航天器系统工程PDF电子书下载

第1章　空间环境及其对航天活动的影响 1

1.1　概述 1

1.2　太阳及其活动 2

1.2.1　太阳电磁辐射 2

1.2.2　太阳风 2

1.2.3　太阳活动 2

1.3　地球空间环境 4

1.3.1　引力场与微重力 4

1.3.2　中性大气 5

1.3.3　真空 7

1.3.4　电离层 7

1.3.5　磁场与磁层 8

1.3.6　高能粒子辐射环境 10

1.3.7　微流星体和空间碎片 13

1.4　行星际空间环境 14

1.5　空间环境对航天器运行的影响 14

1.5.1　对航天器运行轨道的影响 14

1.5.2　姿态干扰 16

1.6　空间环境对结构和材料的影响 16

1.6.1　辐射损伤 16

1.6.2　材料放气 18

1.6.3　污染 19

1.6.4　材料表面的原子氧剥蚀 19

1.6.5　撞击损伤 21

1.6.6　接触表面黏着和冷焊 21

1.7　航天器充电与放电 22

1.7.1　真空放电 22

1.7.2　微放电 22

1.7.3　表面静电充放电 22

1.7.4　体内放电 23

1.7.5　低压静电充放电 23

1.8　电离层对电波传播的影响 24

1.8.1　吸收与衰减 24

1.8.2　折射 24

1.8.3　法拉第旋转 25

1.9　空间环境对电子器件的影响 26

1.9.1　热环境 26

1.9.2　辐射损伤 26

1.9.3　单粒子事件及其对策 27

1.10　空间环境对航天员的影响 28

1.10.1　真空 28

1.10.2　微重力 28

1.10.3　辐射损伤 29

参考文献 30

第2章　航天器动力学 31

2.1　概述 31

2.1.1　质心的平动与绕质心的转动 31

2.1.2　航天器的姿态与轨道 32

2.2　航天器轨道动力学 32

2.2.1　二体问题 32

2.2.2　轨道确定 35

2.2.3　轨道摄动 37

2.2.4　限制性三体问题 42

2.3　航天器姿态动力学 43

2.3.1　姿态参考系与姿态参数 43

2.3.2　姿态动力学方程 44

2.3.3　主要环境力矩 46

参考文献 51

第3章　航天任务分析 52

3.1　概述 52

3.1.1　航天任务 52

3.1.2　航天系统 52

3.1.3　航天任务阶段 53

3.1.4　航天任务分析 53

3.1.5　用户需求和任务目标 54

3.2　任务需求分析和可行性论证 55

3.2.1　任务需求分析 55

3.2.2　可行性论证 56

3.2.3　任务分析的成功案例 58

3.3　有效载荷 58

3.3.1　通信有效载荷 59

3.3.2　导航有效载荷 59

3.3.3　遥感有效载荷 59

3.3.4　科学仪器 60

3.4　航天器轨道 60

3.4.1　航天器轨道 60

3.4.2　航天器轨道描述 60

3.4.3　星下点轨迹 62

3.4.4　轨道摄动 63

3.4.5　轨道转移 65

3.5　运行轨道选择与分析 67

3.5.1　轨道类型选择 67

3.5.2　轨道参数的选择与设计 68

3.5.3　航天任务的常用轨道 68

3.6　覆盖分析 72

3.6.1　地面站对轨道的覆盖 72

3.6.2　航天器对地面的覆盖 73

3.6.3　航天器的地面瞬时覆盖区 73

3.6.4　航天器的地面覆盖带 74

3.7　星座 75

3.7.1　提高重访频率 75

3.7.2　星座的连续覆盖 76

3.7.3　星座的构型 77

3.7.4　多重覆盖 78

3.8　航天器的地影星食 79

3.8.1　圆轨道的地影星食 79

3.8.2　地球静止轨道的地影星食 80

3.8.3　椭圆轨道的地影星食 81

3.9　行星际飞行任务 82

3.9.1　圆锥轨道拼接 82

3.9.2　飞往行星的轨道 83

3.9.3　行星引力机动 85

参考文献 86

第4章　航天器姿态与轨道控制 87

4.1　概述 87

4.1.1　姿态与轨道控制的作用 87

4.1.2　几种姿态稳定方式 87

4.1.3　控制系统设计的目标与约束条件 89

4.1.4　姿控系统的组成 89

4.2　姿态敏感器与姿态确定 89

4.2.1　姿态敏感器 89

4.2.2　姿态确定方法 92

4.3　姿态执行机构 93

4.3.1　主要姿态执行机构 93

4.3.2　如何选择执行机构 93

