第1章 绪论 1
1.1 国外载人航天工程发展简介 2
1.2 我国载人航天工程发展历程 4
1.3 我国载人航天器技术体系 6
第2章 载人飞船总体技术 8
2.1 总体设计概述 9
2.1.1 总体设计原则 9
2.1.2 总体设计任务 11
2.2 承载与密封系统 12
2.2.1 舱体结构 12
2.2.2 密封设计 13
2.2.3 舱间连接与分离设计 13
2.3 制导、导航与控制系统 15
2.3.1 任务及组成 15
2.3.2 工作模式 18
2.4 能源管理系统 23
2.4.1 平台能源系统 23
2.4.2 火工控制能源系统 24
2.4.3 接地设计 25
2.5 信息管理系统 26
2.5.1 数据管理子系统 26
2.5.2 显示子系统 27
2.5.3 图像子系统 28
2.5.4 话音子系统 28
2.5.5 天地通信子系统 28
2.5.6 交会对接通信子系统 28
2.6 环境控制与生命保障系统 29
2.6.1 功能及组成 30
2.6.2 供气调压技术 32
2.6.3 通风净化技术 32
2.6.4 温湿度控制技术 33
2.6.5 废物收集处理技术 34
2.6.6 水管理技术 35
2.6.7 压力应急及舱内航天服技术 36
2.6.8 密封舱防火灭火技术 36
2.6.9 测量控制技术 37
2.6.10 航天员居住设施 37
2.7 热控系统 38
2.7.1 载人飞船的热环境 38
2.7.2 载人飞船热控系统组成 40
2.7.3 被动热控子系统 41
2.7.4 流体回路子系统 44
2.7.5 主动热控子系统 45
2.7.6 地面调温子系统 47
2.8 回收着陆系统 49
2.8.1 系统任务 49
2.8.2 系统功能及工作特点 49
2.8.3 减速功能设计 50
2.8.4 着陆缓冲功能设计 50
2.8.5 标位功能设计 51
2.9 人机交互系统 53
2.9.1 人机交互技术 53
2.9.2 载人航天器人机交互系统 54
2.9.3 显示信息界面 55
2.9.4 人机控制界面 55
2.9.5 越限报警通报 56
参考文献 57
第3章 货运飞船总体技术 58
3.1 概述 59
3.2 国外货运飞船发展历程 60
3.2.1 俄罗斯货运飞船 61
3.2.2 欧洲货运飞船 63
3.2.3 日本货运飞船 64
3.2.4 美国货运系统 65
3.2.5 国外货运飞船发展启示 67
3.3 “天舟”货运飞船设计技术 69
3.3.1 系统设计 69
3.3.2 功能组成 71
3.3.3 飞行方案 71
3.4 承载与密封系统 74
3.4.1 货物舱结构 75
3.4.2 推进舱结构 78
3.4.3 舱段连接 80
3.4.4 密封设计 80
3.5 能源与供配电系统 81
3.5.1 电源系统 81
3.5.2 配电系统 82
3.6 姿态与轨道控制系统 85
3.6.1 发动机配置与使用模式 85
3.6.2 姿态确定 86
3.6.3 姿态控制 88
3.6.4 轨道控制 89
3.7 热管理系统 91
3.7.1 被动热控设计 92
3.7.2 主动热控设计 93
3.8 信息传输与管理系统 95
3.8.1 天地测控通信 96
3.8.2 综合电子信息管理 97
3.8.3 天地一体化网络通信 98
3.9 载人环境控制系统 101
3.9.1 环境监测 101
3.9.2 舱压控制 102
3.9.3 湿度控制 102
3.9.4 温度和风速控制 103
3.9.5 有害气体控制 103
3.9.6 微生物控制 103
3.9.7 辐射控制 103
3.9.8 噪声控制 104
3.10 货物运输与保障 106
3.10.1 货物装载上行 107
3.10.2 在轨货物转移及废弃物装载 112
3.10.3 货物信息管理 113
参考文献 115
第4章 空间实验室系统设计技术 117
4.1 概述 118
4.1.1 空间实验室概念 118
4.1.2 国际空间实验室的发展 120
4.1.3 我国空间实验室的建设 123
4.2 任务分析 125
4.3 承载与密封系统 127
4.3.1 舱体承载系统与构型 127
4.3.2 布局区域规划 129
4.3.3 舱段连接 129
