本書介紹航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識，包括航天器系統(tǒng)工程與管理、空間環(huán)境、航天器動力學(xué)、航天器推進(jìn)與發(fā)射、航天器姿態(tài)確定與控制、航天器電源系統(tǒng)、航天器熱控、航天器構(gòu)形與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、空間通信、航天器測控、星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、嵌入式軟件系統(tǒng)、航天器可靠性、航天器集成與測試、空間任務(wù)操作、納星概念設(shè)計(jì)等。
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與第1版相比，《空間系統(tǒng)基礎(chǔ)》第2版在兩方面做了修訂。首先，增加了自第1版出版以來空間系統(tǒng)科學(xué)研究和工程技術(shù)的新進(jìn)展。其次，努力使本書更適合作為高級項(xiàng)目班的預(yù)修教材，用于開展航天器或航天儀器的設(shè)計(jì)以及可能的研制、發(fā)射。最后，根據(jù)作者學(xué)生及同事的評估意見，對部分內(nèi)容進(jìn)行了修改。另外，第2版提供了更多的實(shí)例，這些實(shí)例可能是某些工程問題的解決方案，同時增加了有關(guān)簡單航天器設(shè)計(jì)概念的內(nèi)容。由于大多數(shù)作者也講授這些內(nèi)容，本書為他們提供了重要的參考文檔。作為學(xué)術(shù)成果，本書可作為相關(guān)工程學(xué)科的高級或初級研究生課程教材。
本書的主要目的是使讀者在一定程度上理解空間系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，從而可以進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。本書所有章節(jié)的作者均參與了書中提出的空間系統(tǒng)或子系統(tǒng)的開發(fā)，具有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，并且負(fù)責(zé)在學(xué)術(shù)計(jì)劃中講授這些系統(tǒng)是如何開發(fā)的。因此，他們會忽略可能具有深奧學(xué)術(shù)價值、但不適合用于實(shí)際空間系統(tǒng)開發(fā)的內(nèi)容。本書可以幫助航天領(lǐng)域的科學(xué)家和系統(tǒng)工程師理清工程問題，獲取解決方案，用于開發(fā)滿足各種需求的空間系統(tǒng)或子系統(tǒng)。隨著航天工業(yè)技術(shù)的成熟，實(shí)踐人員很有必要廣泛地理解相關(guān)學(xué)科及其問題，從而提高空間系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能，簡化設(shè)計(jì)流程，降低成本和風(fēng)險。
目錄
譯者序
前言
原書編寫人員簡介
第1章 空間系統(tǒng)工程與管理l
1.1引言l
1.2系統(tǒng)工程基礎(chǔ)l
1.3系統(tǒng)工程中的概念4
1.3.1功能分析4
1.3.2驗(yàn)證與確認(rèn)4
1.3.3技術(shù)成熟度5
1.3.4質(zhì)量裕量5
1.3.5收益分析6
1.4項(xiàng)目開發(fā)流程7
1.5航天系統(tǒng)開發(fā)管理12
1.5.1系統(tǒng)工程管理計(jì)劃13
1.5.2項(xiàng)目評審14
1.5.3接口控制文檔17
1.5.4配置管理19
1.5.5工作定義和工作分解結(jié)構(gòu)20
1.5.6任務(wù)調(diào)度24
1.5.7成本估計(jì)31
1.5.8掙值管理33
1.5.9風(fēng)險管理34
1.6組織36
1.7習(xí)題38
參考文獻(xiàn)42
第2章 空間環(huán)境43
2.1地球空間環(huán)境43
2.2引力44
2.3大氣層46
2.3.1高度特性46
2.3.2熱成層和外大氣層的變化50
2.4電離層53
2.4.1電離54
2.4.2等離子體頻率59
2.4.3德拜長度61
2.4.4航天器帶電64
2.4.5撞擊尾流效應(yīng)65
2.5磁層65
2.5.1地球內(nèi)部磁場65
2.5.2太陽風(fēng)的影響68
2.5.3帶電粒子在偶極子磁場的運(yùn)動69
