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第1章 概论 1

1.1 深空探测的意义 2

1.2 深空探测发展概况 4

1.2.1 国外深空探测发展概况 5

1.2.2 我国深空探测发展概况 6

1.2.3 深空探测的发展趋势 10

1.3 未来深空探测技术发展需求 12

1.4 展望 15

参考文献 16

第2章 深空环境特征及其影响 17

2.1 引言 18

2.2 地球空间环境 20

2.2.1 深空探测器面临的主要地球空间环境特征 20

2.2.2 地球空间环境对深空探测器的影响 23

2.3 月球空间环境 26

2.3.1 概述 26

2.3.2 月球辐射环境及其影响 27

2.3.3 月球大气及其影响 31

2.3.4 月壤/月尘及其影响 32

2.3.5 月面地形地貌及其影响 36

2.4 火星空间环境 38

2.4.1 概述 38

2.4.2 火星辐射环境及影响 39

2.4.3 火星大气环境影响 40

2.4.4 火星尘埃环境影响 41

2.4.5 火星表面地形地貌 41

2.4.6 火星的卫星 42

2.5 木星空间环境 43

2.5.1 概述 43

2.5.2 木星强磁场环境 44

2.5.3 木星强辐射带环境 45

2.5.4 木星等离子体环境 45

2.5.5 木星大气环境 45

2.5.6 木星的卫星 46

2.6 金星空间环境 47

2.6.1 概述 47

2.6.2 金星磁场 48

2.6.3 金星大气环境 48

2.6.4 金星表面地形 49

2.7 其他行星际空间环境 51

2.7.1 行星际环境 51

2.7.2 小行星环境 51

2.7.3 彗星环境 52

2.8 展望 54

参考文献 55

第3章 总体设计技术 56

3.1 引言 57

3.2 深空探测器总体设计概述 58

3.2.1 深空探测器任务特点 58

3.2.2 系统任务分析 60

3.2.3 系统总体设计流程 62

3.3 环绕探测类任务总体设计 63

3.3.1 任务分析 63

3.3.2 技术指标分解 65

3.3.3 飞行程序设计 66

3.3.4 关键技术分析 66

3.3.5 设计验证 67

3.4 着陆探测类任务总体设计 68

3.4.1 任务分析 68

3.4.2 技术指标分解 71

3.4.3 飞行程序设计 71

3.4.4 关键技术分析 73

3.4.5 设计验证 74

3.5 巡视探测类任务总体设计 75

3.5.1 任务分析 75

3.5.2 技术指标分解 78

3.5.3 工作程序设计 79

3.5.4 关键技术分析 79

3.5.5 设计验证 80

3.6 采样返回探测类任务总体设计 81

3.6.1 任务分析 81

3.6.2 技术指标分解 87

3.6.3 飞行程序设计 88

3.6.4 关键技术分析 89

3.6.5 设计验证 93

3.7 展望 94

参考文献 95

第4章 轨道设计技术 96

4.1 引言 97

4.2 典型轨道类型 98

4.2.1 月球探测 98

4.2.2 行星探测 99

4.2.3 小行星探测 100

4.2.4 平动点任务 102

4.3 轨道设计过程概述 103

4.4 转移轨道设计 105

4.4.1 直接转移 105

4.4.2 借力飞行 113

4.4.3 深空机动 117

4.4.4 小推力转移 119

4.5 使命轨道设计 136

4.5.1 环绕探测 136

4.5.2 平动点任务 141

4.5.3 交会对接 147

4.6 轨控策略设计 153

4.7 展望 155

参考文献 156

第5章 有效载荷技术 159

5.1 引言 160

5.2 深空探测研究的主要科学问题 162

5.2.1 从系统角度看深空探测的科学问题 162

5.2.2 我国月球和火星探测的科学目标与有效载荷配置 165

5.3 形貌获取技术 172

5.3.1 科学探测任务 172

5.3.2 立体像对获取技术 172

5.3.3 彩色CMOS器件 173

5.3.4 相机系统设计 174

5.3.5 自动曝光技术 176

5.3.6 定标与地面验证试验 178

5.4 元素成分鉴别技术 179

5.4.1 科学探测任务 179

5.4.2 元素成分鉴别原理 179

