CN110069845B - 一种人造卫星构型的外包络设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种人造卫星构型的外包络设计方法，包括步骤一：确定卫星运载状态总高H；步骤二：火箭整流罩内卫星正投影矩形截面的数学建模；步骤三：求解使得投影截面积S极大值存在的W值和L值；步骤四：根据其他约束条件完善卫星外包络设计。本发明将三维空间布局问题，转变为二维平面问题，降低了求解难度。将三维空间容限极大问题转变为平面曲线极大值问题，降低了运算量。将数学计算引入到卫星总体设计工作，降低对个人主观经验依赖。将以往依靠个人主观经验解决的问题转换成数学语言表达，提高设计工作效率，提高了设计工作精度。

Description

一种人造卫星构型的外包络设计方法
技术领域
本发明涉及一种人造卫星构型的外包络设计方法，具体设计了一种基于星内空间最大化目标的搭载卫星外包络设计方法。包含根据搭载包络确定高度值、截面投影建模、反求截面极大值等步骤。属于航空航天工程技术领域。
背景技术
商业航天发射任务中，为追求更低发射成本，通常在一次发射任务中搭载多颗小卫星同箭发射。搭载卫星因其地位特殊性，往往受更多条件约束。遵从接口约束，合理规划和利用运载包络，使星内可用空间最大化，承载更多有效载荷，最大限度满足各分系统需求，是搭载卫星总体设计任务的一个首要原则。
发明内容
本发明的目的在于，针对小卫星搭载发射的任务需求，基于星内空间最大化目标，提出一种人造卫星外包络设计方法，充分利用整流罩内包络空间，最大可能提高星内载荷容限。
本发明提供了一种人造卫星外包络设计方法，包括步骤如下：
步骤一：确定卫星运载状态总高H；
由约束条件确定卫星运载状态总高H，经卫星总体部门协调运载方许可。
步骤二：火箭整流罩内卫星正投影矩形截面的数学建模；
画出搭载构型简图，建立卫星正投影截面积S与投影矩形截面宽度W的数学关系；
步骤三：求解使得投影截面积S极大值存在的W值和L值；
设置边界条件，利用一元二次函数曲线特性，求解使得截面积S取得极大值Smax的W值，并求解此时的L值和Smax值。
步骤四：根据其他约束条件完善卫星外包络设计；
本发明的优点在于：
(1)降维处理。将三维空间布局问题，转变为二维平面问题，降低了求解难度。将三维空间容限极大问题转变为平面曲线极大值问题，降低了运算量。
(2)将数学计算引入到卫星总体设计工作，降低对个人主观经验依赖。将以往依靠个人主观经验解决的问题转换成数学语言表达，提高设计工作效率，提高了设计工作精度。
(3)将卫星总体设计工作流程固化，降低技术门槛，提高工作效率。
附图说明
图1是卫星总体设计三维尺寸的示意图；
图2是运载整流罩内卫星正投影截面示意图；
图3是卫星正投影截面积S随卫星横截面矩形短边长度W变化曲线图；
图4是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明针对卫星总体设计技术。搭载卫星受发射任务性质约束，卫星总体构型布局设计工作开展过程中一方面受星上载荷设备包络约束，另一方面受运载条件包络约束，如何在整流罩包络空间内规划出卫星最大外包络，以及计算出搭载卫星的最大可用包络，是卫星总体设计工作的首要任务。
本发明提出来一种人造卫星外包络设计方法，具体包含以下几个步骤：
步骤一：确定卫星运载状态总高H；
卫星运载状态由运载或搭载任务规划决定，卫星运载状态总高H通常由运载方给出，或由有特殊要求的星上载荷设备提出卫星总高需求，经卫星总体部门协调运载方许可。
卫星总高H确定以后，包络体积最大化问题转化为投影截面积最大化问题。
步骤二：火箭整流罩内卫星正投影矩形截面的数学建模；
画出整流罩内卫星正投影矩形截面的简化图形，利用勾股定理建立卫星正投影截面矩形长度L和宽度W的数学关系；W、L/2、r、R同时出现在一个直角三角形中，存在以下几何关系：
Figure RE-GDA0002102753620000031
其中，r,R分别是运载包络的内、外边界圆半径，S是卫星正投影截面(即阴影区域)的面积，L是投影截面长度，
Figure RE-GDA0002102753620000032
W是投影截面的宽度，W∈(0,R-r)。
Figure RE-GDA0002102753620000033
上式中，R、r是常数，S是关于W的一元二次函数，二次项系数小于0，函数在边界条件内有极大值。
步骤三：求解使得投影截面积S极大值存在的W值和L值；
设置边界条件，利用一元二次函数曲线特性，求解使得截面积S取得极大值Smax的W值，代入方程组(1)，并求解此时的L值和Smax值。
步骤四：根据其他约束条件修改完善卫星外包络设计。
卫星运载条件下，通常还会有运载安全裕度、系统强度、刚度、卫星生产制作工艺、星载载荷包络等其他约束对卫星外包络设计提出要求，也需要在卫星外包络设计时予以满足。
实施例
某卫星搭载发射任务规划中，给定运载整流罩内边界圆半径r＝775mm，外边界圆半径 R＝1250mm。依据本发明的方法设计卫星构型，具体如下：步骤一，经与运载方协定，卫星总高H定为不大于780mm；步骤二，卫星正投影矩形截面的数学建模，得到方程
Figure RE-GDA0002102753620000034
步骤三，依据边界条件W∈(0,475)，经计算，卫星正投影截面积S在W＝323.6mm时，取得最大值Smax＝385927.7mm2，此时L＝1192.6mm。即，当卫星在整流罩内正投影矩形宽度W取值为323.6mm时，此时，卫星正投影横截面设计长度L 为1192.6mm，可满足卫星正投影横截面积最大目的(最大截面积Smax＝385927.7mm2)，达到卫星内部空间最大的设计目的。步骤四，根据运载安全裕度和卫星生产工艺性等要求，将W值取为330mm，L值取为1040mm，完成卫星外包络设计。

