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| 有效載荷 |
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中文名: 有效載荷 外文名: Payload 性 質: 航天器分系統 |
有效載荷是指航天器上裝載的為直接實現航天器在軌運行要完成的特定任務的儀器、設備、人員、試驗生物及試件等。航天器有效載荷是航天器在軌發揮最終航天使命的最重要的一個分系統。
有效載荷是航天器重要組成部分，說它重要，是因為對有效載荷選擇和設計的最終功能和性能的品質將直接影響到最終特定航天任務實現的品質。航天器平台裝載了有效載荷，就成為完整的能完成特定空間任務的航天器了。因此，若把航天器視為一級系統，則平台和有效載荷是從屬於它的兩個二級系統，二者是處在同一層次的兩個分系統。[1]
分類
航天器的有效載荷隨着任務的不同而不同，故其種類繁多，有多種不同的分類。按照航天器及有效載荷的用途，大致可分為遙感類（或稱為信息獲取類）、通信類（或稱為信息傳輸類）、導航類（或稱為信息基準類）、科學類、對抗類及其他，如概述圖所示。
衛星的有效載荷就是直接執行特定衛星任務的儀器、設備或分系統。有效載荷的種類很多，即使是同一種類型的有效載荷，性能差別也很大。有效荷載能力就是指這些儀器、設備或分系統的性能和探測能力。
遙感類有效載荷是指對地觀測的各種遙感器，包括可見光遙感器（利用膠片和光電）、多光譜掃描儀、紅外遙感器、微波輻射計（無源）、雷達或散射計等。這些遙感器可以獲得地面（水面）或大氣、空間等的各種軍用或民用信息。
通信類有效載荷是一種典型的有效載荷，主要由轉發器和天線組成。這類有效載荷可用於軍用或民用衛星通信，也可用於遙感類航天器的信息對地傳輸，在商業和軍事航天活動中占有統治地位。
導航類有效載荷是指提供空間基準和時間基準信息的各種儀器和設備。這類有效載荷可用於衛星導航。
科學類有效載荷包括X射線望遠鏡分光儀、太陽光學望遠鏡、離子質譜儀、X射線分光計以及各種空間環境測量和監測裝置等。這類有效載荷可用於空間環境探測、天文觀測和空間科學試驗等。
對抗類有效載荷包括激光、微波、粒子束、動能、電子干擾、機器人抓捕或吸附、計算機病毒、污染等工具或設備。這類有效載荷可用於空間攻防對抗。
其他有效載荷主要包括新技術試驗有效載荷和特殊有效載荷兩類。新技術試驗有效載荷是指一些未得到在軌考驗的新的航天器、分系統和儀器設備乃至元器件等技術，通過專門的新技術試驗衛星發射到某種軌道上進行試驗，以驗證其原理、方案、可行性、兼容性和可靠性等。特殊有效載荷是指非技術性的有效載荷，例如，太空旅遊（有效載荷是旅遊者）、太空紀念品（有效載荷是信封、旗幟等）。
單一用途的衛星，一般裝有一種或兩種有效載荷。多用途衛星，一般裝有幾種有效載荷。隨着航天技術的不斷發展，有效載荷也在逐步向低功耗、小質量和小體積的方向發展。對於對地觀測衛星而言，把多種遙感器安裝在一顆衛星上去完成不同的任務，是提高效費比的主要發展趨勢。安裝不同有效載荷的衛星，結果就是多用途衛星，如資源偵察衛星、環境氣象衛星、導航定位衛星等。
地位與作用
有效載荷是航天器的核心，在航天器設計中起主導作用。
1．從應用功能看
航天器的性質和功能主要是由有效載荷決定的。空間航天任務是通過航天器來完成的，而航天器在太空中完成任務、實現功能的標誌是產生符合任務要求的輸出。航天器的有效輸出主要是有效載荷的輸出。航天器平台內的各分系統一般是從不同的角度和方面為產生直接輸出的有效載荷或為平台內其他分系統提供服務和支持的。例如，通信廣播衛星上提供通信和廣播服務的轉發器和天線；氣象衛星上獲得大氣雲圖的各種輻射計、合成孔徑雷達；地球資源衛星上的CCD相機、紅外相機；海洋衛星上的海洋水色儀、雷達高度計與成像光譜儀等。
2．從研製難易看
有效載荷因其種類繁多、儀器複雜，現成為航天器研製中的瓶頸所在。經過幾十年的發展，航天技術走向應用階段的今天，平台已經比較成熟了，而其上的有效載荷，卻因航天任務的多樣性，要滿足多種應用任務的需要，研發更多的新儀器、新設備。而每一種新型遙感儀器、觀測儀器、科學儀器的研製，從用戶需求出發，經初步方案論證、可行性研究，到確定總體方案，進行關鍵技術攻關，模樣、初樣、正樣階段研製，到最後發射上天，大約需要十年甚至幾十年的時間。