2.5.4磁層的分區(qū)78
2.5.5磁暴和亞磁暴84
2.6輻射85
2.7行星際介質(zhì)87
2.8習(xí)題87
參考文獻(xiàn)89
第3章 航天動力學(xué)92
3.1引言92
3.2動力學(xué)原理93
3.3中心引力作用下的二體運(yùn)動98
3.3.1運(yùn)動方程98
3.3.2二體中心引力問題的解100
3.3.3圓軌道104
3.3.4橢圓軌道105
3.3.5拋物線軌道108
3.3.6雙曲線軌道109
3.4參考坐標(biāo)系110
3.4.1基本原理110
3.4.2國際天球參考系112
3.4.3國際地球參考系統(tǒng)113
3.4.4 IERS地球指向參數(shù)113
3.4.5軌道根數(shù)115
3.5時間系統(tǒng)116
3.5.1儒略歷117
3.5.2格利高里日歷118
3.5.3國際原子時118
3.5.4力學(xué)時118
3.5.5坐標(biāo)時119
3.5.6恒星時119
3.5.7世界時120
3.5.8世界協(xié)調(diào)時122
3.5.9全球定位系統(tǒng)時間122
3.6軌道攝動理論基礎(chǔ)123
3.6.1拉格朗日行星方程124
3.6.2 Euler-Hill方程125
3.7軌道攝動126
3.7.1質(zhì)量非均勻分布126
3.7.2太陽和月球129
3.7.3地球固體潮129
3.7.4大氣阻力130
3.7.5輻射壓力135
3.8定軌135
3.8.1兩行軌道根數(shù)137
3.8.2全球定位系統(tǒng)138
3.9航天器覆蓋率139
3.9.1覆蓋公式139
3.9.2仰角和方位角指向140
3.9.3多普勒頻移141
3.9.4典型軌道特性141
3.10行星際軌道143
3.10.1引力助推143
3.10.2圓錐曲線拼接144
3.10.3氣動制動145
3.10.4拉格朗日平動點(diǎn)146
3.11習(xí)題147
參考文獻(xiàn)151
第4章 航天器推進(jìn)、發(fā)射系統(tǒng)和發(fā)射力學(xué)154
4.1簡介154
4.2火箭推進(jìn)的基本方程154
4.3熱力學(xué)關(guān)系158
4.4噴管166
4.5無外力作用下的火箭運(yùn)動167
4.6重力作用下的火箭運(yùn)動172
4.7發(fā)射飛行力學(xué)175
4.7.1簡介175
4.7.2重力轉(zhuǎn)向軌跡176
4.7.3上升進(jìn)入軌道179
4.7.4發(fā)射場179
4.7.5發(fā)射窗口181
4.8軌道轉(zhuǎn)移181
4.8.1簡介181
4.8.2拉格朗日行星方程182
4.8.3霍曼轉(zhuǎn)移183
4.8.4雙橢圓軌道轉(zhuǎn)移185
4.8.5選擇性軌道變換185
4.9固體推進(jìn)系統(tǒng)186
4.9.1簡介186
4.9.2發(fā)動機(jī)殼體187
4.9.3絕熱層187
4.9.4推進(jìn)劑188
4.9.5點(diǎn)火器191
4.9.6噴管191
4.9.7推力矢量控制192
4.10液體推進(jìn)系統(tǒng)194
4.10.1簡介194
4.10.2椎進(jìn)劑195
4.10.3推進(jìn)劑流量控制198
4.10.4噴注器198
4.10.5點(diǎn)火器199
4.10.6推力室199
4.10.7推力控制200
4.10.8舉例200
4.11冷氣系統(tǒng)204
4.12固液混合火箭204
4.13電推進(jìn)系統(tǒng)205
4.13.1簡述205
4.13.2電熱推進(jìn)206
4.13.3靜電推進(jìn)（離子推進(jìn)）207
4.13.4電磁推力器208
4.14其他推進(jìn)系統(tǒng)209
4.14.1核能209
4.14.2太陽帆210
4.15推進(jìn)系統(tǒng)估算210
4.16習(xí)題212
第5章 航天器姿態(tài)確定與控制216
5.1簡介216
5.2姿態(tài)描述217
5.2.1右手正交坐標(biāo)系218
5.2.2正交變換220
5.2.3旋轉(zhuǎn)矩陣223
5.2.4歐拉角99C
5.2.5四元數(shù)228
5.2.6更多參考資料230
5.3姿態(tài)運(yùn)動學(xué)230
5.3.1運(yùn)動坐標(biāo)系的變化率230
5.3.2方向余弦矩陣的運(yùn)動學(xué)公式232
5.3.3歐拉角描述的運(yùn)動學(xué)公式233
5.3.4運(yùn)動學(xué)公式（四元數(shù)）234