5.4.3 激发源的选取策略 180

5.4.4 传感器的选取与设计技术 181

5.4.5 系统设计 183

5.4.6 定标与地面验证试验 185

5.5 月基天文观测技术 186

5.5.1 科学探测任务 186

5.5.2 谱段和观测天区选择 187

5.5.3 望远镜设计 187

5.5.4 杂散光抑制 187

5.5.5 定标与地面验证试验 188

5.6 展望 189

参考文献 190

第6章 制导导航控制技术 192

6.1 引言 193

6.2 轨道控制技术 194

6.2.1 深空探测器轨道控制特点 194

6.2.2 大冲量轨道控制策略 195

6.2.3 精确轨道控制 200

6.2.4 轨道控制系统设计 205

6.3 天体进入与着陆GNC技术 209

6.3.1 天体进入与着陆GNC技术特点 209

6.3.2 大气进入控制 210

6.3.3 动力下降控制 211

6.3.4 障碍识别与规避 212

6.3.5 天体进入与着陆GNC系统设计 213

6.4 天体表面巡视GNC技术 219

6.4.1 巡视器GNC特点 219

6.4.2 环境感知 220

6.4.3 位姿确定与估计 222

6.4.4 路径规划 223

6.4.5 运动控制 225

6.4.6 天体表面巡视GNC系统设计 227

6.5 展望 232

参考文献 233

第7章 大气减速技术 234

7.1 引言 235

7.2 气动力与气动热分析 238

7.2.1 空气动力学基本概念 238

7.2.2 大气进入气动问题研究 243

7.2.3 大气进入气动分析与预测 247

7.3 气动热防护设计 258

7.3.1 热防护技术基础理论 258

7.3.2 大气进入热防护技术 263

7.3.3 大气进入热防护设计 267

7.4 大气进入制导与控制设计 275

7.4.1 大气进入制导控制技术 275

7.4.2 大气进入轨道设计 277

7.4.3 大气进入制导与控制设计 282

7.5 降落伞减速设计 284

7.5.1 降落伞减速概述 284

7.5.2 大气进入降落伞技术 287

7.5.3 深空探测器降落伞设计 290

7.5.4 降落伞设计仿真分析 303

7.6 展望 305

参考文献 306

第8章 测控通信技术 307

8.1 引言 308

8.2 深空无线电测量技术 310

8.2.1 深空测距 310

8.2.2 深空测速 312

8.2.3 深空测角 315

8.3 深空射频系统技术 320

8.3.1 射频调制 320

8.3.2 高灵敏度接收 321

8.3.3 高EIRP发射 322

8.3.4 激光通信 323

8.4 深空遥测遥控和数据通信技术 325

8.4.1 数据格式 325

8.4.2 信道编码 328

8.5 深空测控通信系统设计 331

8.5.1 任务分析 331

8.5.2 系统方案 338

8.5.3 仿真与验证 342

8.6 展望 345

参考文献 347

第9章 热控技术 349

9.1 引言 350

9.2 深空热环境特点 351

9.2.1 水星热环境 352

9.2.2 金星热环境 353

9.2.3 月球热环境 354

9.2.4 火星热环境 355

9.2.5 外行星热环境 357

9.3 热控关键技术 359

9.3.1 重力辅助两相流体回路技术 359

9.3.2 水升华器技术 361

9.3.3 可变热导热管技术 364

9.3.4 气凝胶技术 365

9.4 深空探测器热控系统设计 369

9.4.1 国内外典型深空探测器热控系统简介 369

9.4.2 热设计的基本原则 375

9.4.3 热设计 376

9.4.4 热分析 379

9.4.5 地面模拟试验 384

9.5 展望 389

参考文献 391

第10章 推进技术 393

10.1 引言 394

10.2 推进系统分类 395

10.2.1 冷气推进 395

10.2.2 化学推进 396

10.2.3 电推进 406

10.2.4 新概念推进 411

10.3 深空探测推进系统设计与验证 415

10.3.1 任务分析 415

10.3.2 推进系统选型 419

10.3.3 方案设计 420

10.4 展望 430

参考文献 432

