[科普中国]-航天器有效载荷系统

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，如图1-13所示。2

（1）遥感类有效载荷系统

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。

（2）通信类有效载荷系统

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

（3）导航类有效载荷系统

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。

（4）科学类有效载荷系统

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。

（5）对抗类有效载荷系统

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)。

有效载荷是航天器最终提供用户使用的最重要的一个分系统。航天器总体(本体）方案设计的最终特性和规模大小取决于有效载荷的种类、功能、性能和对航天器的各种要求，尤其是质量、尺寸和功耗。而有效载荷的类型繁多，在每一类有效载荷中又有很多种有效载荷方案，有效载荷所选择的类型和方案主要是依据航天任务（航天器的用户要求）而确定。所以，在对航天器用户要求分析以后，选择和分析有效载荷的总体方案及其对航天器的各种要求，是有效载荷分系统设计师和航天器总体设计师需要共同研究解决的首要问题，在达成一致方案的基础上，才能继续进行有效载荷的详细设计与制造。2

有效载荷系统的研制一般要经历约朿条件分析、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，要将其指标分配到宥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。2

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、觅复观测周期等要求，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，在满足总体指标的提下，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需要的。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-试验验证-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。

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大线;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、雷达髙度计与成像光谱仪等。

（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,大约需要十年接至几十年的时间。

（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。表1-1、表1-2是典型卫星平台与有效载荷质量及研制经费比较表。从表中可看出，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最和重要性。

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。

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W、有效全向辐射功率EIRP、接收系统性能品质(G/T)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EIRP、接收系统性能品质(G/T)。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。

试验与测试的目的是为了确保有效载荷系统及其子系统的功能性能能够达到状态转换或集成所要求的标准。为了确保有效载荷在设计环境下能正常工作，在航天器的各研制阶段必须对有效载荷进行充分而又必要的试验与测试，以考核有效载荷对各种约束条件的适应性，验证有效载荷设计的合理性。同时，通过试验发现隐患、改进设计、避免早期失效，从而提高有效载荷的功能性能。3

航天器有效载荷从开始研制到在轨运行，先后要经历各种地面环境、发射环境及轨道环境。其中地面环境包括温度，湿度，运输和吊装产生的振动、冲击等；发射环境包括噪声、振动、冲击和加速度；轨道环境包括真空、冷黑、太阳辐照、电磁辐射、粒子辐射、磁场、微流星体与空间碎片、等离子体、静电场、微重力、原子氧等。3

1.环境试验分类

环境试验是检验产品设计余量和工艺合理性、验证产品经受各种环境应力的适应能力、检验和保证产品可靠性的重要手段。根据产品的不同研制阶段，有效载荷环境试验可分为初样研制试验、鉴定试验及验收试验三种。

初样研制试验目的是检验有效载荷产品设计与工艺方案的合理性，验证有效载荷能达到规定功能及对各种环境的承受能力，为正样设计提供依据。对新型号来说，研制试验是必不可少的。由于研制试验具有因型号而不同的特点，不可能把研制试验简化成一组标准的试验程序。尤其对于使用现有型号或具有大量继承性的型号，研制试验的内容和程序就和新研制型号不同。但有一点是明确的，研制试验的试验内容一般不少于鉴定试验内容。为了搞清设计余量而使用的试验条件、应力可能要高出设计极限。但是，研制试验不必像鉴定、验收试验那样对试验程序、试验条件和试验状态有严格控制。试验可在分系统承制单位的设备上进行，也可在总体单位或第三方的设备上进行。但所使用的试验方法、原理要符合有关试验标准要求。从合同的角度看，它一般不作为约束条款规定。2

鉴定试验是在产品初样研制阶段，为检查设计方案和工艺方案是否满足预定的强度要求和性能要求而进行的测试试验。该试验要验证被试产品不仅能经受最高的预示环境，而且还要有一定的余量。鉴定试验用的产品是按照与飞行产品相同的图样、元器件、原材料、加工工具和工艺制造成的，或者它是同一批次飞行产品中的一件。鉴定试验是在鉴定试验件或在同批次飞行产品上随机抽取的样品上进行的，因此，它具有代表其他产品的资格。对新型号来说，鉴定试验是必不可少的；对于采用原有型号或继承性很大的型号或分系统仪器设备，而使用环境又不超过以往的环境，鉴定试验可以省略不做。鉴定试验与验收试验一样，在合同条款中做出明确的规定，而且在产品验收试验之前要完成。2

