年轻时,我和大多数心怀抱负的工程师一样,也曾梦想遨游太空,特别是火星。那时,我以为乘坐美国航空航天局的航天飞机是到达太空的唯一途径。然而,航天飞机项目的取消击碎了我少年时代的梦想,至少我是这样认为的。最近的商业化卫星和发射服务称,有朝一日可能提供太空探索服务。凭借新的创新方法和数十年的相关经验,我相信他们能够将这一梦想变为现实。
与此同时,我们也必须清楚地认识到,由于极端恶劣的环境,太空其实是一个非常危险的地方。轨道飞行中存在辐射、飞溅的碎片、极端温度和繁多的环境干扰。鉴于这些因素,飞船设计师采用了抗辐射集成电路(例如德州仪器公司生产的电路)、温度和惯性控制及特殊的外部结构,为太空飞行器提供保护,防止这些环境因素的影响。
当然我们不是专业的天体物理学家,作为业余人士,我们首先需要了解航天器或卫星的七个基本子系统:
- 推进系统。提到推进系统时,您可能会想到卫星发射或航天飞机返航时使用的大型火箭助推器。而实际上,卫星发射系统只是整个推进子系统的众多功能之一。推进系统的主要功能是调节飞行轨道与飞行姿态——将航天器定位到正确的轨道、控制下降、乃至调整飞船位置进行拍照,例如2014年10月美国航天局火星奥德赛号拍摄到的赛丁泉彗星(图1)。
图1:赛丁泉彗星接近火星时,美国宇航局的火星轨道器操作拍照(图片来源:NASA / JPL-Caltech)
- 电源系统。电源系统负责分配、存储(电池)、生成(太阳能)和调节电源。大多数卫星提供类似于电信电源系统的标准电源总线。这些标准电源轨包括28V、48V、50V、75V和100V。由于高电压下的电源效率更高,因此高电压(类似于地球上的电力线)分布在整个航天器上。然而,分布式架构需要两个额外的电源总线,即中间电源总线(28V至5V)和负载点总线(0.6V至5.5V),通常配置在四个子系统中。功率转换是一个非常有趣的领域,它需要特殊的抗辐射加固的设计技术(通常会增加集成电路[IC]的大小),以确保功率FET不会因空间中的重离子受损。TI拥有一些市场上最小的负载点解决方案,包括用于驱动双倍数据速率(DDR)内存的高级动力系统。尺寸的减小可以显著降低卫星成本,因为更小、更高效的解决方案可以减轻重量,从而降低发射费用。这是降低卫星成本的主要推动因素。
- 姿态确定与控制系统(ADCS)。该子系统与推进子系统紧密联系,共同控制和定位飞船,完成特定的任务。它对于天线定位(通信)和太阳能电池阵列的定位(用于电池的太阳能收集)也很重要。传感器,如星体跟踪器、太阳传感器、全球定位系统,惯性测量单元和速率陀螺等用于确定姿态。推进系统,如飞机/推进器、反作用轮、控制力矩陀螺和磁矩杆用于控制姿态。这个子系统中的电子元件包括负载点功率解决方案、运算放大器、电压基准、低速(小于1MHz)模拟数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)和比较器等。
- 通信系统。该子系统负责与地球和其他航天器之间的通信。卫星通信通过无线电频谱在模拟域中分配频率。简而言之,为使卫星理解通信内容,必须将模拟数据转换为数字域。TI在此方面拥有丰富的专业知识,以及一些航天市场中世界上速度最快的ADC和DAC。该子系统也需要负载点功率、接口、运算放大器和时钟解决方案。
- 命令和数据处理(C&DH)。该子系统负责处理和分配数据。将其想像为卫星的主计算机。需要时,它与通信和ADCS紧密相连。该子系统使用许多不同类型的电子设备,包括点负载功率、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、存储器、处理器、接口、运算放大器和时钟。
- 热力系统。该子系统基本上是航天器的暖通空调。它负责将电子设备的温度维持在指定范围内。我也喜欢将此系统纳入“健康监测系统”中,后者的范围更广,包括温度、电流和电压监测和控制。随着航天器技术的日益精进,我期待技术界能够在此领域做出更多的改进。
- 结构和机械系统。该子系统的机械(非电子)功能包括支持结构、框架、适配器和移动夹具。
现在您了解到,航天器有着极其复杂和有趣的子系统。也许我的介绍能帮助您为下次火星之旅做出更充分的准备,或者促使您进行更深入的了解。
建议您登录www.ti.com/space了解TI的一些航天技术。如果您想观看现场演示,并了解TI的尖端辐射加固系列产品,请于下周2016年电气和电子工程师协会(IEEE)核技术和空间辐射效应会议(NSREC)期间访问我们的展位(43号)。
您对航天器的各个子系统有何了解?请登录后参加讨论。
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