外，材料的选择也由许多其他材料性质决定。结构子系统的设计主要依赖于大量计算机模拟的结果，其中结构设计受到类似于在执行任务期间卫星可能遇到的应力和应变的约束。

（2）结构子系统的设计应该考虑到它所承受的机械加速度和振动等，这些在发射阶段尤为严重。因此，所选 材料应该可以减弱振动。

（3）卫星的结构在整个生命周期中要经历热循环。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。因此，设计师在结构子系统的材料选择上，需要牢记这一点。

（4）空间环境产生许多其他潜在的危险影响。卫星要避免受到在太空中漂浮的微小陨石、太空垃圾和带电粒子的碰撞而受损。因此用于 覆盖卫星外部的材料还应能够抵抗这些快速运动颗粒的穿透。

（5）结构子系统还在 确保可靠完成某些任务过程中起着重要的作用 ，这些过程如卫星与发射器的分离、太阳能电池板的部署和定向、卫星天线的精确指向、旋转部件的操作，等等。

高分精致卫星外观图

02. 结构子系统的技术基础

涉及的相关主要研究技术，如下图所示：

【参考文献】

1. 卫星结构设计与分析(上)--李建辉

2. 《卫星技术——原理篇》作者：[印]阿尼尔·K·迈尼

3. 《NASA系统工程手册（第2版）》

 

未完待续

 

文章来源MBSE知识库与应用案例