月球探测器技术PDF电子书下载

第1章　绪论 1

1.1　概述 1

1.2　我国开展月球探测的意义 2

1.3　国外月球探测发展历程 4

1.3.1 国外早期的月球探测活动 4

1.3.2　国外近期和未来的月球探测活动 13

1.4　太阳系 17

1.5　航天系统工程 22

1.6　月球探测器的分类和系统组成 29

1.6.1　月球探测器的分类 29

1.6.2　月球探测器的系统组成 31

1.7　月球探测器的研制阶段 33

1.7.1　概念性研究阶段 33

1.7.2　可行性论证阶段 33

1.7.3　方案确定阶段 34

1.7.4　工程研制阶段 35

1.7.5　发射前准备阶段 36

1.7.6　运营和管理阶段 37

参考文献 37

第2章　月球环境 38

2.1　概述 38

2.2　月球热环境 38

2.2.1　太阳直接辐射 39

2.2.2　月球反照 40

2.2.3　月面辐射 40

2.3　月球大气 41

2.4　带电粒子辐射 42

2.4.1　太阳宇宙线（SCR,Solar Cosmic Ray） 42

2.4.2　银河宇宙线（GCR,Galactic Cosmic Ray） 43

2.4.3　太阳风（Solar Wind） 44

2.4.4　太阳扰动对月球探测器的影响 44

2.5　微流星体 51

2.5.1 NASA TN D-2747模型 51

2.5.2 NASA-CR-68189模型 51

2.5.3 NASA SP-8013模型 51

2.5.4　微流星体质量—密度分布 52

2.6　引力场 52

2.7　月球地形 53

2.7.1　月面地貌分布图 53

2.7.2　月球地形特点 53

2.7.3　月面撞击坑统计模型 56

2.7.4　月面石块统计模型 57

2.8　月尘环境 59

2.8.1　粒度分布 59

2.8.2　颗粒形态 59

2.8.3　月壤密度 59

2.8.4　相对密度 60

2.8.5　孔隙度 60

2.8.6　压缩性 60

2.8.7　抗剪性和承载力 61

参考文献 62

第3章　月球基本概况和月球探测的科学目标 63

3.1　月球基本概况 63

3.1.1　月球的运动 63

3.1.2　月球的地形地貌 65

3.1.3　月球上的水 66

3.1.4　月壤 68

3.1.5　月球的物质成分 72

3.1.6　月球内部结构 79

3.1.7　月球的起源与演化 80

3.2　中国月球探测科学目标 83

3.2.1　月球探测与研究的关键科学问题 83

3.2.2　我国月球探测的总体规划 84

3.2.3　我国绕月探测工程科学目标 84

参考文献 88

第4章　月球探测器总体设计 89

4.1　概述 89

4.2　月球探测器总体设计的一般原则 90

4.3　月球探测工程的顶层设计 91

4.3.1　月球探测工程的任务目标确定 92

4.3.2　任务需求分析 93

4.3.3　工程的具体实施步骤规划 94

4.3.4　工程各大系统总体初步可行性方案研究 95

4.3.5　工程的技术继承性与衔接性分析 96

4.4　月球探测器总体性能指标的确定和分配 96

4.5　月球探测器构形设计 101

4.5.1　月球探测器构形设计的一般原则 102

4.5.2　月球探测器构形设计过程 103

4.5.3　月球探测器外形选择 105

4.5.4　月球探测器总体布局 106

4.5.5　月球探测器的质量分配 118

4.5.6　质量特性分析 120

4.6　月球探测的飞行过程 123

4.6.1　绕月探测的飞行过程 123

4.6.2 着陆探测的飞行程序 127

4.6.3 返回探测的飞行程序 130

参考文献 131

第5章　月球探测器轨道设计 133

5.1　概述 133

5.1.1　月球的基本物理参数 133

5.1.2　月球的轨道 134

5.2　月球探测器地月转移轨道设计 135

5.2.1　二体问题近似 135

5.2.2　圆锥截线拼接法 138

5.2.3　地月转移轨道的精确求解 142

5.2.4　如何将探测器送入地月转移轨道 145

5.2.5　地月转移轨道的测量与中途修正 146

5.2.6　发射机会和发射窗口 147

5.3　月球卫星的轨道设计 150

5.4　月球探测器软着陆轨道设计 152

5.4.1　月球软着陆方式 152

5.4.2　月球软着陆过程 153

5.4.3　制动段轨道设计 154

5.4.4　接近段轨道设计 158

5.4.5　着陆段轨道设计 159

5.4.6　软着陆下降轨道的技术要求 160