4.3.4 密封设计 129
4.4 姿态与轨道控制系统 131
4.4.1 姿态与轨道控制系统概述 131
4.4.2 姿态确定与控制 132
4.4.3 轨道控制 135
4.5 信息传输与控制系统 136
4.5.1 信息管理需求 136
4.5.2 信息系统 137
4.6 能源与供配电系统 142
4.6.1 供电系统 143
4.6.2 配电系统 145
4.7 热环境控制系统 147
4.7.1 热环境控制系统组成 148
4.7.2 通风系统 148
4.7.3 流体回路系统 149
4.7.4 主动电加热 150
4.7.5 被动热控制 151
4.8 载人环境控制系统 152
4.8.1 舱压控制系统 152
4.8.2 净化通风系统 153
4.8.3 大气温湿度控制系统 154
4.8.4 人区风速控制系统 155
4.8.5 噪声控制 155
4.9 驻留支持系统 156
4.9.1 适居性 156
4.9.2 在轨工作 160
4.9.3 在轨生活 162
4.9.4 在轨健康 163
4.10 推进剂在轨补加系统 164
4.10.1 补加系统原理 164
4.10.2 补加系统组成 164
4.10.3 补加工作流程 165
参考文献 167
第5章 空间站系统设计技术 168
5.1 概述 169
5.1.1 空间站的发展历程 169
5.1.2 空间站的用途 173
5.1.3 我国空间站发展规划 174
5.2 空间站任务特点 175
5.2.1 在轨稳定载人飞行 175
5.2.2 组装与建造 176
5.2.3 维护与维修 177
5.2.4 空间科学与技术应用 177
5.3 构型与布局设计 179
5.3.1 构型与布局任务 179
5.3.2 构型设计 180
5.3.3 布局设计 186
5.4 控制与推进系统 189
5.4.1 控制与推进系统简介 189
5.4.2 “和平号”空间站控制与推进系统 190
5.4.3 国际空间站控制与推进系统 192
5.4.4 控制与推进系统架构 194
5.5 组装建造系统 197
5.5.1 组装建造系统简介 197
5.5.2 “和平号”空间站组装建造 198
5.5.3 国际空间站组装建造 200
5.5.4 舱体转位技术 202
5.6 信息管理系统 206
5.6.1 信息管理系统简介 206
5.6.2 国际空间站信息管理系统 207
5.6.3 信息管理系统架构 210
5.7 能源系统 213
5.7.1 能源系统简介 213
5.7.2 国际空间站能源系统 213
5.7.3 空间站能源系统设计 217
5.8 热管理系统 219
5.8.1 热管理系统简介 219
5.8.2 热量收集技术 219
5.8.3 热量传输技术 220
5.8.4 空间站热管理系统架构 222
5.9 载人环境系统 224
5.9.1 载人环境系统简介 224
5.9.2 舱压控制技术 226
5.9.3 温湿度控制技术 227
5.9.4 有害气体净化技术 228
5.9.5 通风流场控制技术 230
5.10 应用保障系统 232
5.10.1 应用保障系统简介 232
5.10.2 应用保障系统架构 233
5.11 航天员保障系统 238
5.11.1 航天员保障系统简介 238
5.11.2 心理保障技术 239
5.11.3 医监医保保障技术 242
5.11.4 休息娱乐保障技术 243
5.12 运营管理系统 246
5.12.1 空间站运营管理系统简介 246
5.12.2 空间站在轨健康管理技术 247
5.12.3 空间站乘组驻留与轮换技术 249
5.12.4 空间站货运与补给技术 250
参考文献 252
第6章 载人月球及火星探测技术 254
6.1 载人月球探测 256
6.1.1 任务与功能分析 256
6.1.2 载人登月飞船 264
6.1.3 载人月面着陆器 269
6.1.4 月球轨道空间站 274
6.1.5 月球基地 278
6.2 载人火星探测 290
6.2.1 载人火星基地 295
6.2.2 关键技术分析 298
6.3 载人深空探测国际合作探讨 303
参考文献 305
第7章 载人交会对接技术 307
