航天器或衛(wèi)星的七個(gè)基本子系統(tǒng)簡(jiǎn)單說明

年輕時(shí)，我和大多數(shù)心懷抱負(fù)的工程師一樣，也曾夢(mèng)想遨游太空，特別是火星。那時(shí)，我以為乘坐美國(guó)航空航天局的航天飛機(jī)是到達(dá)太空的唯一途徑。然而，航天飛機(jī)項(xiàng)目的取消擊碎了我少年時(shí)代的夢(mèng)想，至少我是這樣認(rèn)為的。最近的商業(yè)化衛(wèi)星和發(fā)射服務(wù)稱，有朝一日可能提供太空探索服務(wù)。憑借新的創(chuàng)新方法和數(shù)十年的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，我相信他們能夠?qū)⑦@一夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

與此同時(shí)，我們也必須清楚地認(rèn)識(shí)到，由于極端惡劣的環(huán)境，太空其實(shí)是一個(gè)非常危險(xiǎn)的地方。軌道飛行中存在輻射、飛濺的碎片、極端溫度和繁多的環(huán)境干擾。鑒于這些因素，飛船設(shè)計(jì)師采用了抗輻射集成電路（例如德州儀器公司生產(chǎn)的電路）、溫度和慣性控制及特殊的外部結(jié)構(gòu)，為太空飛行器提供保護(hù)，防止這些環(huán)境因素的影響。

當(dāng)然我們不是專業(yè)的天體物理學(xué)家，作為業(yè)余人士，我們首先需要了解航天器或衛(wèi)星的七個(gè)基本子系統(tǒng)：

1. 推進(jìn)系統(tǒng)。提到推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，您可能會(huì)想到衛(wèi)星發(fā)射或航天飛機(jī)返航時(shí)使用的大型火箭助推器。而實(shí)際上，衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)只是整個(gè)推進(jìn)子系統(tǒng)的眾多功能之一。推進(jìn)系統(tǒng)的主要功能是調(diào)節(jié)飛行軌道與飛行姿態(tài)——將航天器定位到正確的軌道、控制下降、乃至調(diào)整飛船位置進(jìn)行拍照，例如2014年10月美國(guó)航天局火星奧德賽號(hào)拍攝到的賽丁泉彗星（圖1）。

圖1：賽丁泉彗星接近火星時(shí)，美國(guó)宇航局的火星軌道器操作拍照（圖片來源：NASA / JPL-Caltech）

1. 電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配、存儲(chǔ)（電池）、生成（太陽(yáng)能）和調(diào)節(jié)電源。大多數(shù)衛(wèi)星提供類似于電信電源系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電源總線。這些標(biāo)準(zhǔn)電源軌包括28V、48V、50V、75V和100V。由于高電壓下的電源效率更高，因此高電壓（類似于地球上的電力線）分布在整個(gè)航天器上。然而，分布式架構(gòu)需要兩個(gè)額外的電源總線，即中間電源總線（28V至5V）和負(fù)載點(diǎn)總線（0.6V至5.5V），通常配置在四個(gè)子系統(tǒng)中。功率轉(zhuǎn)換是一個(gè)非常有趣的領(lǐng)域，它需要特殊的抗輻射加固的設(shè)計(jì)技術(shù)（通常會(huì)增加集成電路[IC]的大小），以確保功率FET不會(huì)因空間中的重離子受損。TI擁有一些市場(chǎng)上最小的負(fù)載點(diǎn)解決方案，包括用于驅(qū)動(dòng)雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）內(nèi)存的高級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)。尺寸的減小可以顯著降低衛(wèi)星成本，因?yàn)楦　⒏咝У慕鉀Q方案可以減輕重量，從而降低發(fā)射費(fèi)用。這是降低衛(wèi)星成本的主要推動(dòng)因素。
2. 姿態(tài)確定與控制系統(tǒng)（ADCS）。該子系統(tǒng)與推進(jìn)子系統(tǒng)緊密聯(lián)系，共同控制和定位飛船，完成特定的任務(wù)。它對(duì)于天線定位（通信）和太陽(yáng)能電池陣列的定位（用于電池的太陽(yáng)能收集）也很重要。傳感器，如星體跟蹤器、太陽(yáng)傳感器、全球定位系統(tǒng)，慣性測(cè)量單元和速率陀螺等用于確定姿態(tài)。推進(jìn)系統(tǒng)，如飛機(jī)/推進(jìn)器、反作用輪、控制力矩陀螺和磁矩桿用于控制姿態(tài)。這個(gè)子系統(tǒng)中的電子元件包括負(fù)載點(diǎn)功率解決方案、運(yùn)算放大器、電壓基準(zhǔn)、低速（小于1MHz）模擬數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和比較器等。
3. 通信系統(tǒng)。該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與地球和其他航天器之間的通信。衛(wèi)星通信通過無線電頻譜在模擬域中分配頻率。簡(jiǎn)而言之，為使衛(wèi)星理解通信內(nèi)容，必須將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。TI在此方面擁有豐富的專業(yè)知識(shí)，以及一些航天市場(chǎng)中世界上速度最快的ADC和DAC。該子系統(tǒng)也需要負(fù)載點(diǎn)功率、接口、運(yùn)算放大器和時(shí)鐘解決方案。
4. 命令和數(shù)據(jù)處理（C＆DH）。該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理和分配數(shù)據(jù)。將其想像為衛(wèi)星的主計(jì)算機(jī)。需要時(shí)，它與通信和ADCS緊密相連。該子系統(tǒng)使用許多不同類型的電子設(shè)備，包括點(diǎn)負(fù)載功率、專用集成電路（ASIC）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）、存儲(chǔ)器、處理器、接口、運(yùn)算放大器和時(shí)鐘。
5. 熱力系統(tǒng)。該子系統(tǒng)基本上是航天器的暖通空調(diào)。它負(fù)責(zé)將電子設(shè)備的溫度維持在指定范圍內(nèi)。我也喜歡將此系統(tǒng)納入“健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”中，后者的范圍更廣，包括溫度、電流和電壓監(jiān)測(cè)和控制。隨著航天器技術(shù)的日益精進(jìn)，我期待技術(shù)界能夠在此領(lǐng)域做出更多的改進(jìn)。
6. 結(jié)構(gòu)和機(jī)械系統(tǒng)。該子系統(tǒng)的機(jī)械（非電子）功能包括支持結(jié)構(gòu)、框架、適配器和移動(dòng)夾具。

現(xiàn)在您了解到，航天器有著極其復(fù)雜和有趣的子系統(tǒng)。也許我的介紹能幫助您為下次火星之旅做出更充分的準(zhǔn)備，或者促使您進(jìn)行更深入的了解。

建議您登錄www.ti.com/space了解TI的一些航天技術(shù)。如果您想觀看現(xiàn)場(chǎng)演示，并了解TI的尖端輻射加固系列產(chǎn)品，請(qǐng)于下周2016年電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）核技術(shù)和空間輻射效應(yīng)會(huì)議（NSREC）期間訪問我們的展位（43號(hào)）。

您對(duì)航天器的各個(gè)子系統(tǒng)有何了解？請(qǐng)登錄后參加討論。

其他信息

• 了解TI航天產(chǎn)品。
• 下載航天指南。
• 查看更多的產(chǎn)品和輻射數(shù)據(jù)。