3．從研製經費看
有效載荷與平台研製經費比例約為3:1，有效載荷占有明顯的優勢。無論是遙感衛星還是通信衛星，平台與有效載荷質量之比、研製經費 之比，兩者的比例關係相似。有效載荷研製經費約占整星總經費的75%，也就是說有效載荷研製經費約是平台的3倍。這也從一方面說明了有效載荷在整星研製中的份量和重要性。
因此，要使有效載荷能夠在軌正常發揮航天使命，就必須要求航天器各個保障分系統在軌全壽命周期內都要正常工作，向有效載荷提供必要的支持和保障，否則再好的有效載荷也不能發揮最終的作用。這就要求航天器的電源分系統向有效載荷提供足夠的電源；熱控分系統要保證有效載荷有合適的工作溫度；結構分系統要保證有效載荷有足夠的強度和剛度；控制分系統要向有效載荷提供軌道保持和高精度的指向；測控、數據管理分系統要向有效載荷提供足夠的遙測參數和遙控指令等。這裡要補充一點說明，上述各保障分系統不僅要為有效載荷提供必要的支持和保障，而且，要為各保障分系統之間相互提供必要的支持和保障。所以，在系統設計時，組成航天器平台的各分系統既要以有效載荷的需要作為它們最基本的設計要求，同時，有效載荷對平台各分系統提出的設計要求，也應是在航天器系統總設計師主持下，經有效載荷和平台各分系統充分協商後確定的，應符合航天器功能實現和整體優化的原則。
同樣，由於航天器有效載荷又是航天器應用系統的組成部分，所以航天器有效載荷的設計還必須滿足航天器應用系統的需求，要做好與應用系統內其他組成部分的協調，努力實現航天器應用系統的整體優化。例如，通信衛星有效載荷的轉發器飽和通量密度Ws、有效全向輻射功率EIRPs。、接收系統性能品質( G/T)s。等指標必須與地面應用系統（各種地面通信站或終端）的有效全向輻射功率EIRPE、接收系統 性能品質(G/T)E。等指標通過通信鏈路分析使其協調，才有可能使衛星完成在軌航天任務，實現衛星通信。
工作環境
有效載荷作為航天器系統的核心，其設計要求和一般工程系統項目設計要求不同。其中，產生不同的最大原因之一是由於它會遇到一般工程系統項目所沒有的一些特殊環境。這些特殊環境主要包括有效載荷暴露在太空運行時所遇到的各種外部空間環境（如大氣環境、等離子體環境、空間碎片等），以及有效載荷在航天器內部所遇到的各種平台內部環境（如力學環境、熱環境、電磁環境等），如圖1所示。在 有效載荷分析與設計中，需要把這些特殊環境作為約束條件，使研製出的有效載荷能適應這些特殊環境。正是由於特殊環境的影響，航天器有效載荷的研製過程和產品與一般項目有很大的區別，例如空間相機與家用相機，在結構、外形、材料、性能、價格等方面都有很大差異。因此，研究有效載荷的環境要素及其對有效載荷的影響，在有效載荷的研製和應用全過程中占有特殊重要的地位，也是有效載荷系統設計的重要環節和依據。
系統研製程序
有效載荷分系統的研製一般要經歷約束條件分析、技術指標確定、技術方案制定、技術指標分配、詳細設計、試驗驗證、製造裝配和應用等步驟（見圖2），而且往往要有幾次循環反覆，才能使研製方案更合理、更優化。
1．約束條件分析這是有效載荷系統研製的第一步。需要在航天器總體分析與設計的基礎上，考慮航天器的系統要求、環境條件、技術水 平、時間周期、經費投入等多種制約因素，進行有效載荷系統的約束條件分析，明確有效載荷系統研製的目標和技術途徑。
2．技術指標確定
航天器的主要特徵和性能參數，例如外形尺寸、質量、功耗、姿態控制精度等，主要是根據有效載荷的要求而確定的。因此，在有效載荷總體技術指標設計時，必須考慮航天器平台的承載能力，兼顧技術指標的先進性與可實現性，通過綜合分析和論證，確定有效載荷的總體技術指標。有效載荷的總體技術指標應全面和定量，具有確切的定義，並具有可測性。
3．技術方案制定
方案制定應以滿足總體技術指標為前提，研究分析各種限制條件，制定多種技術方案，從中選擇最優方案。所確定的方案應兼顧創新性和繼承性：鼓勵採用新技術、新材料、新工藝以及先進的設計方法和手段，但應儘可能地採用現成的和成熟的技術，儘可能地採用簡潔的而整體性能和功能又能滿足要求的方案，這樣可以節省經費，縮短研製周期，提高可靠性。
