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第1章 概述 1

1.1 航天飞机设计历程 1

1.2 航天飞机应用历程 4

第2章 航天飞机总体设计 6

2.1 简介 6

2.2 航天飞机总体布局 6

2.2.1 航天飞机布局 6

2.2.2 主要总体参数 7

2.3 航天飞机主要分系统 10

2.3.1 轨道器 10

2.3.2 外贮箱 12

2.3.3 固体助推器 16

2.4 航天飞机飞行程序 21

2.4.1 发射倒计时 21

2.4.2 飞行程序设计 21

2.4.3 固体助推器回收 26

2.5 再次发射准备与重复使用情况 27

2.5.1 各分系统再次发射准备 27

2.5.2 航天飞机重复使用情况 27

第3章 航天飞机轨道器气动设计 30

3.1 简介 30

3.2 气动布局设计 31

3.2.1 气动布局概述 31

3.2.2 气动布局设计准则 31

3.2.3 气动布局发展演变 34

3.3 气动力 39

3.3.1 气动力分析方法 39

3.3.2 气动特性 39

3.4 气动热环境 52

3.4.1 气动热环境分析方法 53

3.4.2 哥伦比亚号航天飞机气动热环境数据分析 53

3.5 气动数据库 62

3.5.1 气动数据管理的严峻挑战 63

3.5.2 气动数据库管理基本原则 64

3.5.3 气动数据库管理效能评估 66

3.5.4 气动数据库设计手册 68

3.5.5 气动数据库管理经验 69

第4章 航天飞机轨道器再入轨迹设计 71

4.1 简介 71

4.2 初期再入段轨迹设计 71

4.2.1 再入走廊设计 72

4.2.2 再入走廊内参考轨迹设计 77

4.3 能量管理段轨迹设计 82

4.3.1 能量走廊 83

4.3.2 轨迹线设计方法 85

4.4 自动着陆段轨迹设计 88

4.4.1 自动着陆段下滑轨迹线 88

4.4.2 下滑轨迹线的几何描述和数学特征描述 90

第5章 航天飞机轨道器制导控制设计 96

5.1 简介 96

5.2 执行机构配置 97

5.2.1 气动舵面配置 97

5.2.2 反作用控制系统配置 97

5.3 初期再入段制导与控制系统 100

5.3.1 初期再入段制导系统 100

5.3.2 初期再入段控制系统 107

5.4 能量管理段制导与控制系统 116

5.4.1 能量管理方案的发展过程 116

5.4.2 能量管理段制导系统 116

5.4.3 能量管理段控制系统 121

5.5 自动着陆段制导与控制系统 122

5.5.1 自动着陆制导与控制结构 124

5.5.2 自动着陆制导与控制策略 128

第6章 航天飞机轨道器结构系统设计 130

6.1 简介 130

6.2 结构设计准则 130

6.2.1 设计系数 131

6.2.2 安全裕度 132

6.2.3 静弹性 132

6.2.4 动特性 133

6.2.5 使用寿命 135

6.3 航天飞机轨道器结构系统 137

6.3.1 前机身结构 137

6.3.2 中机身结构 141

6.3.3 后机身结构 146

6.3.4 翼面结构 149

6.4 航天飞机轨道器的制造过程 154

第7章 航天飞机轨道器热防护系统设计 156

7.1 简介 156

7.2 热防护系统方案设计流程 157

7.3 热防护系统设计要求 158

7.3.1 热防护系统的结构性能要求与完整性设计目标 158

7.3.2 热防护系统的基本结构性能要求 158

7.3.3 热防护系统的完整性设计目标 159

7.4 热防护系统材料技术特点 160

7.4.1 一般性描述 160

7.4.2 隔热材料 160

7.4.3 高温结构材料 161

7.4.4 表面涂层 163

7.5 航天飞机轨道器热防护系统方案设计 164

7.5.1 热防护系统方案概述 164

7.5.2 机头锥及翼前缘热防护设计 164

7.5.3 机身大面积区域热防护设计 168

7.5.4 低温推进剂贮箱热防护 174

7.5.5 间隙填充设计 176

7.6 热防护系统设计的灾难与改进 176

第8章 航天飞机轨道器动力系统设计 178

8.1 简介 178

8.2 动力系统组成与布局 178

8.2.1 动力系统组成 178

8.2.2 动力系统工作过程 179

8.2.3 动力系统布局 180

8.3 主发动机的性能特点与研制过程 180

8.3.1 主发动机工作原理 180

8.3.2 主发动机研制过程及改进 183

8.4 轨道机动系统与反作用控制系统的性能特点 190

8.4.1 轨道机动系统 190

8.4.2 反作用控制系统 192

8.4.3 推进剂交叉输送系统 194

第9章 航天飞机轨道器电气系统设计 197

9.1 简介 197

9.2 制导导航与控制系统 197

9.2.1 简介 197

9.2.2 制导系统 199

9.2.3 导航系统 200

9.2.4 控制系统 202

9.3 电源与配电系统 202

9.4 通信与跟踪系统 206

9.5 测量系统 208

9.5.1 正式运行测量系统 209

9.5.2 研制飞行测量系统 209

