[本期话题：人造卫星的系统组成]中国第一颗人造卫星

　　现有读者来信询问：人造卫星到底是由哪几部分组成的？上天之后， 又是如何工作的？就读者的问题，本刊记者专程请教了中国科学院院士扬嘉墀先生，请他回答读者的不解之处。 　　一颗人造卫星，看起来体积不大，质量最大也就只有几千千克，最小的只有1千克左右，但是内脏却非常复杂，零件数量要达到上万个，而且由于技术、质量要求高，大多数要采用新技术，应用许多工程技术的新成就。
　　
　　人造卫星是由什么系统组成的?
　　
　　典型的卫星由不同功能的若干分系统组成。一般分为有效载荷和保障系统两大类。有效载荷用于直接完成特定的航天飞行任务；保障系统用于保障卫星从火箭起飞到工作寿命终止星上所有分系统的正常工作。
　　
　　保障系统的作用
　　
　　保障系统像一个现代家庭住宅一样，要有住房、采光、供热、供电、通信等设备，其目的是保障有效载荷的正常运行。为了适应同类卫星的设计和生产能更快、更省、更好地拿出产品，承制单位经常采用公用舱思路，就是把保障系统组合成一个公用平台，它能满足同一类卫星各种有效载荷的应用。
　　
　　保障系统包括哪几部分?
　　
　　保障系统一般包括结构系统、热控制系统、姿态和轨道控制系统、电源系统、测控与通信系统、数据管理系统。
　　
　　结构系统――卫星的“骨架”
　　
　　结构系统类同于建筑中的房屋结构，用于支撑和固定卫星上各种仪器设备，使它们构成一个整体，以承受地面运输、运载火箭发射和空间运行的各种力学环境(振动、过载、冲击、噪音)和空间运行环境。结构系统要满足各种仪器设备的安装方位、定向精度等要求，还要提供一些机构和特定功能，如各种伸展部件(如太阳翼、天线)的解锁、展开和锁定。在各种卫星中广泛应用了承力筒结构，它们通常可以是加筋壳、波纹壳或蜂窝夹层壳等。所用的材料有：铝合金、碳纤维复合材料、钛合金等。对卫星结构的基本要求是质量轻、可靠性高、成本低等。
　　
　　热控制系统――卫星的“衣服”
　　
　　几乎所有的卫星都需要采取一定的热控措施，以保证星上各种仪器设备能处在期望的温度范围内。各类卫星和卫星的各个部位有不同的温度要求。卫星在宇宙空间运行时，它的温度取决于自身状况和环境条件。
　　直接影响卫星热状态的环境条件，主要是高真空、超低温背景、太阳辐射、微重力和粒子辐射等。在高真空状态下，卫星与外部环境的热交换几乎仅以辐射方式进行。太阳直接辐射、地球反照和地球红外辐射是卫星的主要外热源。当卫星在轨道上运行时，太阳射向卫星的能量可以从无日照的零值变化到垂直于射线方向的最大值。卫星运行时，处于微重力状态，舱内气体自然对流现象消失，内部只有传导和辐射传热方式。卫星上安装的各种仪器设备要消耗电能并成为内部热源，随着这些仪器的开关机时它们的功率消耗发生很大变化，也就影响星内其他仪器的温度环境。因此星上有必要进行热控制。
　　当前卫星上广泛采用的热控措施大致分成被动式和主动式两大类。被动式热控制是一种开环式控制，例如热控涂层和多层隔热材料、相变材料、热管等。主动式热控制则是闭环式控制，常由温度敏感器、控制器和执行机构三部分组成，如恒温电加热器、热控百叶窗、流体循环换热装置等。几乎所有的卫星都以被动热控措施为基础，如果外热流和内热流变化幅度较大时，被动式热控无法满足要求时，就增加主动式热控措施。
　　
　　姿态和轨道控制系统――卫星运行平衡
　　
　　卫星从运载器分离后到运行阶段要根据需要进行姿态和轨道控制。不同卫星对姿态和轨道控制在飞行各阶段有不同的要求。例如通信广播卫星要求最后定点在距地面约36000千米的地球静止轨道上，这样其服务区域在地球上可以保持不变。其发射过程大致是将卫星由运载火箭送入一个大椭圆转移轨道，由星上的远地点发动机多次变轨点火，将卫星送入赤道上空的静止轨道。在定点以后，由于卫星受外部干扰力的影响，使卫星偏离同步静止轨道位置，隔一段时间还要有一个轨道保持的操作。所有这些轨道控制过程，由于推力器固定安装在星体上的，要靠姿态控制系统来满足正确的推力方向要求。卫星在长期运行过程中更要靠姿态控制系统来满足对地定向的要求。