7.1 概述 308
7.1.1 交会对接技术分类 308
7.1.2 交会对接系统组成 310
7.1.3 交会对接技术发展历史与现状 311
7.1.4 交会对接技术发展趋势 322
7.2 交会对接发射窗口 323
7.2.1 发射窗口约束条件 323
7.2.2 发射窗口设计 325
7.3 交会对接飞行轨道 327
7.3.1 目标飞行器轨道设计 327
7.3.2 追踪飞行器轨道设计 328
7.4 交会对接相对导航、制导与控制技术 330
7.4.1 交会对接相对导航 330
7.4.2 自主控制段制导与控制 330
7.4.3 撤离段制导与控制 331
7.4.4 避撞安全方案设计 331
7.4.5 手动控制交会对接 332
7.5 对接机构技术 333
7.5.1 对接机构的组成 333
7.5.2 对接机构分类 334
参考文献 336
第8章 载人再入返回技术 338
8.1 地球大气层再入方式 341
8.1.1 弹道式再入 341
8.1.2 弹道-升力式再入（半弹道式） 342
8.1.3 升力式再入 342
8.2 气动外形设计 345
8.2.1 气动外形技术特点 345
8.2.2 国外典型气动外形设计 347
8.3 热防护结构设计 349
8.3.1 防热结构设计过程 351
8.3.2 国外热防护结构设计 352
8.4 制导、导航与控制 356
8.4.1 制导、导航与控制简介 356
8.4.2 制导方法及分类 357
8.5 黑障通信 359
8.5.1 黑障机理研究 359
8.5.2 减轻黑障的技术途径 361
8.6 地面试验验证技术 369
8.6.1 风洞试验技术简介 369
8.6.2 高超声速风洞介绍 369
8.7 技术发展趋势 373
参考文献 374
第9章 载人着陆回收技术 375
9.1 着陆回收过程 377
9.1.1 气动减速 377
9.1.2 着陆／着水缓冲 378
9.1.3 标位装置 379
9.2 “神舟”载人飞船着陆回收系统设计 381
9.2.1 “神舟”载人飞船着陆回收工作特点和设计原则 381
9.2.2 飞船着陆回收系统的组成 382
9.2.3 飞船着陆回收系统的工作程序 383
9.2.4 备份降落伞装置 383
9.2.5 飞船着陆时反推发动机的工作方式 383
9.3 国外典型着陆回收技术概况分析 385
9.3.1 国外典型着陆回收技术概况 385
9.3.2 典型着陆回收设计方案比较分析 390
9.4 大型群伞技术 398
9.4.1 伞衣面积 399
9.4.2 多级开伞措施 399
9.4.3 降落伞的打开方式 400
9.4.4 多伞同步充气技术 401
9.4.5 群伞减速系统仿真技术 403
9.5 可控翼伞技术 404
9.5.1 大型翼伞的收口、包装技术 404
9.5.2 翼伞结构设计及载荷分析的仿真技术 405
9.5.3 伺服控制技术 405
9.5.4 归航飞行动力学仿真技术 405
9.5.5 归航路径控制技术 405
9.5.6 逆风着陆技术 405
9.5.7 雀降技术 406
9.6 大载重缓冲气囊技术 407
9.6.1 气囊充气展开过程研究 407
9.6.2 缓冲过程数值仿真技术 407
9.6.3 着陆缓冲过程控制技术 408
9.7 着陆支撑机构技术 409
9.7.1 着陆支撑机构轻质化技术 409
9.7.2 着陆支撑机构减震技术 409
9.7.3 着陆支撑机构展开技术 410
9.7.4 着陆支撑机构热防护技术 410
9.8 水上溅落回收技术 411
9.9 着陆回收大型试验技术 412
9.9.1 空投试验技术 412
9.9.2 大型地面试验技术 413
9.10 技术发展趋势 414
参考文献 416
第10章 应急救生技术 417
10.1 应急救生技术概述 418
10.2 发射段大气层内救生轨道设计 422
10.2.1 “阿波罗”飞船的救生轨道设计 422
10.2.2 “神舟”载人飞船待发段及发射段的应急救生 425
10.2.3 零高度逃逸指标分析 426
10.3 发射段大气层外救生轨道设计 429
10.4 运行段应急救生方案 431
10.4.1 运行段应急返回着陆区 431