5.5　月球探测器返回轨道设计 161

5.5.1　月球探测器返回轨道设计方法 161

5.5.2　月球探测器返回轨道设计理论 165

参考文献 174

第6章　月球探测器结构与机构系统 177

6.1　概述 177

6.1.1 着陆器结构 177

6.1.2 软着陆机构 179

6.2　月球着陆器结构设计 181

6.2.1　结构方案设计 181

6.2.2 结构详细设计 186

6.2.3　桁架式结构设计 189

6.3　月球着陆器结构分析与验证 192

6.3.1　月球着陆器结构分析 192

6.3.2　结构设计的验证方法 197

6.3.3　结构静强度的验证 199

6.3.4　结构动力特性的验证 200

6.4　软着陆机构设计 201

6.4.1 着陆腿的数量、构型与几何参数设计 201

6.4.2　缓冲方法的确定 203

6.4.3 缓冲器设计 209

6.4.4　其他组件方案确定 211

6.5　软着陆机构试验 211

6.5.1　静力试验 211

6.5.2　冲击试验 212

6.5.3　缓冲器性能试验 213

6.5.4　展开试验 213

6.5.5　单个着陆腿的缓冲试验 213

6.5.6　着陆腿组合缓冲性能试验 214

参考文献 214

第7章　月球探测器热控系统 216

7.1　概述 216

7.2　航天器热控系统设计基础 216

7.2.1　环境条件的影响 216

7.2.2　航天器在宇宙空间的热平衡分析 218

7.2.3　热控设计的基本依据和主要原则 220

7.2.4　热控措施的选择 221

7.3　常用的热控材料和装置 221

7.3.1　热控涂层 222

7.3.2　多层隔热材料 223

7.3.3　热管 224

7.3.4　电加热器 225

7.3.5　无源主动式热控装置 226

7.3.6　流体循环换热装置 228

7.3.7　热辐射器 229

7.3.8 同位素温差热源在热控设计方案中的应用 229

7.4　热分析计算 231

7.4.1　外热流计算 232

7.4.2　航天器温度计算 233

7.5　热平衡试验 234

7.5.1　空间热环境的模拟 234

7.5.2　热控试验星 237

7.5.3　试验工况 237

7.6　月球探测卫星热控措施简介 237

7.6.1　散热面设计和星表面多层设计 237

7.6.2　卫星内部热控设计 238

7.6.3　热管设计 238

7.6.4　温度传感器设计 238

7.6.5 电加热器 238

7.6.6　加热控制器 238

7.7　月球着陆探测器热控措施简介 239

参考文献 241

第8章 月球探测器制导、导航和控制（GNC）系统 243

8.1　概述 243

8.1.1　月球探测器的飞行方式 243

8.1.2　月球探测器GNC系统任务 244

8.1.3　月球探测器GNC系统的特点 247

8.1.4　月球探测器GNC系统的设计内容 247

8.1.5 GNC系统部件 252

8.2　月球探测器的轨道控制技术 253

8.2.1　轨道控制概述 253

8.2.2　导航 255

8.2.3　轨道预报误差分析 255

8.2.4　逃逸轨道控制 256

8.2.5　转移轨道控制 258

8.2.6　进入段轨道控制 262

8.3　月球卫星的制导、导航和控制系统 268

8.3.1　工作轨道和入轨过程 268

8.3.2 GNC系统功能 269

8.3.3 GNC系统组成 269

8.3.4 GNC系统工作模式 271

8.4　月球软着陆探测器的制导、导航和控制系统 272

8.4.1　任务概貌 272

8.4.2　功能要求 273

8.4.3 GNC系统组成 274

8.4.4　系统工作模式和方案设计 275

参考文献 282

第9章　月球探测器推进系统 283

9.1　概述 283

9.1.1　航天器推进系统简介 283

9.1.2　着陆器对推进系统的需求 284

9.2　推进系统基本原理 285

9.2.1　概述 285

9.2.2　火箭的结构 286

9.2.3　推进系统的分类 287

9.2.4　固体火箭发动机 288

9.2.5　液体推进系统 289

9.2.6　电推进系统 290

9.2.7　空间帆推进技术 295

9.2.8　磁层推进技术 297

9.3　国外典型着陆器推进系统 299

9.3.1　美国月球勘测者探测器（Surveyor） 299

9.3.2 Apollo着陆器 300

9.3.3　前苏联Luna系列月球探测器 301

