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第1章 空间系统工程与管理 1

1.1 引言 1

1.2 系统工程基础 1

1.3 系统工程中的概念 4

1.3.1 功能分析 4

1.3.2 验证与确认 4

1.3.3 技术成熟度 5

1.3.4 质量裕量 5

1.3.5 收益分析 6

1.4 项目开发流程 7

1.5 航天系统开发管理 12

1.5.1 系统工程管理计划 13

1.5.2 项目评审 14

1.5.3 接口控制文档 17

1.5.4 配置管理 19

1.5.5 工作定义和工作分解结构 20

1.5.6 任务调度 24

1.5.7 成本估计 31

1.5.8 挣值管理 33

1.5.9 风险管理 34

1.6 组织 36

1.7 习题 38

参考文献 42

第2章 空间环境 43

2.1 地球空间环境 43

2.2 引力 44

2.3 大气层 46

2.3.1 高度特性 46

2.3.2 热成层和外大气层的变化 50

2.4 电离层 53

2.4.1 电离 54

2.4.2 等离子体频率 59

2.4.3 德拜长度 61

2.4.4 航天器带电 64

2.4.5 撞击-尾流效应 65

2.5 磁层 65

2.5.1 地球内部磁场 65

2.5.2 太阳风的影响 68

2.5.3 带电粒子在偶极子磁场的运动 69

2.5.4 磁层的分区 78

2.5.5 磁暴和亚磁暴 84

2.6 辐射 85

2.7 行星际介质 87

2.8 习题 87

参考文献 89

第3章 航天动力学 92

3.1 引言 92

3.2 动力学原理 93

3.3 中心引力作用下的二体运动 98

3.3.1 运动方程 98

3.3.2 二体中心引力问题的解 100

3.3.3 圆轨道 104

3.3.4 椭圆轨道 105

3.3.5 抛物线轨道 108

3.3.6 双曲线轨道 109

3.4 参考坐标系 110

3.4.1 基本原理 110

3.4.2 国际天球参考系 112

3.4.3 国际地球参考系统 113

3.4.4 IERS地球指向参数 113

3.4.5 轨道根数 115

3.5 时间系统 116

3.5.1 儒略历 117

3.5.2 格利高里日历 118

3.5.3 国际原子时 118

3.5.4 力学时 118

3.5.5 坐标时 119

3.5.6 恒星时 119

3.5.7 世界时 120

3.5.8 世界协调时 122

3.5.9 全球定位系统时间 122

3.6 轨道摄动理论基础 123

3.6.1 拉格朗日行星方程 124

3.6.2 Euler-Hill方程 125

3.7 轨道摄动 126

3.7.1 质量非均匀分布 126

3.7.2 太阳和月球 129

3.7.3 地球固体潮 129

3.7.4 大气阻力 130

3.7.5 辐射压力 135

3.8 定轨 135

3.8.1 两行轨道根数 137

3.8.2 全球定位系统 138

3.9 航天器覆盖率 139

3.9.1 覆盖公式 139

3.9.2 仰角和方位角指向 140

3.9.3 多普勒频移 141

3.9.4 典型轨道特性 141

3.10 行星际轨道 143

3.10.1 引力助推 143

3.10.2 圆锥曲线拼接 144

3.10.3 气动制动 145

3.10.4 拉格朗日平动点 146

3.11 习题 147

参考文献 151

第4章 航天器推进、发射系统和发射力学 154

4.1 简介 154

4.2 火箭推进的基本方程 154

4.3 热力学关系 158

4.4 喷管 166

4.5 无外力作用下的火箭运动 167

4.6 重力作用下的火箭运动 172

4.7 发射飞行力学 175

4.7.1 简介 175

4.7.2 重力转向轨迹 176

4.7.3 上升进入轨道 179

4.7.4 发射场 179

4.7.5 发射窗口 181

4.8 轨道转移 181

4.8.1 简介 181

4.8.2 拉格朗日行星方程 182

4.8.3 霍曼转移 183

4.8.4 双椭圆轨道转移 185

4.8.5 选择性轨道变换 185

4.9 固体推进系统 186

4.9.1 简介 186

4.9.2 发动机壳体 187

4.9.3 绝热层 187

4.9.4 推进剂 188

4.9.5 点火器 191

4.9.6 喷管 191

4.9.7 推力矢量控制 192

4.10 液体推进系统 194

4.10.1 简介 194

4.10.2 推进剂 195

4.10.3 推进剂流量控制 198

4.10.4 喷注器 198

4.10.5 点火器 199

4.10.6 推力室 199

4.10.7 推力控制 200

4.10.8 举例 200

4.11 冷气系统 204

4.12 固液混合火箭 204

4.13 电推进系统 205

4.13.1 简述 205

4.13.2 电热推进 206

4.13.3 静电推进（离子推进） 207

4.13.4 电磁推力器 208