10.4.2 着陆场的气象保障 431
10.4.3 提前或推迟返回方案 432
10.4.4 弹道式再入返回方案 432
10.4.5 自主应急返回方案 433
10.4.6 手控半自动返回方案 434
10.5 自逃逸方案介绍 435
10.5.1 逃逸系统构型 436
10.5.2 中止和飞行的工作程序 436
10.5.3 逃逸系统方案 437
10.5.4 返回舱自逃逸方案比较分析 439
10.6 应急救生方案验证 441
10.6.1 零高度逃逸救生飞行试验 441
10.6.2 逃逸救生仿真试验 441
参考文献 443
第11章 推进剂在轨补加技术 444
11.1 在轨补加技术的概念和内涵 445
11.2 补加技术发展概况 446
11.2.1 俄罗斯 446
11.2.2 美国 449
11.2.3 加拿大 453
11.2.4 日本 454
11.2.5 中国 455
11.3 在轨补加技术的分类 457
11.3.1 直接加注方式 457
11.3.2 推进模块更换方式 459
11.4 在轨补加技术的基本原理 461
11.5 在轨补加系统的组成和基本方案 463
11.5.1 补加系统配置 463
11.5.2 补加系统方案 464
11.5.3 补加流程 466
11.5.4 补加飞控实施 468
11.6 补加地面验证 470
11.6.1 地面试验分类 470
11.6.2 系统级试验工作要点 471
参考文献 473
第12章 组合体管理与控制技术 474
12.1 概述 475
12.2 组合体管理与控制技术原理 476
12.2.1 组合体姿态轨道控制技术 476
12.2.2 组合体载人环境控制技术 477
12.2.3 组合体能源管理技术 477
12.2.4 组合体信息管理技术 478
12.3 组合体管理与控制技术验证 479
12.3.1 地面验证技术 479
12.3.2 在轨验证 482
参考文献 485
第13章 载人航天器维修性技术 486
13.1 概述 487
13.1.1 维修性概念 487
13.1.2 维修性设计的必要性 487
13.1.3 载人航天器在轨维修的特点 488
13.1.4 维修性设计与系统设计的关系 488
13.1.5 维修性与可靠性的关系 490
13.1.6 维修性与安全性的关系 490
13.2 工程研制各阶段维修性工作 491
13.3 维修性要求 493
13.3.1 维修性定性要求 493
13.3.2 维修性定量要求 494
13.3.3 确定维修性要求的过程 495
13.4 维修性模型 496
13.5 维修性分配 498
13.6 维修性预计 499
13.7 维修性分析 500
13.8 维修性设计 505
13.8.1 维修性设计原则 505
13.8.2 识别维修需求 505
13.8.3 制定维修策略 507
13.8.4 ORU确定方法 508
13.8.5 标准化、通用化、模块化设计 508
13.8.6 供电和信息隔离设计 510
13.8.7 可维修接口设计 510
13.8.8 设备更换和维修后的标定 511
13.8.9 不工作状态（在轨储存备件和备份）的维修性设计 511
13.8.10 维修工具设计 512
13.8.11 维修工作模式设计 515
13.9 维修性验证 517
13.9.1 虚拟仿真验证 517
13.9.2 地面模拟试验验证 519
13.9.3 在轨飞行验证 520
13.10 维修性信息 521
13.11 国际空间站维修性 522
13.12 维修案例 524
参考文献 527
第14章 空间机械臂应用技术 528
14.1 空间机械臂应用简介 529
14.1.1 空间机械臂发展历史 529
14.1.2 机械臂应用现状 530
14.2 空间机械臂应用设计基础 538
14.2.1 机械臂运动学 538
14.2.2 机械臂动力学 539
14.2.3 感知与控制技术 540
14.2.4 空间环境适应技术 543
14.2.5 天地协同控制与示教技术 544
14.3 空间机械臂应用设计与验证 546
14.3.1 空间机械臂应用任务 546
14.3.2 空间机械臂应用设计约束 548
14.3.3 机械臂应用设计要素 551
