基于MBSE的衛星設計之結構部分初探

01. 衛星設計主要內容

衛星設計是指設計人員應用航天動力學、結構力學、工程熱物理、工程控制論、電子技術、計算機技術、推進技術等學科知識通過分析綜合和創造思維，將設計要求轉化為一組能完整描述衛星的參數的過程。從《NASA系統工程手冊（第2版）》一書正文第4頁中可知，通用技術流程包括三部分內容，它們分別是（1）系統設計流程；（2）產品實現流程；（3）技術管理流程。

衛星設計工作的輸出是什么？是衛星分解結構（SBS：Satellite Breakdown Structure）。一顆典型的衛星由不同的子系統構成，包括以下內容：

01. 機械結構

占衛星總重量的7%～10%。它提供以下3個主要功能：

（1）將衛星與發射器連接起來，從而充當兩者之間的接口。

（2）擔任衛星所攜帶的所有電子設備的支撐物。

（3）作為防護屏，對抗在太空中的高能輻射、塵埃和微小隕石。

1. 設計考慮

（1）發射衛星的成本隨其重量而變化。 因此，發射一個衛星的成本非常高，對于地球靜止衛星更是如此。因此，最基本的要求之一是其機械結構的輕便性。因此，一直努力將衛星的結構重量減至最小。這可以通過使用輕而非常堅固的材料來實現。在結構中使用的一些材料包括鋁合金、鎂、鈦、鈹、凱夫拉（Kevlar）纖維，更通常的是復合材料。所有這些材料的特征在于高強度和剛度，并且還具有低重量和低密度。除了結構的輕盈性之外，材料的選擇也由許多其他材料性質決定。結構子系統的設計主要依賴于大量計算機模擬的結果，其中結構設計受到類似于在執行任務期間衛星可能遇到的應力和應變的約束。

（2）結構子系統的設計應該考慮到它所承受的機械加速度和振動等，這些在發射階段尤為嚴重。因此，所選 材料應該可以減弱振動。

（3）衛星的結構在整個生命周期中要經歷熱循環。由于太陽周期性地被地球遮擋，所以衛星要 經歷大幅度的溫度變化。 面對太陽時的溫度是幾百攝氏度，而在陰面時則是零下幾十攝氏度。因此，設計師在結構子系統的材料選擇上，需要牢記這一點。

（4）空間環境產生許多其他潛在的危險影響。衛星要避免受到在太空中漂浮的微小隕石、太空垃圾和帶電粒子的碰撞而受損。因此用于 覆蓋衛星外部的材料還應能夠抵抗這些快速運動顆粒的穿透。

（5）結構子系統還在 確保可靠完成某些任務過程中起著重要的作用 ，這些過程如衛星與發射器的分離、太陽能電池板的部署和定向、衛星天線的精確指向、旋轉部件的操作，等等。

高分精致衛星外觀圖

02. 結構子系統的技術基礎

涉及的相關主要研究技術，如下圖所示：

【參考文獻】

1. 衛星結構設計與分析(上)--李建輝

2. 《衛星技術——原理篇》作者：[印]阿尼爾·K·邁尼

3. 《NASA系統工程手冊（第2版）》

 

未完待續

 

文章來源MBSE知識庫與應用案例