4．技術指標分配
有效載荷總體技術指標的分配，一般要經過分析預估、調整、驗證等迭代過程。在有效載荷總體方案和技術指標確定後，要將其指標分配到有效載荷內部的各子系統。各子系統通過分析和比較，最終確定各子系統方案，從而分析、預測出各子系統所能達到的指標值。綜合各子系統對總體技術指標所能作的貢獻，得出有效載荷的總體技術指標預測值。如果預測值達到或優於總體設計指標，則可以按預測值為基礎進行分配；如果預測值不滿足總體設計指標要求，就要進行另一個循環的分配和預測，必要時應對影響總體設計指標的關鍵子系統從方案到技術途徑等方面做進一步的改進、優化。這種指標分配的迭代過程使指標分配結果達到最佳的效果。
5．詳細設計與驗證
在有效載荷的詳細設計階段，技術方案、技術指標和技術途徑都已經明確，應對有效載荷的各子系統、各部件進行詳盡的設計，為有效載荷製造和系統軟件製作提供全部技術資料。根據有效載荷詳細設計製造和裝配出來的產品，應進行檢測、試驗和環境模擬試驗來驗證有效載荷的性能、功能以及環境適應性。如果在檢測和試驗中發現問題，則需要改進設計，甚至重新進行約束條件分析，並根據改進設計製造和裝配出新的產品，再進行檢測和試驗，直到所有的檢測和試驗均能通過為止。
詳細設計分初樣和正樣兩個階段。全部通過檢測、試驗和環境模擬試驗的詳細設計稱為有效載荷的正樣詳細設計；需修改和改進的詳細設計稱為有效載荷的初樣詳細設計。
6．製造裝配和應用
有效載荷詳細設計和驗證的後繼研製程序就是有效載荷正樣的製造裝配和應用，應注重使設計出來的產品有較好的工藝性、裝配性和可靠性，注重製造裝配和應用的經濟性。
研製要求
不同類型的有效載荷其具體研製要求不同，甚至有相當大的區別，然而，有一些共同性的問題在研製中是必須加以考慮的。航天器有效載荷的研製應遵循以下基本要求：
1．認真理解用戶需求，正確確定總體技術指標
該項工作是十分重要的。用戶需求往往是針對航天器或針對整個航天器應用系統提出的，而不是直接對有效載荷提出的，有效載荷設計者就需要與航天器應用系統和航天器總體設計者一起，根據用戶需求，進行綜合分析，確定有效載荷的總體指標，要儘量全面和定量。例如對於光學成像遙感衛星，用戶往往提出地面分辨率、觀測帶寬度、重複觀測周期等要求，也不是完全針對有效載荷的，而與衛星軌道類型（包括傾角、高度等）、光學系統的焦距、像元尺寸、掃描方式、指向控制能力等都有密切的關係。
2．認真研究各種約束條件，科學選擇有效載荷方案
有效載荷的設計一般都有幾種方案可供選擇，在滿足總體指標前提下，必須認真研究各種約束條件，從多方面進行比較，儘量使選擇的方案優化。方案的比較要儘量量化，不同因素要賦予不同的權重。過分強調方案的技術指標越高越好的觀點是不正確的，應以滿足用戶需求為原則；當然技術可行性和經濟性的考慮也是重要的。
3．從系統出發，合理分配技術指標
有效載荷總體技術指標確定後，要將指標合理分配至設備級、部件級。這種分配要將有效載荷作為系統看待，進行系統性能綜合分析，指標分配結果要使系統最優。例如，衛星光學遙感系統的調製傳遞函數( MTF)已分配至有效載荷光學遙感器之後，要將光學遙感器作為系統進行MTF指標分配。光學遙感器的MTF是光學系統MTF、探測器MTF和成像電路MTF等之積，MTF指標的科學合理分配必須從系統出發。
4．通過仿真和試驗來驗證優化設計
上面所說的確定總體指標、選擇方案、分解指標並不是一個單方向過程，往往需要多次迭代，才能使設計更加合理、科學；與此同時在設計中建立和應用恰當的模型進行仿真分析可以使設計更優化。通過仿真分析確定系統、設備和部件的參數，對系統性能進行預估，可降低研製成本，縮短研製周期，但模型的正確性必須經過驗證。即使這樣，一般還需要進行「設計一試驗驗證一修改設計」的循環，才能使設計儘量滿足要求。這就是各研製階段的任務，每個階段都要通過評審。
總體而言，航天器有效載荷的研製主要要考慮以下原則：
(1)技術指標的確定應滿足用戶要求，兼顧先進性與可實現性。
(2)技術途徑的選擇應儘量採用成熟技術，以保證可靠性和經濟性等。
(3)技術方案的制定應充分考慮各種約束條件，以及加工、裝調和測試的可行性。