第1篇 电源系统综述 3
第1章 卫星概述 3
1.1 简介 3
1.2 卫星系统 4
1.2.1 通信和数据处理系统 4
1.2.2 姿态和轨道控制系统 4
1.2.3 跟踪、遥测和指令系统 5
1.2.4 电源系统 5
1.2.5 热控系统 6
1.2.6 结构和机械系统 6
1.2.7 推进系统 6
1.3 地球轨道分类 7
1.3.1 地球静止轨道 8
1.3.2 地球同步轨道 10
1.3.3 大椭圆轨道 11
1.3.4 近地球轨道 11
1.3.5 太阳同步轨道 11
1.4 轨道力学 12
1.5 卫星稳定法 13
1.5.1 重力梯度 13
1.5.2 磁稳定 13
1.5.3 自旋稳定 13
1.5.4 三轴稳定 14
1.6 发射和转移轨道 15
1.7 运行轨道 16
1.8 地球的地影 17
1.8.1 范例 19
1.9 月亮的月影 21
1.10 光通量 22
1.11 β角 23
1.12 航天器的质量 24
参考文献 25
第2章 近地空间环境 26
2.1 简介 26
2.2 发射和转移轨道环境 26
2.3 在轨环境 27
2.3.1 失重和真空 27
2.3.2 磁场 27
2.3.3 流星体和空间碎片 28
2.3.4 原子氧 29
2.3.5 带电粒子 30
2.4 范艾伦辐射带 31
2.5 太阳风与太阳耀斑 34
2.6 地磁暴 36
2.7 核威胁 37
2.8 总辐射量 37
参考文献 39
第3章 电源系统的选择 40
3.1 简介 40
3.2 原电池 41
3.3 燃料电池 42
3.4 太阳光伏电池 43
3.5 太阳能聚光器——动力电源系统 46
3.6 核热电 48
3.7 核动力或化学动力 49
3.8 其他系统 50
3.8.1 光伏热（TPV） 50
3.8.2 太阳—热电 51
3.8.3 热离子 51
3.8.4 碱金属热电转换器 52
3.9 技术选项比较 53
3.10 系统电压的选择 54
3.11 功率水平 57
参考文献 58
第4章 太阳电池阵—蓄电池电源系统 59
4.1 简介 59
4.1.1 太阳电池阵 59
4.1.2 电池组 60
4.1.3 功率调节 61
4.2 电源系统结构体系 63
4.2.1 直接能量传输 63
4.2.2 峰值功率跟踪 64
4.3 全调节母线 64
4.3.1 太阳电池阵 65
4.3.2 太阳电池阵驱动装置 65
4.3.3 分流器 65
4.3.4 电池组 66
4.3.5 功率调节单元 66
4.3.6 功率分配单元 66
4.3.7 母线电压控制器 66
4.3.8 模式控制器 67
4.3.9 蓄电池组母线 67
4.3.10 功率和能量管理软件 68
4.3.11 负载 68
4.3.12 地面电源 68
4.4 母线电压控制 68
4.5 控制电路 70
4.5.1 模拟控制电路 70
4.5.2 数字控制电路 71
4.5.3 模—数混合控制 71
4.6 部分调节母线 71
4.7 全调节母线与部分调节母线 73
4.8 峰值功率跟踪 75
4.9 功率调节系统的拓扑结构 79
4.10 国际空间站160～120 V母线 80
4.11 大型通信卫星母线 84
4.11.1 100 V母线 84
4.11.2 70 V母线 86
4.11.3 50 V以下母线 88
4.12 小卫星母线 90
4.13 微型卫星母线 91
参考文献 93
第5章 环境影响 95
5.1 简介 95
5.2 太阳电池阵衰减 95
5.3 太阳电池阵的静电放电 96
5.4 电源电子器件损伤 99
5.5 对其他元件的影响 101
5.6 原子氧作用下的质量损失 103
5.7 微流星体和太空碎片撞击 105
5.8 预测损伤 106
参考文献 107
第6章 电源系统需求 108
6.1 简介 108
6.2 自身需求 110
6.3 系统规范 111
第7章 电源系统设计和迭代过程 114
7.1 简介 114
7.2 航天器级迭代 114
7.3 电源系统迭代 116
7.3.1 太阳电池迭代 117
7.3.2 太阳电池阵迭代 119
7.3.3 电池组迭代 120
7.3.4 母线电压迭代 120
7.3.5 火工品电源迭代 121
7.4 负载功率概况 122
7.5 太阳电池阵尺寸 126
7.6 电池组尺寸 127
7.7 功率流分析 128
7.8 设计分析表 131