14.3.4 空间机械臂应用系统构成 552
14.3.5 机械臂操作控制模式设计 556
14.3.6 空间机械臂应用验证 558
14.4 空间机械臂典型应用案例 559
14.5 空间机械臂应用技术发展展望 562
参考文献 563
第15章 载人环境控制与生命保障技术 565
15.1 环境控制与生命保障技术范畴 566
15.2 环境控制与生命保障技术简述 569
15.2.1 供气调压技术 569
15.2.2 通风流场控制技术 570
15.2.3 大气温湿度控制技术 570
15.2.4 大气净化技术 570
15.2.5 水管理技术 571
15.2.6 大小便收集技术 571
15.2.7 火灾监测与灭火技术 571
15.2.8 微生物控制技术 571
15.2.9 辐射防护技术 572
15.2.10 噪声防护技术 572
15.2.11 废弃物管理技术 572
15.2.12 出舱活动环境控制技术 572
15.3 中短期驻留载人航天器环境控制与生命保障技术 573
15.3.1 中短期驻留载人航天器环控生保系统组成 573
15.3.2 供气调压 574
15.3.3 通风流场 575
15.3.4 空气成分 576
15.3.5 温湿度 578
15.3.6 水管理 579
15.3.7 烟火监测及灭火 580
15.3.8 废弃物 580
15.3.9 微生物 582
15.3.10 出舱活动环境支持与生命保障技术 583
15.4 长期驻留载人航天器环境控制与生命保障技术 587
15.4.1 长期驻留载人航天器的特点 587
15.4.2 长期驻留载人航天器环控生保技术 588
15.5 载人环境控制与生命保障系统地面验证技术 599
15.5.1 单项环境功能验证试验 599
15.5.2 载人环境系统试验 600
15.6 未来环境控制与生命保障技术展望 603
参考文献 604
第16章 出舱活动技术 605
16.1 出舱活动技术概述 606
16.1.1 出舱活动任务 607
16.1.2 出舱功能设计概述 613
16.2 气闸舱系统设计 614
16.2.1 气闸舱系统设计要素 614
16.2.2 气闸舱空间、布局设计 615
16.2.3 泄复压系统设计 615
16.3 舱外服支持接口设计要素 618
16.4 舱外活动支持方式与设施设计 620
16.4.1 设计要素 620
16.4.2 舱外活动支持方式与设施设计 621
16.5 舱外活动舱载支持系统 624
16.5.1 设计要素 624
16.5.2 视频监视系统设计 625
16.5.3 通信系统设计 625
16.5.4 照明系统设计 625
16.6 出舱活动程序设计 626
16.6.1 出舱前准备阶段 626
16.6.2 出舱过闸阶段 628
16.6.3 舱外活动阶段 628
16.6.4 返回过闸阶段 628
16.6.5 返回状态恢复阶段 628
16.7 出舱活动安全性设计 629
16.8 出舱活动技术的掌握 630
16.8.1 仿真分析 630
16.8.2 水槽训练 631
16.8.3 在轨训练 632
参考文献 633
第17章 载人航天新技术探索 634
17.1 可重复使用技术 635
17.1.1 可重复使用技术发展概况 635
17.1.2 可重复使用关键技术 636
17.2 在轨货物下行技术 639
17.2.1 半刚性机械展开下行技术 640
17.2.2 充气展开式下行技术 642
17.3 新型推进技术 645
17.3.1 低温推进技术 645
17.3.2 核能推进 646
17.4 受控生保技术 648
17.4.1 国内外研究进展 648
17.4.2 存在的问题及未来研究方向 653
17.5 载人航天新材料技术 654
17.5.1 轻质材料 654
17.5.2 柔性材料 655
17.5.3 耐极端环境材料 655
17.5.4 特殊材料 656
17.6 载人航天器数字化研制技术 657
17.6.1 载人航天器系统仿真技术 657
17.6.2 载人航天器三维数字化设计 660
17.6.3 载人航天器自动化测试 662
参考文献 665
英文缩略语 666
索引 669