第10章 航天飞机轨道器健康管理系统设计 210

10.1 简介 210

10.2 系统组成 211

10.3 航天飞机主发动机健康管理设计 212

10.3.1 简介 212

10.3.2 实时振动监视 212

10.3.3 定量风险评估 214

10.3.4 广义似然比试验 221

10.3.5 贝叶斯置信网络 229

10.4 防热系统健康管理设计 237

10.4.1 简介 237

10.4.2 系统组成 238

10.4.3 传感器布置 238

10.4.4 设计与分析 240

10.5 碰撞损害预测健康管理设计 242

10.5.1 观察窗口的碰撞 243

10.5.2 撞击试验 245

10.5.3 BUMPER结果 245

第11章 航天飞机轨道器环境控制与生命保障系统设计 247

11.1 简介 247

11.2 系统组成 247

11.3 环境控制系统设计 249

11.3.1 座舱压力制度 249

11.3.2 气体储存 250

11.3.3 供气调压 250

11.3.4 座舱大气净化 251

11.3.5 座舱温度控制 253

11.3.6 座舱湿度控制 258

11.4 生命保障系统设计 259

11.4.1 废物收集处理 259

11.4.2 座舱内环境应急措施 261

11.4.3 水管理 261

11.4.4 座舱火烟检测与防火灭火 262

11.4.5 航天员居住设施 262

11.4.6 气闸舱 262

11.5 环控生保系统设计反思与展望 265

第12章 航天飞机轨道器其他系统设计 267

12.1 简介 267

12.2 被动温控系统 267

12.3 辅助动力装置系统 267

12.3.1 系统概述 267

12.3.2 工作原理 270

12.4 液压系统 270

12.4.1 系统概述 270

12.4.2 液压动力系统 271

12.5 起落架系统 272

12.5.1 系统概述 272

12.5.2 前起落架和主起落架 273

12.5.3 制动装置和防滑系统 273

12.6 吹除、排气、排液系统 274

12.7 有效载荷释放和回收系统 276

12.8 警告与报警系统 277

12.9 烟雾探测和消防系统 279

第13章 航天飞机运行使用与维护 281

13.1 简介 281

13.2 航天飞机轨道器返回维护方案 281

13.2.1 安全维护检查 281

13.2.2 外观检查 283

13.3 航天飞机轨道器转运程序 285

13.3.1 转运前检查 285

13.3.2 转运准备工作 287

13.3.3 转运实施方案 293

13.4 航天飞机测试发射检查 297

13.4.1 防热系统检查 298

13.4.2 动力系统检查 298

13.4.3 机构系统检查 300

13.4.4 结构系统检查 300

13.4.5 电气系统检查 301

13.4.6 其他检查工作 301

13.5 航天飞机发射移交程序 302

第14章 航天飞机设计与工程经验 303

14.1 简介 303

14.2 航天飞机设计的影响因素 303

14.2.1 大气密度切变 303

14.2.2 夜光云的影响 304

14.2.3 高空气象电击影响 308

14.2.4 通信问题 310

14.2.5 全球定位卫星系统的运行问题 310

14.2.6 边界层的非对称转捩 312

14.3 航天飞机高超声速再入飞行的设计经验 313

14.3.1 气动设计经验 315

14.3.2 气动防热设计经验 315

14.3.3 返回控制设计经验 317

14.4 航天飞机工程经验 319

14.4.1 概述 319

14.4.2 航天飞机第一次飞行气动力异常 319

14.4.3 航天飞机SRM点火冲击波问题 321

14.4.4 固体火箭助推器入水冲击及回收问题 323

14.4.5 航天飞机尾裙失效 324

14.4.6 航天飞机起飞载荷 325

14.4.7 航天飞机性能裕度 327

14.4.8 航天飞机轨道器结构 328

14.4.9 航天飞机概念选择历史 329

14.4.10 SSME的主要失效经历 330

14.4.11 51-L挑战者号失败 338

14.4.12 航天飞机振动试验 340

14.4.13 SSME旋转问题 341

14.4.14 外挂贮箱氢气消能器 344

14.4.15 外挂贮箱绝热发泡剂 345

第15章 航天飞机重大事故与改进 347

15.1 简介 347

15.2 航天飞机重大事故 347

15.3 航天飞机改进 350

15.4 暴露问题及经验教训 354

第16章 航天飞机研制经费统计与经济性分析 358

16.1 简介 358

16.2 费用统计 358

16.2.1 航天飞机费用演变情况 358

16.2.2 航天飞机初期方案的费用估算 359

16.2.3 航天飞机的研制费用 362

16.2.4 航天飞机的研制合同累计金额 369

16.3 航天飞机的费用模型与分析 369

16.3.1 航天飞机的费用模型 369

16.3.2 航天飞机的研制费用分析 376

16.4 航天飞机经济性分析 378

第17章 总结 380

参考文献 383