4.14 其他推进系统 209

4.14.1 核能 209

4.14.2 太阳帆 210

4.15 推进系统估算 210

4.16 习题 212

第5章 航天器姿态确定与控制 216

5.1 简介 216

5.2 姿态描述 217

5.2.1 右手正交坐标系 218

5.2.2 正交变换 220

5.2.3 旋转矩阵 223

5.2.4 欧拉角 225

5.2.5 四元数 228

5.2.6 更多参考资料 230

5.3 姿态运动学 230

5.3.1 运动坐标系的变化率 230

5.3.2 方向余弦矩阵的运动学公式 232

5.3.3 欧拉角描述的运动学公式 233

5.3.4 运动学公式（四元数） 234

5.3.5 更多参考资料 234

5.4 姿态测量 235

5.4.1 磁强计 235

5.4.2 太阳敏感器 236

5.4.3 地球地平线敏感器（地平仪） 238

5.4.4 星敏感器 241

5.4.5 陀螺仪 242

5.4.6 航天器敏感器配置 243

5.4.7 更多参考资料 244

5.5 姿态估计 245

5.5.1 确定性三轴姿态确定 245

5.5.2 最优三轴姿态确定 246

5.5.3 Newton-Raphson方法 247

5.5.4 旋转轴的姿态确定 248

5.5.5 卡尔曼滤波 249

5.5.6 更多参考资料 250

5.6 姿态动力学 250

5.6.1 角动量和欧拉方程 250

5.6.2 刚体的无力矩运动 253

5.6.3 对称航天器的详细姿态运动 254

5.6.4 航天器力矩 256

5.6.5 磁力矩 256

5.6.6 重力梯度力矩 257

5.6.7 气动力矩 258

5.6.8 太阳辐射力矩 260

5.6.9 姿态仿真 261

5.6.10 更多参考资料 262

5.7 姿态执行器 262

5.7.1 动量轮和反作用飞轮 262

5.7.2 磁力矩器 263

5.7.3 推力器 263

5.7.4 章动阻尼器 264

5.7.5 溜溜球消旋 265

5.7.6 更多参考资料 266

5.8 姿态控制 266

5.8.1 反作用控制 266

5.8.2 磁力控制 270

5.8.3 自旋稳定 272

5.8.4 重力梯度稳定 273

5.8.5 重力梯度稳定和自旋稳定的组合 276

5.8.6 章动阻尼 276

5.8.7 标准姿态控制系统 276

5.8.8 振动 277

5.8.9 更多参考资料 277

5.9 实际航天器任务 278

5.9.1 磁场卫星（Magsat） 278

5.9.2 TIMED航天器 284

5.9.3 彗核之旅航天器 286

5.9.4 更多参考文献 288

5.10 习题 289

参考文献 293

第6章 航天器电源系统 297

6.1 简介 297

6.2 空间环境 297

6.2.1 太阳能 297

6.2.2 地球的辐射环境 298

6.3 轨道因素 298

6.3.1 地心赤道坐标系 298

6.3.2 航天器位置 299

6.3.3 太阳位置 300

6.3.4 轨道、地影区和光照周期 300

6.3.5 太阳能电池阵分析 302

6.4 能源 304

6.4.1 能源类型 304

6.4.2 放射性同位素温差发电器 306

6.4.3 太阳能电池 309

6.5 太阳电池阵 327

6.5.1 阵列结构 327

6.5.2 串并联效应 329

6.5.3 磁场的相关注意事项 332

6.6 储能装置 333

6.6.1 电化学电池 333

6.6.2 航天器电池组 336

6.6.3 燃料电池 360

6.7 太阳电池阵的功率控制技术 362

6.7.1 分流调节器 362

6.7.2 串联式调节器 366

6.8 航天电源系统 367

6.8.1 直接能量转移系统 367

6.8.2 非直接能量转移系统 374

6.8.3 电源系统设计案例 375

6.9 结论 382

6.10 习题 382

参考文献 385

第7章 航天器热控 387

7.1 简介 387

7.2 设计程序概要 388

7.3 分析 389

7.4 热分析 390

7.5 传导 391

7.6 对流 391

7.7 节点近似值 392

7.8 方向依赖性材料属性 394

7.9 辐射 395

7.9.1 辐射特性 395

7.9.2 真实表面之间的辐射交换 398

7.10 稳态和瞬态 400

7.11 环境热量输入 401

7.12 轨道定义 405

7.13 分析软件 406

7.14 设计过程 406

7.15 热控硬件 408

7.15.1 散热器 408

7.15.2 加热器 410

7.15.3 多层绝热 411

7.15.4 百叶窗 413

7.15.5 热管道 413

7.15.6 倍增器 416

7.16 测试 416

7.16.1 工程测试 416

7.16.2 部件级测试 417

7.16.3 系统级测试 417

7.17 设计案例 418

7.17.1 直射太阳能加热——热轨道案例 418