7.9 最恶劣情况下的误差裕度 132
7.10 设计过程阶段 132
7.11 大事记：从工厂到轨道 134
7.12 电源系统超寿命期的功能 135
第2篇 太阳电池阵—蓄电池组电源系统 139
第8章 太阳电池阵 139
8.1 简介 139
8.2 光伏电池 139
8.3 光伏（太阳电池）技术 141
8.3.1 单晶硅 142
8.3.2 砷化镓 144
8.3.3 半晶和多晶 144
8.3.4 薄膜电池 144
8.3.5 非晶硅 145
8.3.6 多结电池 145
8.4 等效电路 146
8.5 I—V和P—V特性曲线 148
8.6 星体反射功率 151
8.7 太阳电池的背面光照 152
8.8 太阳电池阵的构造 153
8.8.1 刚性蜂窝板 153
8.8.2 体装式太阳电池阵 155
8.8.3 三翼或多翼的太阳电池阵 156
8.8.4 柔性太阳电池阵 157
8.8.5 卷曲型太阳电池阵 158
8.9 太阳电池阵的电性能 159
8.9.1 太阳光的强度 159
8.9.2 太阳入射角 160
8.9.3 温度效应 161
8.9.4 太阳光俘获 165
8.9.5 太阳跟踪 166
8.9.6 峰值功率的获得 167
8.9.7 阴影效应 170
8.10 太阳电池阵设计 172
8.10.1 衰减因子 174
8.10.2 辐射损伤 175
8.10.3 通量计算 180
8.10.4 太阳偏置 182
8.10.5 磁矩 183
8.11 光伏技术的进展 184
8.12 聚光太阳电池阵 189
8.12.1 展开型聚光透镜太阳电池阵 192
8.12.2 聚光板 195
8.12.3 抛物面聚光器 198
参考文献 200
第9章 化学电池 202
9.1 简介 202
9.2 化学电池 202
9.3 电池种类 204
9.3.1 镉镍电池 205
9.3.2 氢镍电池 207
9.3.3 MH—Ni电池 215
9.3.4 锂离子电池 217
9.3.5 锂—聚合物电池 220
9.3.6 锌—银电池 221
9.4 电路模型 222
9.5 属性和性能 223
9.5.1 充电／放电特性 223
9.5.2 内阻抗 226
9.5.3 充电效率 226
9.5.4 能量效率 227
9.5.5 V—T性质 228
9.5.6 自放电 229
9.5.7 自热 229
9.6 循环寿命 233
9.7 瞬时大功率能力 236
9.8 性能比较 237
9.9 电池设计 240
9.10 发射和入轨段的电源 244
9.11 热设计 244
9.11.1 平装 247
9.11.2 竖堆 248
9.11.3 酒架结构 248
9.12 安全性设计 249
9.13 充电控制 250
9.13.1 多速率充电 252
9.13.2 单速率充电 253
9.13.3 无控制充电 253
9.14 电池管理系统 254
9.15 动态模型 256
9.16 循环寿命模型 259
9.17 一次电池 262
9.18 先进电池技术 262
参考文献 264
第10章 电源电磁元件 266
10.1 简介 266
10.2 开关设备 266
10.3 分流调节器 268
10.3.1 完全和部分分流 269
10.3.2 线性和PWM分流 270
10.3.3 顺序线性分流 272
10.3.4 多级PWM分流 273
10.3.5 多相PWM分流 273
10.3.6 校准阶跃分流 274
10.4 分流电路设计 275
10.4.1 全分流电路和部分分流电路 275
10.4.2 分流电路的数量 275
10.4.3 典型分流电路设计 276
10.5 母线纹波滤波器设计 276
10.6 功率变换器 278
10.6.1 蓄电池组充电降压变换器 278
10.6.2 蓄电池放电变换器 282
10.6.3 升压—降压变换器 282
10.6.4 逆向变换器（降压或升压） 284
10.6.5 变压器耦合前向变换器 284
10.6.6 推挽变换器 285
10.6.7 感应耦合降压变换器 286
10.6.8 谐振变换器 286
10.6.9 多输出变换器 287
10.6.10 负载功率变换器 288
10.6.11 电压和电流调节器 289
10.7 电磁元件 291
10.7.1 磁芯和线圈的功率损失 295
10.7.2 电感器设计 296
10.7.3 变压器设计 299