4.4　姿态控制率的设计 93

4.4.1　喷气姿控系统设计 93

4.4.2　动量交换装置姿控系统概述 95

4.4.3　零动量轮控制系统的设计 97

4.4.4　偏置动量系统的设计 100

4.5　轨道控制 104

4.5 1　概述 104

4.5.2　霍曼变轨 105

4.5.3　实用变轨计算 106

4.5.4　太阳同步轨道控制 107

4.5.5　太阳同步轨道的维持 109

4.5.6　推力模型与在轨标定 110

4.6　推进系统 111

4.6.1　推进系统的作用和工作原理 111

4.6.2　姿态轨道控制对推进系统的要求 111

4.6.3　推进系统分类 112

4.6.4　推进系统研制的主要问题 119

参考文献 123

第5章　航天器结构与机构 124

5.1　概述 124

5.1.1　航天器结构与机构的定义 124

5.1.2　航天器结构与机构的主要功能 124

5.1.3　航天器结构与机构的主要类型 126

5.2　航天器载荷 130

5.2.1　载荷的性质 130

5.2.2　载荷的来源 131

5.2.3　载荷的确定 131

5.2.4　力学环境试验的载荷条件 132

5.3　航天器结构与机构材料 133

5.3.1　对材料的性能要求 133

5.3.2　金属材料 134

5.3.3　复合材料 136

5.3.4　航天器结构与机构材料的选择 139

5.4　航天器结构设计 139

5.4.1　结构设计的特点 139

5.4.2　结构设计的技术要求 140

5.4.3　结构方案设计 140

5.4.4　结构强度验证 143

5.5　航天器结构分析 144

5.5.1　结构分析的基本概念、重要性和方法 144

5.5.2　静力分析 145

5.5.3　模态分析 147

5.5.4　动态响应分析 147

5.6　航天器机构设计 148

5.6.1　机构设计的特点 148

5.6.2　机构设计的技术要求 149

5.6.3　力矩裕度 149

5.6.4　机构可靠性 150

5.6.5　机构润滑设计 151

5.7　航天器结构与机构举例——太阳翼 152

5.7.1　太阳翼构造 152

5.7.2　太阳翼结构 154

5.7.3　太阳翼机构 154

5.7.4　太阳翼特性分析 156

5.7.5　太阳翼试验 158

5.8　航天器结构与机构的发展 159

5.8.1　航天器结构与机构的发展趋势 159

5.8.2　新型航天器结构与机构举例 160

参考文献 162

第6章　航天器热控制 164

6.1　概述 164

6.1.1　航天器热控制系统的任务 164

6.1.2　航天器热控制系统的需求分析 165

6.2　传热学基础 166

6.2.1　空间传热的特点 166

6.2.2　辐射传热的基本概念 166

6.2.3　热传导基础 168

6.2.4　对流换热 169

6.3　空间热环境 170

6.3.1　真空和低温 170

6.3.2　空间热辐射 170

6.3.3　与航天器热性能有关的其他空间环境 173

6.3.4　航天器热控制的基本原理 174

6.4　航天器被动和主动热控制技术 175

6.4.1　航天器被动热控制技术简介 175

6.4.2　航天器主动热控制技术简介 183

6.4.3　空间辐射器 187

6.5　航天器热分析模型基础 188

6.5.1　热网络模型的数学描述 189

6.5.2　建立热分析模型应注意的问题 190

6.5.3　热分析技术简介 191

6.6　航天器热控制系统设计 192

6.6.1　航天器热控制系统设计概述 192

6.6.2　典型部件热设计 193

6.6.3　航天器电子设备热设计简介 194

6.6.4　光-机-热一体化设计简介 195

6.7　航天器热设计的试验验证 196

6.7.1　整星（船）热平衡试验的目的 197

6.7.2　整星（船）热平衡试验方法 197

6.8　航天器热控制技术的发展动向 200

6.8.1　航天器的需求推动热控技术的发展 200

6.8.2　热控制系统自身发展的需要 200

参考文献 201

第7章　航天器电源技术 202

7.1　概述 202

7.1.1 电源分系统基本组成 202

7.1.2　太阳电池阵／蓄电池组电源系统特性 203

7.1.3　影响太阳电池阵／蓄电池组电源系统设计的因素 205