Claims (1)

1.一种人造卫星构型的外包络设计方法，具体包括以下几个步骤：
步骤一：确定卫星运载状态总高H；
卫星运载状态由运载或搭载任务规划决定，卫星运载状态总高H通常由运载方给出，或由有特殊要求的星上载荷设备提出卫星总高需求，经卫星总体部门协调运载方许可；
卫星总高H确定以后，包络体积最大化问题转化为投影截面积最大化问题。
步骤二：火箭整流罩内卫星正投影矩形截面的数学建模；
画出整流罩内卫星正投影矩形截面的简化图形，利用勾股定理建立卫星正投影截面矩形长度L和宽度W的数学关系；W、L/2、r、R同时出现在一个直角三角形中，存在以下几何关系：
Figure RE-FDA0002102753610000011
其中，r,R分别是运载包络的内、外边界圆半径，S是卫星正投影截面(即阴影区域)的面积，L是投影截面长度，
Figure RE-FDA0002102753610000012
W是投影截面的宽度，W∈(0,R-r)；
Figure RE-FDA0002102753610000013
其中，R、r是常数，S是关于W的一元二次函数，二次项系数小于0，函数在边界条件内有极大值。
步骤三：求解使得投影截面积S极大值存在的W值和L值；
设置边界条件，利用一元二次函数曲线特性，求解使得截面积S取得极大值Smax的W值，代入方程组(1)，并求解此时的L值和Smax值；
步骤四：根据其他约束条件修改完善卫星外包络设计；
卫星运载条件下，通常还会有运载安全裕度、系统强度、刚度、卫星生产制作工艺、星载载荷包络等其他约束对卫星外包络设计提出要求，也需要在卫星外包络设计时予以满足。
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CN108919649A (zh) * 2018-07-26 2018-11-30 西北工业大学 一种针对故障卫星外包络抓捕的抓捕最优路径设计方法
CN108984998A (zh) * 2018-09-29 2018-12-11 深圳市欣顿智能科技有限公司 一种考虑复杂工程约束的卫星布局方案设计方法
CN109492252A (zh) * 2018-10-08 2019-03-19 湖北航天技术研究院总体设计所 一种面向多目标区域的分步式星座构型优化设计方法

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基于约束EGO的对地观测卫星多学科设计优化;龙腾等;《机械工程学报》;20180602(第10期);全文 *

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