10.7.4 磁元件的制造和测试 300
10.8 最大效率设计 301
10.9 电源电子学趋势 303
参考文献 304
第11章 配电电缆和保护 305
11.1 简介 305
11.2 电线的安培流量 305
11.3 R—L—C参数 306
11.4 导线材料 310
11.5 电线的绝缘层和电缆的屏蔽层 311
11.6 连接件 312
11.7 电缆质量最小化 313
11.7.1 举例 316
11.8 电缆设计过程 317
11.9 柔性电缆 318
11.10 熔断保护 319
11.10.1 熔断器额定值 322
11.10.2 熔断器类型 324
11.10.3 熔断器特性 325
11.10.4 熔断器降额 328
11.10.5 熔断器选择标准 328
11.10.6 冗余熔断器和并联熔断器 329
11.10.7 熔断器测试 330
11.10.8 未加熔断器的负载 331
11.11 远程功率控制器 331
11.12 早期失效检测 332
第12章 辅助元件 333
12.1 简介 333
12.2 太阳电池阵驱动机构 333
12.3 展开机构 337
12.3.1 电爆展开装置 337
12.3.2 激光启爆展开装置 337
12.3.3 形状记忆金属 338
12.4 展开控制器 339
12.5 热控制器 340
12.5.1 热偶 340
12.5.2 金属电阻线 341
12.5.3 热敏电阻 341
12.6 继电器 342
12.7 蓄电池压力监测器和单体蓄电池电压监测器 344
12.8 蓄电池放电装置 345
12.9 电流测量仪 346
12.9.1 分流器 346
12.9.2 霍尔效应变频器 346
12.9.3 磁放大器 347
12.10 电容器 347
12.10.1 钽电容 348
12.10.2 金属聚丙烯电容 348
12.10.3 陶瓷电容 348
12.11 滤波器 348
12.12 遥测／遥控指令 350
12.13 电子封装 352
12.14 辐射屏蔽 353
12.14.1 辐射屏蔽设计示例 355
12.15 EMI屏蔽 356
第3篇 电源系统性能 363
第13章 能量平衡与功率管理 363
13.1 简介 363
13.2 能量平衡分析 365
13.3 计算机程序结构 366
13.3.1 电池组模块 366
13.3.2 太阳电池阵模块 369
13.3.3 母线模块 371
13.3.4 输入变量 371
13.3.5 输出格式 371
13.3.6 程序验证 374
13.4 能量平衡模拟运行 374
13.4.1 在轨模拟 375
13.4.2 转移轨道模拟 375
13.4.3 转移轨道的负载预算 378
13.4.4 发射与入轨模拟 379
13.5 电池组正常工作状态监控 380
13.6 部分调节母线的电池组钳位 382
参考文献 384
第14章 动态性能和稳定性 386
14.1 简介 386
14.2 母线阻抗和系统刚度 386
14.3 电压调节与瞬变状态 389
14.4 高频纹波 391
14.5 纹波测量 394
14.6 电源品质 395
14.7 减小熔断时的交叉干扰 396
14.7.1 举例 397
14.8 主熔断器熔断瞬变 398
14.9 稳定性和母线阻抗 401
14.10 控制系统的动态稳定性 404
14.11 动态模拟模型 407
14.11.1 太阳电池阵模型 408
14.11.2 其他部件模型 409
14.12 模拟运行 410
参考文献 412
第15章 电磁干扰和电磁兼容 413
15.1 简介 413
15.2 EMI源 413
15.2.1 传导EMI 414
15.2.2 辐射EMI 414
15.3 耦合模式 416
15.4 EMI/EMC技术标准 422
15.5 EMI消除方法 426
15.5.1 绞线 427
15.5.2 接地 427
15.5.3 线缆屏蔽 428
15.5.4 搭接 429
15.6 共模EMI 430
15.7 宽带EMI 431
15.8 商用成品设备 432
15.8.1 商用设备的EMI要求 433
15.8.2 NASA与商用试验方法 435
15.8.3 商用成品设备的空间适用性试验 436
15.9 电磁脉冲／核威胁 437
第16章 电子静态放电 441
16.1 简介 441