第11章 电源技术 434

11.1 引言 435

11.2 太阳电池技术 436

11.2.1 光谱匹配 436

11.2.2 防尘技术 439

11.3 MPPT技术 441

11.3.1 MPPT基本原理 441

11.3.2 MPPT实现方式 442

11.3.3 MPPT拓扑结构 444

11.4 锂离子蓄电池技术 446

11.4.1 锂离子蓄电池概述 446

11.4.2 锂离子电池的耐低温技术 447

11.5 空间核电源 452

11.5.1 空间核电源概述 452

11.5.2 RTG技术 453

11.5.3 核反应堆电源 456

11.6 深空电源系统设计 462

11.6.1 任务分析 462

11.6.2 太阳电池阵设计 467

11.6.3 蓄电池组设计 469

11.6.4 电源控制器设计 471

11.6.5 电源系统设计示例 471

11.7 展望 477

参考文献 479

第12章 自主管理技术 482

12.1 引言 483

12.2 自主管理技术概述 484

12.2.1 自主运行体系结构 485

12.2.2 体系结构及其组件 485

12.2.3 故障检测和诊断 488

12.2.4 规划和调度 491

12.3 深空探测器自主管理技术 496

12.3.1 火星车自主能力发展历程 497

12.3.2 火星车自主管理技术需求分析 498

12.3.3 火星车自主管理实现方案框架 505

12.3.4 火星车自主任务规划 507

12.4 展望 511

参考文献 512

第13章 机构技术 514

13.1 引言 515

13.2 着陆缓冲机构 516

13.2.1 着陆缓冲机构的功能及组成特点 517

13.2.2 着陆缓冲机构设计与验证 519

13.3 巡视器转移机构 529

13.3.1 巡视器转移机构的功能及组成特点 530

13.3.2 巡视器转移机构设计与验证 532

13.4 巡视器移动机构 539

13.4.1 巡视器移动机构的功能及组成特点 539

13.4.2 巡视器移动机构设计与验证 541

13.5 取样机构 554

13.5.1 样品取样机构的功能及组成特点 554

13.5.2 样品取样机构设计与验证 557

13.6 展望 567

参考文献 568

第14章 遥操作技术 569

14.1 引言 570

14.2 巡视器的遥操作 572

14.2.1 遥操作与遥科学 573

14.2.2 空间环境下遥操作的特点 573

14.2.3 空间环境下遥操作的分类 574

14.2.4 地外天体表面巡视器遥操作 574

14.3 国外巡视器遥操作技术发展情况 576

14.3.1 苏联月面巡视器“月球车”的遥操作 576

14.3.2 美国载人月面巡视器LRV的遥操作 577

14.3.3 美国火星巡视器“索杰纳”的遥操作 577

14.3.4 美国火星巡视器MER的遥操作 578

14.3.5 美国火星巡视器MSL的遥操作 581

14.4 巡视探测器遥操作系统任务分析 582

14.5 遥操作系统关键技术 584

14.5.1 绝对定位与相对定位技术 584

14.5.2 图像信息融合技术 585

14.5.3 任务规划 588

14.5.4 路径规划 590

14.5.5 机械臂规划 590

14.6 遥操作系统实现与实施 593

14.6.1 系统功能与组成 593

14.6.2 系统框架 594

14.6.3 操作实施流程 595

14.6.4 控制指令生成系统 597

14.6.5 数字仿真系统 597

14.6.6 物理仿真系统 597

14.7 展望 599

参考文献 600

第15章 地面试验验证技术 602

15.1 引言 603

15.2 技术发展现状 604

15.2.1 气动减速环节试验技术 604

15.2.2 动力减速环节试验技术 612

15.2.3 软着陆环节验证技术 614

15.2.4 起飞环节验证技术 618

15.3 需求分析 621

15.3.1 试验规划原则 621

15.3.2 验证试验需求 621

15.4 试验验证技术 625

15.4.1 气动减速环节试验技术 625

15.4.2 动力减速、软着陆及起飞环节验证技术 633

15.5 展望 653

参考文献 654

索引 656