　　姿态控制系统一般由姿态敏感器、控制器和执行机构组成。典型的敏感器有太阳敏感器、红外地平仪、星敏感器、陀螺和射频敏感器等。早期的控制器是由电子线路实现的，后来逐步向数字化和星载计算机方向发展。执行机构按产生力矩的方式可分为三类：第一类是利用质量排出产生反作用推力或力矩。第二类是利用“角动量守恒”原理用飞轮来控制角动量的变化，达到稳定卫星姿态的目的。第三类是利用空间环境场(磁场、引力场、太阳光压等)与卫星相互作用产生力矩。
　　
　　电源系统――卫星的“食粮”
　　
　　电源系统是产生、储存、变换、调节和分配电能的分系统。其基本功能是将光能、核能或化学能直接转换成电能，根据需要进行储存、调节和变换，然后向航天器各系统供电。如化学能有锌汞电池、锂电池等原电池、锌银蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池等蓄电池、氢氧燃料电池等。太阳电池阵有硅太阳电池和砷化镓太阳电池。核能电源有放射性同位素温差发电器、热离子反应堆等。随着空间技术的高速发展，空间电源技术亦不断进步。电池组输出功率从早期的500W增至7KW。工作寿命由400小时延长到2000小时。太阳电池阵――蓄电池组联合电源的输出功率从早期的0.25W递增至22KW。电源控制设备用于调节、控制、保护及与航天器其他系统接口的各种设备。靠它将电源系统与各系统有机地结合在一起。这是卫星电缆网所承担的任务。
　　
　　测控与通信系统――卫星的遥控器
　　
　　测控和通信是航天任务的神经系统。测控实际上包括三部分技术内容：跟踪、遥测和遥控。卫星上跟踪部分与地面站相结合，就可以对航天器这个动目标做轨道测量。遥测部分首先用传感器测量卫星内部各个工程分系统的工作状态参数，用无线电技术传到地面站，用以判断卫星的“健康状况”，也是判断故障部位、原因的唯一手段。如果出现故障，或需要调整一个分系统的运行参数，或切换备件，就要用遥控部分来发出指令进行修正。因而遥测、遥控两种技术综合起来可以构成一种保证卫星正常运行的重要手段。
　　通信是测控之外的另一个星地数据系统，主要目的用来传输卫星上有效载荷取得的高速率数据，如气象卫星上的云图、通信卫星的声音或图像信息。
　　由于测控与通信系统是一个无线信息系统，卫星上必须安装有各种发射和接收天线，星内还要有信息存储器。
　　
　　数据管理系统――卫星的“大脑”
　　
　　随着微电子技术高速发展，微处理器在卫星上广泛应用，各分系统的数据和状态已数字化，客观上要求整星有一个系统将各分系统运行从信息的角度统一管起来，使各部分为整体目标协调一致地运行。在星上采用局部网络技术可以减少传输信息的电缆。卫星数据管理系统中，计算机和局部网等硬件是基础，而软件是灵魂，它决定了计算机系统的先进性、可靠性、实时性和实用性。
　　
　　说了这么多，它们都是为有效载荷服务的，那么，有效载荷是什么呢?
　　
　　有效载荷种类很多，随着飞行任务的不同而异。如科学探测卫星的天文望远镜和空间环境探测器，气象卫星的可见光和红外扫描辐射仪。地球资源卫星的光电摄像机、合成孔径雷达，通信和广播卫星的转发器和通信天线等。
　　我们在以后将继续对不同的有效载荷是如何工作进行介绍。
　　
　　人造卫星发展依靠的技术有哪些?
　　
　　随着高新技术的发展和市场的需求，近年来，微机电系统、微推进系统等新技术应用于卫星系统，世界上出现了不少先进的小卫星和微卫星，只有芯片大小的纳米卫星的出现也只是时间问题。但是一个卫星的技术内涵和系统组成还离不开上面几个分系统。欲大幅度地减轻卫星质量，降低卫星成本，必须坚持技术创新，在创新的指导下继承已有的实践经验，才能持续、快速、稳定的发展。
　　一些技术学科，如力学、热力学、材料学、电子技术、光电技术、自动控制、喷气技术、计算机技术、低温技术、半导体技术、制造工艺等对航天技术的发展起了重要的作用。
　　［编者按］83岁的杨先生亲自撰写航天科普文章，非常令人感动。真正的科普佳作需要作者、编者和读者三方的努力，希望有更多的专家学者参与科普创作，也希望读者朋友们多提供线索，我们将努力扮好“二传手”的角色。