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银河航天徐鸣:细说卫星在轨控制三个阶段,如何控制好在太空行驶
作者:匿名    阅读量:2078  时间:2019-11-11 15:05:05
摘要: 让大家更直白的理解,控制好这辆在太空行驶的“无人驾驶汽车”究竟有什么奥妙。简单来说就是要用地面测控站追踪到卫星,继而与卫星进行“对话”。从多个视角来看,卫星的在轨三个阶段和无人驾驶汽车很是相像,但其中

在钛媒体上题为“银河空间徐明:卫星的本质是一台大型计算机|首席执行官”的专栏中,我主要讲述了卫星地面开发的关键难点,以及在卫星开发设计过程中如何解决力、热、空间粒子辐射和电磁兼容性(emc)四大挑战。

这是卫星发射的“在轨控制”一章。我将从星系空间本身的角度详细告诉你,卫星发射后会经过哪个阶段?控制卫星有什么困难?卫星发射的不确定风险是什么?银河系为此做了什么?让我们更直白地理解控制这种太空旅行的“无人驾驶汽车”的秘密是什么。

在介绍卫星轨道控制的三个阶段之前,我想首先向每个人推广一个概念。人造地球卫星的轨道是什么?卫星轨道是在地球万有引力的作用下,卫星在太空中绕地球运行的轨道。

人造地球卫星由运载火箭送入轨道。卫星和火箭分离后,卫星在轨道上被分成以下三个部分:

第一个是轨道进入段:卫星轨道的一段,在此段中,卫星从卫星与箭头分离时的轨道进入点“开始”,直到建立正常运行状态。

第二是长期轨道:卫星将在“启动”后自主运行,并开始应用服务,直到其工作寿命结束。

第三个是脱离轨道部分:在卫星寿命结束时将其推出工作轨道并重新进入大气层燃烧的过程。

在理解了轨道的概念之后,我们将回到这个话题上来,集中讨论卫星进入轨道、在轨和离轨三个阶段。

首先是卫星和火箭分离后的卫星轨道阶段。火箭发射后,它将在入口处释放卫星,并将卫星送入预定轨道。以低地球轨道宽带通信星座常用的极地轨道为例。卫星进入轨道后,在南极附近释放的卫星将通过南极从南向北移动,然后进入南美,通过北极从南美飞到北美,然后经过俄罗斯,最后进入中国境内。

应当注意,此时,卫星实际上处于滚动状态,因为当恒星和箭头分离时,初始角速度将不可避免地出现,并且卫星应当立即进入“启动”过程。

首先进入速度阻尼模式,即姿态和轨道控制系统逐渐消除卫星角速度。考虑到低轨道小卫星经常使用非燃料消耗的磁力矩器进行速率阻尼,这将需要一圈以上(约6000秒),这对卫星电池供电和温度控制提出了更高的要求,也是卫星在轨控制最困难的一步。

在速率阻尼模式之后,卫星发射太阳能电池板并捕获太阳,即卫星太阳能电池板面向太阳以产生足够的电能并给电池充电。同时,卫星连接到地面并逐渐启动。

那么,卫星是如何与地面相连的呢?

简而言之,有必要通过地面TT&C站追踪卫星,然后与卫星“对话”。卫星的当前工作状态,如工作模式、轨道、姿态、温度、设备状态、功耗等。,是通过“天地对话”获得的。这有点类似于远程桌面控制。这些测量和控制将对卫星进行一系列检查、维护或故障排除。这也是卫星进入轨道“启动”过程中的关键任务之一。

第二阶段是卫星在轨运行和服务阶段。在这个阶段,卫星可以被理解为在太空中自动运行的稳定可靠的计算机。卫星平台通过传感、决策和控制过程实现卫星的“自动驱动”,并管理通信负载,实时向地面提供宽带通信服务。

第三阶段是卫星的离轨过程。为了避免故障卫星产生空间碎片,并承担空间活动造成的社会责任,有必要在卫星使用寿命结束时将其推出工作轨道。对于低轨道卫星,有必要将其轨道降低到大气能够运行的轨道高度(如400公里),然后在大气阻力的作用下逐渐降低轨道高度,直至在再入大气层中燃烧。

从多个角度来看,卫星轨道的三个阶段与无人驾驶飞行器非常相似,但最显著的区别在于,卫星在轨道“启动”期间有很长一段时间的“失控”滚动阶段,这需要卫星进行自我调整。

然而,太空卫星不同于公路上的汽车。例如,如果无人驾驶自主车辆在街角抛锚,我们可以及时修理它。然而,如果一颗卫星发生故障,它是破坏性的。因此,我们需要做大量细致的初步模拟、调试、测试和实地测试。

此外,太空中恶劣的环境本身也有很大的不确定性风险。目前,人类对空间的认识仍然有限,这也在一定程度上增加了卫星故障的风险率。如果进入轨道的卫星本身就是一份总分80分的试卷,银河航空(Galaxy Aerospace)已经明确表示,在存在认知风险的前提下,会尽一切努力得到全部80分。

应该指出,现在是一个商业航天的时代。过去,传统的航天飞行往往始于国家意志,而商业航天飞行更注重实际意义。与美国发射土星5号相似的时代(不管时间和成本)还很遥远。

以我个人创作的银河空间为例。从一开始,我并不认为商业空间是一个快速增长的行业,但这个行业有其价值。我仍然记得当时我在ppt的第一页写的话:这不是感情,而是生意。

如何通过精确而周到的设计、生产和制造实现spacex的大规模生产,甚至使高性价比卫星成功进入轨道“启动”,并在轨道上开始正常运行和应用服务,是银河空间当前和未来的重点。

当然,我们也必须认识到商业空间的发展是一个长期的过程。正如我以前说过的,能够承受十岁的佛祖、完整的产业链和大量的人才技术储备,是商业空间蓬勃发展的重要前提。

(本文作者 | 银河航天创始人

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