9.3.4　通用月球着陆者CLL（Common Lunar Lander） 303

9.3.5　美国月球前哨站FLO（First Lunar Outpost） 304

9.3.6　乘员探索飞行器CEV（Crew Exploration Vehicle）计划 305

参考文献 308

第10章　月球探测器电源系统 310

10.1　概述 310

10.2　电源系统设计的要求 310

10.2.1 电源系统设计的基本要求 310

10.2.2　月球探测器的特殊要求 311

10.3　太阳电池阵／蓄电池组联合电源 314

10.3.1　太阳阵 314

10.3.2　贮能装置 320

10.3.3　电源控制设备 330

10.3.4　几种典型的电源系统拓扑结构 336

10.4　放射性同位素温差发电器 342

10.4.1　概述 342

10.4.2　放射性同位素热源 342

10.4.3　热源盒 344

10.4.4　温差电换能器 345

10.4.5　热辐射器 347

10.4.6　放射性同位素温差发电器的进展 348

10.4.7　空间核电源的安全 351

参考文献 351

第11章　月球探测器跟踪通信系统 353

11.1　概述 353

11.2　测控（TT＆C）技术 354

11.2.1 角跟踪和测角技术 354

11.2.2　测速技术 357

11.2.3　测距技术 360

11.2.4　遥测 362

11.2.5　遥控 367

11.3　通信技术 371

11.3.1　光机扫描成像遥感器 372

11.3.2　推扫式扫描成像遥感器 372

11.3.3　画幅式成像遥感器 373

11.4　调制和解调体制 374

11.4.1　残余载波调制体制（TT＆C） 374

11.4.2　抑制载波调制体制（高速数据率通信／数传） 376

11.4.3　调制体制和误码率（BER）、信噪比（SNR）和占用带宽（Bc）之间的关系 376

11.5　月球探测C＆T的空间段 380

11.5.1　阿波罗（Apollo）计划的跟踪、遥测、遥控和通信系统 381

11.5.2　美国克莱门汀（Clementine）月球探测器所采用的通信测控技术 384

11.5.3　美国月球勘探者号（Lunar Procpector,LP）采用的C＆T技术 385

11.5.4　前苏联／俄罗斯月球探测所用的TT＆C技术空间段 388

11.5.5 日本探月计划极月轨道器（LPO）采用的C＆T技术 391

11.5.6 日本Selene（月神号）的C＆T技术 392

11.5.7　欧空局月球探测拟采用的C＆T技术 393

11.6　月球探测C＆T的地面段 393

11.6.1 美国NASA的深空网（DSN） 394

11.6.2　俄罗斯的深空网 397

11.6.3 日本的深空站 398

11.6.4　德国的深空站 400

11.7　月球探测C＆T运行模式特点 400

11.7.1　主动段 400

11.7.2　停泊轨道段 400

11.7.3　地月转移轨道段 400

11.7.4　环月轨道段 401

11.7.5　制动月面着陆段 402

11.7.6　着陆固定勘测或移动勘测段——建立月球站 402

参考文献 402

第12章　月球探测器综合电子系统 404

12.1　概述 404

12.2　深空探测器综合电子系统的主要功能和设计特点 405

12.2.1 主要功能 406

12.2.2　设计特点 407

12.3　深空探测器综合电子系统体系结构和分层模型 407

12.3.1　集中式体系结构 408

12.3.2　分布式体系结构 409

12.3.3　分层模型 411

12.4　深空探测器综合电子系统计算机技术应用 418

12.4.1　嵌入式系统 418

12.4.2　总线技术 421

12.4.3　大容量存储技术 425

12.4.4 COTS器件应用 426

12.5　深空探测器综合电子系统功能设计 427

12.5.1　遥控遥测功能设计 427

12.5.2　时钟管理设计 427

12.5.3　深空探测器程序控制功能设计 428

12.5.4　数据处理功能设计 429

12.5.5 自主控制功能设计 429

12.5.6　综合电子系统内务管理设计 430

12.5.7　其他功能 431

12.6　深空探测器综合电子系统软件 432

12.6.1　概述 432

12.6.2　软件设计特点 432

12.6.3　软件在轨维护 433

12.7　综合电子系统集成设计和测试 435

12.7.1　航天器系统功能和信息流分析 435

12.7.2　电子系统硬件综合设计平台 435