7.17.2 直射太阳能加热——冷轨道案例 419

7.17.3 反射加热——热轨道案例 420

7.17.4 反射加热——冷轨道案例 420

7.17.5 地球红外辐射加热——冷轨道案例 421

7.17.6 地球红外辐射加热——热轨道案例 422

7.17.7 总结 424

7.18 习题 424

第8章 航天器结构设计 427

8.1 简介 427

8.2 航天器系统需求 428

8.3 航天器构型设计 430

8.4 质量特性约束与估算 437

8.4.1 质量特性约束 437

8.4.2 质量预算 437

8.5 航天器结构设计准则——发射环境 441

8.5.1 起飞 441

8.5.2 最大风力与跨音速抖振 442

8.5.3 助推器分离 442

8.5.4 挡热板分离 444

8.5.5 旋转稳定 444

8.5.6 航天器分离 444

8.6 运行环境 444

8.6.1 推进系统 444

8.6.2 展开动力学 444

8.6.3 超稳结构 445

8.6.4 挠性结构控制系统 445

8.6.5 再入轨道与再使用 445

8.7 结构设计与试验准则 445

8.7.1 航天器设计准则 447

8.7.2 部件设计准则 451

8.7.3 安全系数与安全裕量 453

8.8 应力分析 456

8.8.1 正应力 457

8.8.2 切应力 462

8.8.3 屈曲条件 465

8.9 结构类型 470

8.10 结构负载路径 473

8.11 热应力 475

8.12 复合应力与应力比 477

8.13 材料 482

8.13.1 金属 482

8.13.2 复合材料 485

8.14 结构动力学 488

8.14.1 单自由度 488

8.14.2 连续系统 492

8.15 有限元分析 501

8.15.1 静力学分析 502

8.15.2 动力学分析 506

8.16 发射负载——动力学耦合分析 508

8.17 结构试验与验证 509

8.17.1 强度试验 510

8.17.2 振动试验 510

8.17.3 正弦振动试验 511

8.17.4 低振幅正弦扫频试验 511

8.17.5 高振幅正弦扫频试验 512

8.17.6 正弦脉冲试验 512

8.17.7 正弦驻波试验 513

8.17.8 随机振动试验 513

8.17.9 水平随机振动试验 514

8.17.10 工艺随机振动试验 514

8.17.11 冲击试验 515

8.17.12 噪声试验 515

8.17.13 模态试验 516

8.17.14 旋转平衡试验 516

8.18 习题 517

第9章 空间通信 526

9.1 概述 526

9.2 无线电波传播 530

9.2.1 天线及方向性增益 530

9.2.2 增益与天线面积 531

9.2.3 单向雷达范围方程 531

9.2.4 分贝 531

9.2.5 天线的一些性质 532

9.2.6 空间信道中的传播效果 535

9.3 载波频率的调制 537

9.3.1 模拟调制 538

9.3.2 复用及数字调制 539

9.4 噪声——通信的扰动 544

9.4.1 噪声来源 545

9.4.2 系统噪声温度 546

9.4.3 信噪比 548

9.4.4 链路裕量 548

9.5 航天通信链路设计示例 549

9.6 特殊通信概念 553

9.6.1 光通信 553

9.6.2 纠错码 553

9.6.3 加密及认证 554

9.6.4 低概率截获（LPI）通信 555

9.6.5 抗阻塞技术 557

9.6.6 距离及距离-速率跟踪 557

9.7 习题 558

第10章 航天器遥控与遥测 560

10.1 遥控系统 560

10.1.1 通用航天器遥控指令系统 560

10.1.2 遥控系统组件 562

10.1.3 系统需求 574

10.1.4 资源需求 574

10.2 遥测系统 575

10.2.1 传感器 576

10.2.2 信号调节 577

10.2.3 信号选择 577

10.2.4 到数字格式的转换 578

10.2.5 处理 579

10.2.6 格式 580

10.2.7 数据存储 580

10.2.8 调制及传输 580

10.2.9 自治 580

10.2.10 要求的资源 582

10.3 习题 582

参考文献 583

第11章 星载计算机 585

11.1 中央处理单元 586

11.2 存储器 586

11.2.1 只读存储器 587

11.2.2 随机访问存储器 587

11.2.3 特殊存储器 587

11.3 大容量存储 588

11.3.1 磁盘 588

11.3.2 固态存储器 588

11.4 输入／输出 589

11.4.1 端口 589

11.4.2 直接存储器访问 590

11.4.3 多端口存储器 591

11.4.4 中断 591

11.4.5 定时器 592

11.4.6 总线接口 592

11.5 故障容错 593

11.5.1 抗辐射性 593

