1.6 航天器系统设计的特殊要求

航天器总体设计与其他工程项目（包括各种车辆、飞机、导弹和火箭）设计最根本的区别就在于航天器系统设计具有下列特殊要求。

1．能够适应空间环境

航天器要适应热真空和各种辐射环境。总体设计要使航天器能够适应原子氧、真空、太阳电磁辐射（热能、光能、紫外线等）、空间粒子辐射（电子、质子、宇宙线等）等环境。在设计中，除对各分系统仪器设备（特别对电子元器件）提出耐受上述环境和仪器设备温度控制要求外，还要设计合理的外形和布局，以保证航天器具有良好的散热面和具有防护空间辐照等环境的措施。

2．满足大系统中各个系统的约束

航天器要发挥它的功能作用必须用运载火箭在发射场发射，通过地面测控中心对运载火箭和航天器进行测控，使航天器进入预定轨道，并对航天器姿态和轨道等进行调整，然后，在地面应用系统（返回式卫星和科学试验卫星除外）配合下工作，才能最终发挥航天器的功能作用。

（1）运载火箭的约束。航天器是运载火箭的有效载荷，航天器设计的分离质量（重量）、选择的轨道参数、在发射时的方位角及航天器分离时的姿态精度和轨道精度要受到运载火箭的能力限制；航天器外形最大包络尺寸要受火箭上的（航天器）整流罩有效空间的限制（不用整流罩的返回式卫星的外形要满足运载火箭气动特性要求）；航天器的整体纵向和横向刚度要不低于运载火箭的要求；航天器的质心与几何中心（以航天器与运载火箭对接框几何中心为基准）的偏差要满足运载火箭的要求；航天器整体和各分系统的仪器设备及其安装连接的强度要能经受运载火箭在起飞、飞行和分离时所产生的过载、振动、噪声和冲击等力学环境而不会损伤；航天器还要对同运载火箭之间的机、电、热接口进行详细设计和协调。除此之外，航天器和运载火箭还要满足电磁兼容性要求等。

（2）发射场的约束。发射场是用于运载火箭和航天器在发射前的总装、测试、加注和发射的场所，它由技术区和发射区及其相关部分组成。航天器对技术区的总装、测试及加注等使用的厂房面积尺寸、空气环境（温度、湿度、洁净度等）、吊装设备、供电、推进剂供给、通信设备、电磁环境、安全设施（接地、防雷、防爆和消防）等都有一定要求。航天器对发射区吊装、测试、通信、塔架、电磁环境及气象等也有一定要求。此外，发射场的地理位置、运载火箭射向限制（与运载能力、火箭落点限制有关）也是航天器总体设计必须要考虑的约束条件。

（3）地面测控船/站的约束。地面测控船/站的约束包括地面测控船/站对航天器测控频段、测控体制的约束，地面测控船/站的地理位置对控制弧段的约束等。地面测控船/站与航天器之间的无线电信息传递接口，主要涉及无线电频率、发射功率、天线方向图及增益、航天器测控设备灵敏度、测控体制、测控程序、测控要求、调制方式、数据处理、加解密等方面，这些都要通过设计和现有条件调研确定后作为双方的制约条件。这些条件属于航天器总体设计内容，设计完成后，以文件形式作为要求，双方遵照执行。

（4）地面应用系统的约束。地面应用系统的约束包括用户对航天器提出的使用技术要求和航天器与地面应用系统的无线电接口要求。应用卫星（除返回式卫星）与地面应用系统之间都是通过无线电手段用实时或延时方法来传递有用信息的。如通信卫星是通过无线电完成地面通信站之间通信信息转发任务；导航卫星是通过卫星无线电测距和授时来确定用户的位置；对地遥感卫星要通过数据传输系统向地面实时或延时发送遥感信息。因此航天器与地面应用系统的无线电频段、通信体制、信息传输和性能指标等要求是重要的约束条件。

3．要满足长寿命、高可靠的要求

由于研制和发射航天器成本很高，又处在上述恶劣环境中工作，一旦发射，就不可维修等原因，因此，要求航天器在适应上述环境的同时还要具有长寿命、高可靠的性能要求。

可靠性的保证要依靠可靠性设计、试验和研制质量管理。可靠性设计主要是按照“优选目录”选择耐粒子（总剂量）辐射和其他空间环境的质量优良的元器件、原材料，电子元器件要按照“降额准则”降额使用，电路设计要考虑热设计、抗力学设计、容错设计、冗余设计、潜通路分析、防单粒子事件设计、电磁兼容性设计、电源过压过流保护、整机备份等。另外，还需要进行分系统、系统级故障模式影响分析等，对于单点失效需要采取特殊质量保证措施。在地面要充分做好各种规定量级的试验，加强研制质量管理。

4．要考虑安全性和风险性

由于航天器系统复杂，成本很高，并带有易燃易爆的推进剂和火工品，且各类设计状态余量较小，因此在研制航天器时要充分考虑安全性和风险性。

安全性的保证要靠安全性设计和研制过程中的安全管理。安全性设计，一般应考虑主承力构件要有足够刚度，其强度要有一定安全余量；推进剂贮箱设计要有一定的安全余量；仪器电路和航天器系统电缆网设计要满足电磁兼容性要求；火工品采用安全钝感型；火工品管理器设计要有多道安全保险；电路焊装、调试和各种电测试要有安全防护措施；易燃易爆的推进剂加注要有安全和消防措施等。

对于风险性，要考虑技术风险、经济风险和时间进度风险。尤其是总体方案设计一定要考虑周全、细致，避免由于方案性错误造成大返工；在研制过程尽量避免出现各种质量事故，以降低经济风险和时间进度风险。要通过专门的风险分析和采取有效措施，使风险降低到最小或可接受的程度。

5．具有高度自主控制功能

航天器入轨后，在轨长期运行期间对航天器在空间的姿态测量和控制、对各个分系统的仪器设备备份件切换、对蓄电池充/放电、对电源剩余电流的分流控制、全调节母线电压控制、对热控分系统电加热器通断电控制等都需要简单的自主控制。现代航天器除有上述简单的自主控制功能外，航天器在轨运行期间对其轨道位置测量和控制能够自主完成。即航天器在无地面支持下，能够排除各种干扰，通过自主制导、导航与控制技术（智能控制），调整轨道和姿态到正常状态，以减少地面测控站的依赖。

6．考虑公用平台的设计要求

研制一个新型航天器的周期往往需要3～5年时间，而其结构、电源、姿态与轨道控制、推进、测控和热控等分系统形成的平台还可继续用于其他新研制的同类型航天器或研制规模相当的其他新航天器。此时，常常把该平台称为公用平台。为了缩短研制周期、降低成本，在全新航天器方案设计时应将航天器平台有目的地设计成能适应多种有效载荷的公用平台。