5.3.5更多參考資料234
5.4姿態(tài)測量9QC
5.4.1磁強(qiáng)計(jì)235
5.4.2太陽敏感器236
5.4.3地球地平線敏感器（地平儀）238
5.4.4星敏感器241
5.4.5陀螺儀242
5.4.6航天器敏感器配置243
5.4.7更多參考資料244
5.5姿態(tài)估計(jì)245
5.5.1確定性三軸姿態(tài)確定245
5.5.2最優(yōu)三軸姿態(tài)確定246
5.5.3 NewtonRaphson方法247
5.5.4旋轉(zhuǎn)軸的姿態(tài)確定248
5.5.5卡爾曼濾波249
5.5.6更多參考資料250
5.6姿態(tài)動力學(xué)250
5.6.1角動量和歐拉方程250
5.6.2剛體的無力矩運(yùn)動253
5.6.3對稱航天器的詳細(xì)姿態(tài)運(yùn)動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氣動力矩258
5.6.8太陽輻射力矩260
5.6.9姿態(tài)仿真261
5.6.10更多參考資料262
5.7姿態(tài)執(zhí)行器262
5.7.1動量輪和反作用飛輪262
5.7.2磁力矩器263
5.7.3推力器263
5.7.4章動阻尼器264
5.7.5溜溜球消旋265
5.7.6更多參考資料266
5.8姿態(tài)控制266
5.8.1反作用控制266
5.8.2磁力控制270
5.8.3自旋穩(wěn)定272
5.8.4重力梯度穩(wěn)定273
5.8.5重力梯度穩(wěn)定和自旋穩(wěn)定的組合276
5.8.6章動阻尼276
5.8.7標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)控制系統(tǒng)276
5.8.8振動277
5.8.9更多參考資料277
5.9實(shí)際航天器任務(wù)278
5.9.1磁場衛(wèi)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更多參考文獻(xiàn)288
5.10習(xí)題289
參考文獻(xiàn)293
第6章 航天器電源系統(tǒng)297
6.1簡介297
6.2空間環(huán)境297
6.2.1太陽能297
6.2.2地球的輻射環(huán)境298
6.3軌道因素298
6.3.1地心赤道坐標(biāo)系298
6.3.2航天器位置299
6.3.3太陽位置300
6.3.4軌道、地影區(qū)和光照周期300
6.3.5太陽能電池陣分析302
6.4能源304
6.4.1能源類型304
6.4.2放射性同位素溫差發(fā)電器306
6.4.3太陽能電池309
6.5太陽電池陣327
6.5.1陣列結(jié)構(gòu)327
6.5.2串并聯(lián)效應(yīng)329
6.5.3磁場的相關(guān)注意事項(xiàng)332
6.6儲能裝置333
6.6.1電化學(xué)電池333
6.6.2航天器電池組336
6.6.3燃料電池360
6.7太陽電池陣的功率控制技術(shù)362
6.7.1分流調(diào)節(jié)器362
6.7.2串聯(lián)式調(diào)節(jié)器366
6.8航天電源系統(tǒng)367
6.8.1直接能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)367
6.8.2非直接能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)374
6.8.3電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例375
6.9結(jié)論382
6.10習(xí)題382
參考文獻(xiàn)385
第7章 航天器熱控387
7.1簡介387
7.2設(shè)計(jì)程序概要388
7.3分析389
7.4熱分析390
7.5傳導(dǎo)391
7.6對流391
7.7節(jié)點(diǎn)近似值392
7.8方向依賴性材料屬性394
7.9輻射395
7.9.1輻射特性395
7.9.2真實(shí)表面之間的輻射交換398
7.10穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)400
7.11環(huán)境熱量輸入401
7.12軌道定義405
7.13分析軟件406
7.14設(shè)計(jì)過程406
7.15熱控硬件408
7.15.1散熱器408