11.5.2 单粒子翻转 594

11.5.3 CMOS闩锁 594

11.5.4 奇偶性 597

11.5.5 错误检测及纠正 597

11.5.6 三重模件冗余 603

11.5.7 多执行 603

11.5.8 故障回滚 604

11.5.9 看门狗定时器 604

11.5.10 错误序列检测 605

11.6 定制的特殊用途外围设备 605

11.6.1 数据获取 605

11.6.2 对数及数据压缩 606

11.6.3 频域转换 606

11.6.4 频谱累积 606

11.6.5 图像处理 607

11.7 超大规模集成 607

11.8 习题 608

参考文献 609

第12章 嵌入式软件系统 611

12.1 简介 611

12.1.1 优势 612

12.1.2 缺点 612

12.2 工程飞行软件 612

12.3 软件配置管理 614

12.4 组织 614

12.5 规模及估计 616

12.6 重用 617

12.7 过程 617

12.8 软件检查 619

12.9 软件测试 620

12.10 软件独立验证及确认 622

12.11 软件质量保证 623

12.12 习题 623

参考文献 624

第13章 航天器可靠性、质量保证和辐射效应 626

13.1 简介 626

13.1.1 可靠性 626

13.1.2 质量保证 626

13.2 可靠性 627

13.2.1 系统可靠性 627

13.2.2 可靠性评估工具：环境 632

13.2.3 可靠性评估工具：数学 635

13.2.4 安全性 643

13.3 质量保证及零件选择 645

13.3.1 系统性控制 645

13.3.2 审查 651

13.3.3 发射现场支持 652

13.3.4 航天系统可靠性——NEAR任务案例历史 653

13.4 辐射 655

13.4.1 电离效应 656

13.4.2 位移损坏 660

13.4.3 单粒子效应 664

13.4.4 辐射效应问题解决方案 670

13.5 习题 673

参考文献 674

第14章 航天器集成与测试 676

14.1 简介 676

14.1.1 航天器设计 676

14.1.2 术语 676

14.1.3 设计过程概述 677

14.2 集成和测试计划 682

14.2.1 电气设计交互 682

14.2.2 热设计交互 683

14.2.3 机械设计交互 683

14.2.4 技术交流会 683

14.2.5 地面支持系统 684

14.2.6 机械模型 686

14.2.7 集成顺序 686

14.3 集成与测试设施 688

14.3.1 设施进度安排 688

14.3.2 设施清洁作业 689

14.3.3 便携式设备 689

14.3.4 测试设备 690

14.3.5 运输 690

14.4 验证方案 690

14.4.1 测试序列 690

14.4.2 测试计划与流程 691

14.4.3 子系统等级测试 692

14.4.4 航天器子系统测试 695

14.4.5 航天器级系统测试 697

14.4.6 发射场测试 700

14.5 习题 700

第15章 空间任务操作 702

15.1 引言 702

15.2 地面辅助系统结构和团队接口 702

15.2.1 任务操作中心 703

15.2.2 跟踪网络 704

15.2.3 有效载荷操作中心和有效载荷数据档案 704

15.2.4 航天器和有效载荷 704

15.2.5 支持的任务操作 705

15.2.6 核心任务操作团队 705

15.3 任务阶段和核心操作团队的责任 705

15.3.1 任务概念开发阶段 706

15.3.2 任务要求和设计阶段 707

15.3.3 飞行系统和地面系统开发阶段 707

15.3.4 整合及环境测试 708

15.3.5 发射和转运 708

15.3.6 主要任务阶段 708

15.4 任务多样性 710

15.5 操作实践标准 712

15.5.1 任务操作的概念 712

15.5.2 配置管理 713

15.5.3 飞行约束的应用 713

15.5.4 培训和检验 714

15.5.5 实时操作 714

15.5.6 文件编制 714

15.5.7 应急计划 715

15.5.8 航天器性能评估 715

15.6 习题 716

第16章 纳星概念设计 718

16.1 引言 718

16.2 任务描述 718

16.3 任务背景 718

16.4 系统需求 719

16.5 运行管理概念 721

16.6 风险评估 722

16.7 航天动力学 722

16.8 航天器结构 722

16.8.1 水平支撑 725

16.8.2 对角支撑 727

16.8.3 小结 727

16.9 姿态确定和控制子系统 729

16.10 电源子系统 732

16.11 热控子系统 734

16.12 通信子系统 737

16.13 项目流程 741

参考文献 742

附录A 单位、换算因子和常数 743

附录B 天体物理常数 746

中英文对照表 753