16.2 GEO的静电放电 442
16.3 LEO的静电放电 442
16.4 绝缘击穿 444
16.5 静电放电进入点 445
16.5.1 缝隙起弧 445
16.5.2 固体绝缘击穿 445
16.5.3 间接交互作用 446
16.6 静电放电效应 446
16.7 减少静电放电 446
16.8 太阳电池阵的静电放电控制 448
16.9 元器件敏感度 449
16.10 试验期间的安全性 451
参考文献 451
第17章 可靠度和降额 452
17.1 简介 452
17.2 随机故障 454
17.3 磨损故障 455
17.4 可靠度基本定理 455
17.5 串并联可靠度 456
17.5.1 举例 457
17.6 冗余 460
17.6.1 n个组件系统中（n—1）个组件必须工作的情况 461
17.6.2 n个组件处于热状态，m个组件必须工作的情况 462
17.6.3 m个组件处于启动状态，d个组件冗余的情况 462
17.6.4 共用的和独立的电池充电器 463
17.6.5 二极管环形线路热备份冗余 464
17.7 故障率统计 465
17.8 MIL—HDBK—217标准 466
17.9 用组件计数法估计可靠度 467
17.10 可靠度的降额 468
17.11 故障率的快速估计 469
17.12 故障模式与影响分析 470
17.13 无冗余组件 470
17.14 可靠度计算举例 471
第18章 总装和测试 473
18.1 简介 473
18.2 测试限制因素 474
18.2.1 生存（仅非运行模式） 476
18.2.2 合格鉴定（仅运行模式） 477
18.2.3 验收（仅运行模式） 477
18.2.4 飞行设计分析（所有模式） 477
18.2.5 温度定位 477
18.3 测试序列 477
18.3.1 环境性能测试 478
18.3.2 检漏 478
18.3.3 压力 479
18.3.4 随机振动 479
18.3.5 正弦振动 479
18.3.6 振动后性能测试 479
18.3.7 声试验 479
18.3.8 热循环 480
18.3.9 EMI/EMC 480
18.3.10 ESD 480
18.3.11 寿命测试 480
18.4 太阳电池测试 480
18.5 导线测试 481
18.6 电源系统测试 481
18.6.1 太阳电池阵测试 482
18.6.2 太阳电池阵驱动机构 484
18.6.3 蓄电池组测试 485
18.6.4 电源电子设备 485
18.6.5 母线阻抗及稳定性测试 486
18.7 航天器级测试 487
18.7.1 一次电源接通测试 487
18.7.2 电源系统测试 487
18.8 测试点 488
18.9 地面测试设备 489
18.10 发射工位测试 490
第4篇 特殊电源系统 495
第19章 太阳系内及深空间飞行任务 495
19.1 简介 495
19.2 外层空间温度 498
19.3 探月任务 500
19.4 水星探测 501
19.5 近日探测 503
19.6 火星探测器 506
19.7 木星和土星探测 508
19.8 深空探测 510
参考文献 512
第20章 放射性同位素温差电源 513
20.1 简介 513
20.2 温差电偶的基本原理 514
20.2.1 单级单耦合型电池 516
20.2.2 单级多耦合型电池 517
20.2.3 多级多耦合型温差电池 517
20.2.4 放射性同位素温差电源装置 518
20.3 放射性同位素温差电源的电路模型 519
20.4 最大传递功率 520
20.5 温度和老化的影响 521
20.6 放射性同位素温差电源的飞行历史 523
20.7 分段式热电转换器 525
20.8 先进的放射性同位素温差电源 526
20.9 热电冷却器 527
参考文献 527
第21章 交流发电机动力系统 528
21.1 简介 528
21.2 热动力学 531
21.2.1 斯特林发动机（Stirling Engine） 531
21.2.2 布雷顿循环 533
21.3 电—机能量转换 534
21.4 发电机技术 535
21.4.1 各种发电机简介 536
21.4.2 并联运行 538
21.4.3 过载能力 539
21.4.4 电压调节和磁场激励 539
21.4.5 速度和频率限制 540
参考文献 541