7.1.4　航天器电源分系统可靠性 207

7.1.5　接口控制 209

7.2　发电技术 209

7.2.1　能源转换器件及发电装置的选择 209

7.2.2　太阳电池 210

7.2.3　太阳电池阵 211

7.2.4　发电新技术 219

7.2.5　其他发电装置 220

7.3　储能技术 221

7.3.1　Cd-Ni蓄电池 221

7.3.2　H2-Ni蓄电池 225

7.3.3　锂离子蓄电池 229

7.3.4　新储能方法 230

7.4　电源控制技术 231

7.4.1 电源控制装置功能和组成 231

7.4.2　一次电源母线 231

7.4.3　太阳电池阵的功率调节 233

7.4.4　蓄电池组放电控制和放电功率调节 237

7.4.5　充电功率调节和过充电保护控制 239

7.4.6　蓄电池组在轨再调整 241

7.4.7　多母线并网 242

7.4.8　智能电源管理 242

7.5　总体电路 243

7.5.1　航天器配电体制 243

7.5.2　总体电路的任务及组成 243

7.5.3　航天器配电器 244

7.5.4　火工品起爆控制器（管理器） 245

7.5.5　航天器电缆网 246

7.5.6　电源变换器 249

7.5.7　功率管理和分配新思路 252

参考文献 252

第8章　航天器遥测遥控与空间数据系统 253

8.1　概述 253

8.1.1　航天器遥测 253

8.1.2　航天器遥控 257

8.1.3　航天器测轨定位 260

8.1.4　航天器数据管理系统 261

8.1.5　航天器测控信道编码 263

8.1.6　航天测控地面系统 264

8.2　遥测遥控数管系统的应用设计 266

8.2.1　有效利用遥测资源 266

8.2.2　做好测控数管任务分析 268

8.2.3　注重提高遥控的可靠性和安全性 269

8.2.4　从星地一体化高度优化设计 270

8.2.5　一些重要的测控应用设计准则 275

8.2.6　重视遥测遥控接口 275

8.2.7　保证空间数据安全 277

8.2.8　采用CCSDS体制应做的特殊设计 279

8.3　空间数据系统技术的重要发展方向 281

8.3.1 有效载荷与平台数据流的统一：高级在轨系统 281

8.3.2　近距空间链路数据系统 285

8.3.3　空间文件传输协议 286

8.3.4　空间因特网 287

参考文献 290

第9章　航天器通信 291

9.1　概述 291

9.2　基础理论简介 292

9.2.1　可供使用的频率资源 292

9.2.2　电波传播 294

9.2.3　信息传输 297

9.2.4　干扰与防护 310

9.3　通信系统的工程实现 313

9.3.1　通信条件的建立 314

9.3.2　通信容量的拓展 315

9.3.3　航天器通信设备特有的一些问题 322

9.4　试验与测试有关问题 328

9.4.1　低气压放电和微放电检测 328

9.4.2　互调测试 329

9.4.3　微重力有关问题 329

9.4.4　星载通信系统的系统测试 331

9.4.5　星地对接试验 331

9.4.6　通信系统在轨测试 332

9.5　展望 332

参考文献 333

第10章　航天器天线 334

10.1　概述 334

10.1.1　航天器天线定义 334

10.1.2　航天器天线的分类 334

10.1.3　航天器天线的技术特点 335

10.2　航天器天线性能参数 335

10.2.1　辐射源的场区和功率传输 335

10.2.2　航天器天线电性技术参数 336

10.2.3　航天器天线环境性能参数 344

10.2.4　航天器天线的高可靠性 344

10.2.5　航天器天线的特殊功能与性能 344

10.3　航天器天线设计与研制方法 344

10.3.1　航天器天线的设计内容 344

10.3.2　航天器天线的研制方法 346

10.4　航天器天线的辐射分析 347

10.4.1　场的等效源原理 347

10.4.2　电磁流元和短振子辐射 348

10.4.3　线源辐射 351

10.4.4 口径辐射 353

10.4.5　阵列辐射 358

10.5　航天器天线的工程化问题 362

10.5.1　航天器天线工程化问题的基本内容 362

10.5.2　航天器天线的结构 363

10.5.3　航天器天线的验证试验 364