12.7.3　星载软件开发、测试、评测、配置项管理和软硬件协同仿真平台的建设 436

12.7.4　航天器电子系统信息数据库建设 436

12.7.5　航天器电子系统故障检测验证 437

参考文献 437

第13章　月球探测器可靠性设计 438

13.1　概述 438

13.2　航天器可靠性的指标确定、分配和可靠性预计 440

13.2.1　航天器的可靠性指标 440

13.2.2　可靠性指标分配 441

13.2.3　可靠性预计 441

13.3　航天器故障预想 442

13.3.1　故障模式及其影响分析 442

13.3.2　故障树分析（FTA） 444

13.4　航天器可靠性评估（Bayes方法） 451

13.4.1　指数寿命型系统可靠度 451

13.4.2　成败型系统可靠度 454

13.4.3　正态分布下的性能可靠度 456

13.4.4 威布尔分布的性能可靠度近似解 457

13.4.5 系统可靠性评估示例 461

13.5　软件可靠性简述 462

13.5.1　软件的特点 463

13.5.2　软件的可靠性验证试验 463

13.5.3　软件的无失效考核交付试验 463

13.5.4　软件可靠性评价 464

13.6　可靠性管理简述 464

13.7　航天器可靠性发展趋势 465

参考文献 466

第14章　月球车 468

14.1　概述 468

14.2　国外相关情况 469

14.2.1 国外成功的不载人月球车、行星车 469

14.2.2　国外月球探测计划中的月球车 471

14.2.3　国外典型的地面试验车 472

14.2.4　国外探测车的启示 473

14.3　系统组成及功能 474

14.3.1 系统组成 474

14.3.2　工作程序 475

14.3.3　主要工作模式 475

14.4　月球环境的影响分析 476

14.4.1　地月几何特征分析 476

14.4.2　辐射环境效应分析 476

14.4.3　真空环境效应分析 477

14.4.4　低重力影响分析 477

14.4.5　地形地貌影响分析 477

14.4.6　月壤以及月尘的影响分析 477

14.4.7　月表温度影响分析 478

14.4.8　月面光照条件分析 478

14.5　月球车任务分析 479

14.5.1 移动类型 479

14.5.2　轮子数量 479

14.5.3　运动速度和路程确定 480

14.5.4　爬坡和越障分析 480

14.5.5　安全防护和自主导航控制能力分析 480

14.5.6　工作寿命与过夜分析 481

14.6　移动技术 481

14.6.1　移动子系统 481

14.6.2　六轮运动学分析 483

14.6.3　正反四边形悬架 488

14.6.4　月球车移动机构性能及其评价体系 492

14.7　制导、导航与控制技术 494

14.7.1 GNC系统结构 494

14.7.2 GNC硬件系统 496

14.7.3　导航与控制技术 496

14.8　月球车试验场 499

14.8.1　国外试验场情况 499

14.8.2　重力模拟 502

14.8.3　内场与外场试验 504

参考文献 504

第15章　月球探测器环境与环境试验 506

15.1　概述 506

15.2　月球探测器环境 506

15.2.1　地面环境 507

15.2.2　主动段环境 507

15.2.3　空间飞行环境 509

15.2.4　月面环境 510

15.2.5　返回环境 510

15.3　环境对月球探测器的影响 510

15.3.1　月球探测器对力学环境的结构响应 510

15.3.2　月球探测器的空间环境效应 512

15.4　月球探测器环境试验 513

15.4.1　环境试验目的 514

15.4.2　环境试验分类 514

15.4.3　环境试验的剪裁 516

15.4.4　再试验 517

15.5　力学环境试验 518

15.5.1　结构静载荷试验 518

15.5.2　正弦振动试验 519

15.5.3　随机振动试验 519

15.5.4　噪声试验 520

15.5.5　冲击试验 521

15.5.6　加速度试验 523

15.6　热环境试验 523

15.6.1　真空热平衡试验 523

15.6.2　热真空试验 524

15.6.3　常压热循环试验 525

15.7　空间环境试验 526

15.7.1　真空放电试验 526

15.7.2　真空冷焊试验 526

15.7.3　辐照试验 527

15.8　电磁兼容性试验 527

参考文献 528