第22章 大功率高电压系统 542
22.1 简介 542
22.2 高压太阳电池阵 543
22.3 大功率核能温差电源 544
22.4 高压电源的设计问题 548
22.4.1 帕邢（Paschen）击穿电压 548
22.4.2 电介质应力集中 549
22.4.3 电晕腐蚀 551
22.4.4 原子氧 553
22.4.5 等离子体与带电粒子 554
22.4.6 极端温度 559
22.4.7 设计指南 559
22.5 高压直流电源 561
22.6 交流和直流电源 562
22.7 高频交流电源 564
22.7.1 20 kHz电缆 566
22.7.2 20 kHz交流电流中的EMI 567
22.8 大功率器件 569
22.8.1 旋转功率传递器 569
22.8.2 切换与保护 571
22.8.3 半导体装置 573
22.8.4 电容器 574
22.8.5 功率变换器 575
22.8.6 变压器与电感器 576
22.9 超高压电源系统 576
22.10 重复脉冲电源 579
22.11 兆瓦级爆发电源 581
22.12 高温器件 587
参考文献 591
第23章 电推进 593
23.1 简介 593
23.2 比冲 595
23.3 电推进系统类型 597
23.3.1 电热肼推进器 597
23.3.2 肼弧推进器 598
23.3.3 离子推进器 599
23.3.4 静态等离子体推进器 602
23.3.5 磁流体推进器 603
23.3.6 脉冲等离子体推进器 603
23.4 性能对比 604
23.5 太阳能PV推进 606
23.6 太阳能热推进 608
23.7 核动力推进 609
23.8 微波束推进 610
23.9 绳推进 611
23.9.1 空间碎片清理 616
23.9.2 轨道转移航天器 617
23.9.3 保持空间站轨道高度 617
23.9.4 外层空间行星探测 617
参考文献 618
第24章 燃料电池 619
24.1 简介 619
24.2 燃料电池的电化学原理 620
24.3 电性能 621
24.4 燃料电池种类 624
24.5 可再生燃料电池 626
24.6 空间移民基地用RFC 627
24.7 卫星用燃料电池 629
24.8 商用燃料电池 630
参考文献 632
第25章 飞轮储能系统 633
25.1 简介 633
25.2 光电飞轮动力系统 635
25.3 飞轮系统部件 636
25.3.1 转子轮辋 637
25.3.2 辐条 637
25.3.3 磁悬浮轴承 637
25.3.4 降落机械轴承 639
25.3.5 电机 639
25.3.6 敏感器 639
25.4 功率和动量管理电子器件 641
25.5 能量和应力的关系 642
25.6 飞轮的应用举例 644
25.7 能量动量集成存储 648
25.7.1 能量和动量的关系 648
25.7.2 能量释放约束条件 650
25.8 能量—动量轮举例 651
25.8.1 入轨和发射电源 652
25.8.2 用IEMS代替蓄电池组和反作用轮 653
25.8.3 目标设计举例总结 655
25.9 电机的选择 655
25.9.1 同步电机 655
25.9.2 感应电机 657
25.9.3 直流电机 658
25.10 电动机—发电机设计问题 659
25.10.1 电机机构问题 659
25.10.2 恒定扭矩与恒定能量设计 659
25.11 磁悬浮轴承设计问题 660
25.11.1 低速轴承 661
25.11.2 高速轴承 662
25.12 飞轮系统控制器 663
25.13 NASN的飞轮计划 665
参考文献 668
第26章 空间超导 671
26.1 简介 671
26.2 磁场储能 671
26.3 临界I，B和T 674
26.4 磁心设计 677
26.5 系统结构 677
26.6 超低温 679
26.7 元件低温性能 680
26.7.1 半导体器件 680
26.7.2 磁学 681
26.7.3 电容 682
26.7.4 电阻 682
26.7.5 结构材料 683
参考文献 683
第27章 微波束能量卫星 684
27.1 简介 684
27.2 微波 685
27.3 激光 686
27.4 面向地球的空基电源 686
27.5 太阳能动力发电 689
27.6 能量卫星的发展 692
参考文献 693