10.5.4　可靠性工作 368

10.6　航天器天线的EMC问题 368

10.6.1　航天器天线集合的干扰现象 369

10.6.2　航天器天线的无源互调 369

10.6.3　航天器天线的电压击穿 370

10.6.4　航天器天线集合的电磁兼容（EMC）问题 375

10.6.5　航天器天线集合的EMC设计与工程实施 377

10.7　现代航天器天线的CAD/CAE/CAM技术 378

10.7.1　现代航天器天线的电-机-热一体化集成设计概念 378

10.7.2　毫米波高精度反射面天线的CAD/CAE/CAM技术 379

10.7.3　航天器天线集合的电磁CAD模装技术 382

10.8　现代航天器天线面临的技术挑战和机遇 385

10.8.1　大容量、宽频段卫星通信需求 385

10.8.2　航天立体信息网的信息传输需求 387

10.8.3　发展航天器天线新技术 389

参考文献 389

第11章　航天器电磁兼容技术 391

11.1 概述 391

11.1.1　EMC学科发展历史和研究内容 391

11.1.2　基础知识 392

11.1.3　EMC标准 394

11.1.4　EMC技术在航天领域的应用 395

11.2　EMC预测分析的工程应用 395

11.2.1　EMC预测分析原理 396

11.2.2　EMC预测分析方法 397

11.2.3　EMC预测分析案例 398

11.3　航天器EMC设计 402

11.3.1　航天器EMC设计程序 403

11.3.2　航天器EMC设计原则 404

11.3.3　系统级EMC设计要求 405

11.3.4　航天器EMC设计实施 406

11.4　航天器系统EMC试验验证 412

11.4.1　设备和分系统EMC试验验收 413

11.4.2　系统级EMC试验要求 414

11.4.3　系统内EMC试验内容 415

11.4.4　系统间EMC试验内容 416

11.5　EMC管理 417

11.5.1　实施EMC管理的必要性 417

11.5.2　EMC管理内容和方法 418

11.5.3　EMC技术组和EMC培训 418

11.5.4　航天器EMC管理现状 419

11.6　EMC技术发展前景 420

参考文献 423

第12章　航天器软件工程 424

12.1 概述 424

12.1.1　软件定义 424

12.1.2　软件的一般特点 424

12.1.3　航天器软件的特点 425

12.2　软件工程 425

12.2.1　航天器软件工程的重要性 425

12.2.2　软件工程的基本原理 426

12.3　航天器软件工程的基本要求 429

12.3.1　一般要求 429

12.3.2　组织和岗位职责 429

12.3.3　计划（项目）管理 430

12.3.4　软件质量保证 430

12.3.5　配置管理 431

12.4　软件开发过程 432

12.4.1　系统需求分析和设计 432

12.4.2　软件需求分析 433

12.4.3　概要设计 433

12.4.4　详细设计 434

12.4.5　软件实现 434

12.4.6　组装测试 434

12.4.7　确认测试 434

12.4.8　系统联试 434

12.4.9　软件的验收和交付 434

12.4.10　运行维护 435

12.5　航天器软件工程不断改进的途径 435

12.5.1 航天器软件工程的过程改进 435

12.5.2　航天器软件开发技术的研究 437

参考文献 438

第13章　航天器电测 439

13.1　概述 439

13.1.1 航天器电测的内涵 439

13.1.2　试验与测量基本概念 439

13.1.3　航天器寿命期中的测试 442

13.2　航天器总装和试验（AI＆T）技术 443

13.2.1　总装和试验技术常用术语 443

13.2.2　总装和试验计划 444

13.2.3　试验与测试实施 447

13.3　航天器电测及EGSE 451

13.3.1 系统测试概念和策略 451

13.3.2　航天器电测任务 452

13.3.3　测试设计 454

13.3.4　测试三要素：参数、接口和环路 455

13.3.5　电测阶段划分 461

13.3.6　分系统级测试 463

13.3.7　系统级的测试 468

13.3.8　航天器综合测试故障处理 472