验收试验的目的是要暴露正样产品的元器件、原材料和制造工艺中的潜在缺陷所造成的故障，以排除早期故障，保证产品的使用可靠性，确认产品符合合同要求，可以验收交付。验收试验是正样阶段在正样产品上进行的试验，通过验收试验证明每一件交付飞行的产品是可以接受的，因此，有时又称为交付试验。验收试验与鉴定试验的目的截然不同，鉴定试验主要解决方案问题，验收试验要解决产品的生产质量问题。

2.动力学环境试验

针对不同的动力学环境，有效载荷的动力学环境试验可分为噪声试验、随机振动试验、正弦振动试验、冲击试验、加速度试验等。2

3.空间环境试验

有效载荷的空间环境试验项目一般包括热真空试验、低气压放电试验、微放电试验、热循环试验、真空紫外辐照试验、空间静电放电试验、总剂量辐照试验和单粒子效应试验等。

4.环境试验的有效性

从前面的介绍可知，航天产品的环境试验项目很多，当然需要的试验设备和条件就很多。这样，有效载荷在环境试验方面所花费的人力、物力和时间是很可观的。如何评价和提高环境试验的有效性，使有效载荷潜在的缺陷通过地面试验得到暴露和排除，同时，能够降低试验费用，缩短试验时间，成为各国航天部门的研究课题。目前，可用下式来评估环境试验的有效性：

试验的有效性=试验中暴露的故障/（试验中暴露的故障+在轨发生的故障）

美国NASA的戈达德航天飞行中心曾对57颗卫星发射后第一天的故障数作了统计，得到热真空试验的有效性约91%，振动试验的有效性约85%。

电磁兼容性试验是电磁兼容性工程的基本任务之一，是目前电磁兼容研究的基本手段。一方面，它是分析预测的验证；另一方面，它是设计的最终检验，系统是否电磁兼容只有用试验来检验。

对于航天器有效载荷系统，电磁兼容性试验的内容主要分为以下几项：

(1)兼容性分析试验：是指在系统研制的初期，对分部件进行电磁兼容性试验或采用等效替代方法对系统作电磁兼容性试验，以验证理论分析的正确性或找出设计过程中需要考虑的电磁兼容性关键部件。

(2)相互作用试验：是指将系统内易产生干扰的两个或多个部件设备，模拟实际工作情况，以各种工作方式工作，观察各个部件设备工作是否正常，达到解决突出的不兼容问题的目的。

(3)干扰试验：在系统正常工作情况下，测试系统自身是否产生内部干扰和系统自身的干扰特性是否满足规定的要求。

(4)环境试验：模拟系统可能工作的各种干扰环境，对系统的环境适应性进行考核。

(5)安全系数试验：安全系数是评定一个系统电磁兼容性的重要指标之一，它定义为敏感度阈值与实际干扰之比。安全系数试验就是要比较准确地测试出安全系数，从而给系统的电磁兼容性以较客观的评价。

图3-10表示一个典型的电磁兼容测试试验装置，测试是在类似于消声室的腔中进行的。消声材料吸收射频，通常会减少内在和外在电磁环境之间的干扰和折射。这个消声室也可以确保一个包含多数电磁波的特定波带从消声室的侧壁发射出来。一个发射或接收电磁波的装置要置于不同远近的设备周围或对被测设备进行扫描。2

可靠性试验分为工程试验和统计试验两大类。工程试验的目的在于暴露产品的可靠性缺陷并采取措施加以排除（或使其出现的概率低于容许水平），工程试验包括可靠性老炼试验、环境应力筛选试验和可靠性增长试验。统计试验的目的是确定或验证产品的可靠性特性或其量值，包括可靠性测定试验和可靠性验证试验。对一般航天产品而言，由于其任务时间比较长，不具备进行统计试验的条件。2

有效载荷在发射之前虽然已进行过多次地面测试，但最终还要靠在轨测试来检测航天器有效载荷在轨运行中的性能和技术参数，验证航天器总体和有效载荷系统设计方案的正确性和合理性，为有效载荷应用和后续设计的改进提供重要依据。现实情况是，在入轨初期，有效载荷与航天器平台一起都经过在轨调试和测试过程。2

在轨测试是一种大型并带有一定风险的试验，事先必须进行充分准备，认真编写测试大纲和测试细则，制定比较完备的故障对策，进行严密的组织，并使整个航天器（含有效载荷）和地面系统的状态满足一定技术要求之后才能进行。因为航天器某些技术参数是在天地系统作为整体测试的基础上推算的，因此必须事先对地面系统设备的技术参数进行标定，并使地面系统处于良好的技术状态。同时，对测试中出现的问题必须有相应的对策和必要的措施。2