13.3.9　电气地面支持设备（EGSE） 473

13.4　航天器电测发展趋势 478

13.4.1　系统的开放性 478

13.4.2　测试与飞行控制的通用性研究 479

13.4.3　虚拟仪器的应用 480

13.4.4　人工智能技术的应用 481

参考文献 481

第14章　航天器环境试验 482

14.1　概述 482

14.1.1　环境试验验证技术 483

14.1.2　环境试验验证的目的、要求和方式 483

14.1.3　环境试验的必要性 484

14.2　试验分类 484

14.2.1　方案阶段试验 484

14.2.2　初样阶段试验 484

14.2.3　正样阶段试验 485

14.2.4　原型飞行试验 485

14.3　试验方法 485

14.4　试验剪裁及试验标准与试验规范 486

14.4.1　试验剪裁 486

14.4.2　国内外航天器环境试验标准 486

14.4.3　环境试验规范 487

14.5　试验验证计划与风险管理 487

14.5.1　试验计划制订的原则 487

14.5.2　试验计划的内容 487

14.5.3　试验验证和风险管理 488

14.6　航天器材料、涂层、器件试验技术 489

14.6.1　空间真空环境试验技术 489

14.6.2　空间电子、质子、紫外辐照环境试验技术 489

14.6.3　原子氧、紫外综合环境试验技术 490

14.7　部件级试验技术 491

14.7.1　空间污染环境试验技术 491

14.7.2　微重力环境试验技术 491

14.7.3　空间碎片、微流星环境的试验技术 494

14.7.4　等离子体环境试验技术 497

14.7.5　太阳辐照环境试验技术 498

14.7.6　冷黑环境的试验验证技术 500

14.8　航天器组件级典型空间环境试验技术 500

14.8.1　加速度（过载）环境试验技术 500

14.8.2　冲击环境试验技术 501

14.8.3　结构模态试验技术 502

14.8.4　红外多光谱遥感器辐射定标试验技术 502

14.8.5　太阳电池阵伸展机构空间环境下展开试验技术 505

14.8.6　抛物面形天线的热变形试验技术 506

14.8.7　星箭分离空间环境试验技术 508

14.8.8　火箭发动机的空间环境试验技术 509

14.8.9　月球环境试验技术 511

14.8.10　航天员出舱热真空试验技术 517

14.9　整星（船）环境试验技术 520

14.9.1　振动环境试验技术 520

14.9.2　噪声环境试验技术 522

14.9.3　热平衡试验技术 523

14.9.4　热真空试验技术 525

14.9.5　磁试验技术 527

14.10　试验技术研究的主要方向 529

参考文献 531

第15章　航天器的集成设计和多学科优化 532

15.1　概述 532

15.1.1　航天器设计的信息特点 532

15.1.2　设计组织的演变 533

15.1.3　设计手段的变化 534

15.2　航天器设计的并行工程实践 535

15.2.1　CALS计划和并行工程 535

15.2.2　波音777的实践 536

15.2.3　NASA JPL和ESA ESTEC的并行工程实践 536

15.2.4　在曲折中前进的并行工程理念 539

15.3　DSM设计结构矩阵和流程优化 540

15.3.1　问题的提出 540

15.3.2　DSM矩阵在项目管理中的应用 541

15.4 自顶向下的设计技术和数字化装配 544

15.4.1　产品设计过程 544

15.4.2　设备支架设计 545

15.4.3　蜂窝夹层板的Top-down设计 546

15.4.4　管路和电缆布局 547

15.4.5　数字化预装配 548

15.4.6　航天器质量特性的集成分析 550

15.4.7　航天器质量特性的检测 553

15.5　产品数据管理系统 554

15.5.1　产品数据管理系统的理念 554

15.5.2　PDM系统的布置策略 556

15.5.3　PDM系统的功能 557

15.5.4 PDM软件和AVIDM系统 558

15.6　航天器的集成设计 558

15.6.1　集成设计的理念 558

15.6.2　IDEAS2集成设计系统 559

15.6.3　SYSTEMA集成系统 562

15.6.4　新一代空间望远镜的光—机—热系统的集成 563

15.7　航天器多学科优化 566

15.7.1　多学科优化的理念 566

15.7.2　MDO的实施组织 568

15.7.3　MDO的应用实例：塞式发动机多学科优化 570

15.8　展望 574

参考文献 575

第16章　航天器工程 577

16.1　概述 577

16.1.1　航天器系统工程范围 577

16.1.2　航天器发射场（航天器发射中心） 577

16.1.3　测控网及测控中心 578

16.1.4　应用系统 578

16.2　运载火箭 581

16.2.1　火箭运动原理和特性 581

16.2.2　多级火箭 582

16.2.3　运载火箭对航天器的制约 583

16.2.4　两种运载火箭发射不同轨道卫星实例 584

16.3　航天器系统工程实施 585

16.3.1　系统工程定义 585

16.3.2　系统工程的目标 585

16.3.3　系统工程设计的决策 585

16.3.4　系统工程设计的内容 587

16.3.5　设计决定因素和折中 588

16.3.6　系统参数估算和分配 588

16.4　航天器研制过程中的产品保证 589

16.4.1　航天器产品保证目的和当前的状况 589

16.4.2　故障模式影响和危害度分析（FMECA） 589

16.4.3　可靠性保证 590

16.4.4　软件产品保证 591

16.4.5　元器件 592

16.4.6　安全性 593

16.5　中巴地球资源卫星 595

16.5.1 中巴地球资源卫星概况及与国外同类卫星的比较 595

16.5.2　卫星有效载荷 597

16.5.3　卫星公用服务平台 599

16.5.4　在轨测试情况 600

16.5.5　为用户研制性能优良的后续星 602

16.6　小卫星工程与应用 602

16.6.1　小卫星概述及定义 602

16.6.2　国外小卫星研制和应用 603

16.6.3　小卫星公用平台的发展 605

16.6.4　小卫星先进技术 606

16.6.5　小卫星设计特色 608

16.6.6　发射小卫星的运载火箭制约 609

参考文献 610

第17章　航天器项目管理 611

17.1　概述 611

17.1.1　项目和项目管理 611

17.1.2　项目群和项目组合 612

17.1.3　航天器项目管理理论和技术的发展及应用 613

17.1.4　航天器项目管理的知识领域 613

17.2　航天器项目阶段划分和策划 616

17.2.1　项目生命期 616

17.2.2　航天器项目生命期及其特点 616

17.2.3　航天器项目阶段划分 617

17.2.4　工程论证阶段 618

17.2.5　工程研制阶段 621

17.2.6　发射和应用阶段 623

17.3　航天器工作分解结构 624

17.3.1　编制标准 625

17.3.2　编制程序 626

17.3.3　WBS的用途 635

17.4　项目网络技术 636

17.4.1　项目网络图 636

17.4.2　从工作包到网络图 636

17.4.3　应遵循的基本规则 637

17.4.4　活动节点法／活动箭线法与完成-开始（F-S）关系 637

17.4.5　网络图技术的实际应用 643

17.5　航天器项目费用管理 647

17.5.1　基本概念和特点 647

17.5.2　航天器项目的资源规划 647

17.5.3　航天器项目费用估算 649

17.5.4　航天器项目费用预算 650

17.5.5　航天器项目费用控制 653

17.5.6　航天器项目的费用审计 654

17.5.7　航天器项目全生命期费用管理 655

17.5.8　航天器项目质量成本 656

17.5.9　挣值法—绩效分析 657

17.6　航天器项目风险管理 659

17.6.1 国际上风险管理的现状 659

17.6.2　风险管理程序及内容 659

17.6.3　应急事件风险管理 662

17.6.4　风险管理的实例 662

17.7　航天器项目国际合作研制管理 667

17.7.1　卫星工程国际合作的原则、政策和模式 667

17.7.2　卫星工程国际合作的实施要素 668

17.7.3　中巴地球资源卫星项目的国际合作研制 669

17.8　展望 673

17.8.1　航天器项目管理理论与实践结合 674

17.8.2　中国航天器项目管理发展趋势 674

参考文献 676