7.15.2加熱器410
7.15.3多層絕熱411
7.15.4百葉窗413
7.15.5熱管道413
7.15.6倍增器416
7.16測試416
7.16.1工程測試416
7.16.2部件級測試417
7.16.3系統(tǒng)級測試417
7.17設(shè)計(jì)案例418
7.17.1直射太陽能加熱——熱軌道案例418
7.17.2直射太陽能加熱——冷軌道案例419
7.17.3反射加熱——熱軌道案例420
7.17.4反射加熱——冷軌道案例420
7.17.5地球紅外輻射加熱——冷軌道案例421
7.17.6地球紅外輻射加熱——熱軌道案例422
7.17.7總結(jié)424
7.18習(xí)題424
第8章 航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)427
8.1簡介427
8.2航天器系統(tǒng)需求428
8.3航天器構(gòu)型設(shè)計(jì)430
8.4質(zhì)量特性約束與估算437
8.4.1質(zhì)量特性約束437
8.4.2質(zhì)量預(yù)算437
8.5航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則——發(fā)射環(huán)境441
8.5.1起飛441
8.5.2最大風(fēng)力與跨音速抖振442
8.5.3助推器分離442
8.5.4擋熱板分離444
8.5.5旋轉(zhuǎn)穩(wěn)走444
8.5.6航天器分離444
8.6運(yùn)行環(huán)境444
8.6.1推進(jìn)系統(tǒng)444
8.6.2展開動力學(xué)444
8.6.3超穩(wěn)結(jié)構(gòu)445
8.6.4撓性結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)445
8.6.5再人軌道與再使用445
8.7結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)準(zhǔn)則445
8.7.1航天器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則447
8.7.2部件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則451
8.7.3安全系數(shù)與安全裕量453
8.8應(yīng)力分析456
8.8.1正應(yīng)力457
8.8.2切應(yīng)力462
8.8.3屈曲條件465
8.9結(jié)構(gòu)類型470
8.10結(jié)構(gòu)負(fù)載路徑473
8.11熱應(yīng)力475
8.12復(fù)合應(yīng)力與應(yīng)力比477
8.13材料482
8.13.1金屬482
8.13.2復(fù)合材料485
8.14結(jié)構(gòu)動力學(xué)488
8.14.1單自由度488
8.14.2連續(xù)系統(tǒng)492
8.15有限元分析501
8.15.1靜力學(xué)分析502
8.15.2動力學(xué)分析506
8.16發(fā)射負(fù)載——動力學(xué)耦合分析508
8.17結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與驗(yàn)證509
8.17.1強(qiáng)度試驗(yàn)510
8.17.2振動試驗(yàn)510
8.17.3正弦振動試驗(yàn)511
8.17.4低振幅正弦掃頻試驗(yàn)511
8.17.5高振幅正弦掃頻試驗(yàn)512
8.17.6正弦脈沖試驗(yàn)512
8.17.7正弦駐波試驗(yàn)513
8.17.8隨機(jī)振動試驗(yàn)513
8.17.9全水平隨機(jī)振動試驗(yàn)514
8.17.10工藝隨機(jī)振動試驗(yàn)514
8.17.11沖擊試驗(yàn)515
8.17.12噪聲試驗(yàn)515
8.17.13模態(tài)試驗(yàn)516
8.17.14旋轉(zhuǎn)平衡試驗(yàn)516
8.18習(xí)題517
第9章 空間通信526
9.1概述526
9.2無線電波傳播530
9.2.1天線及方向性增益530
9.2.2增益與天線面積531
9.2.3單向雷達(dá)范圍方程531
9.2.4分貝531
9.2.5天線的一些性質(zhì)532
9.2.6空間信道中的傳播效果535
9.3載波頻率的調(diào)制537
9.3.1模擬調(diào)制538
9.3.2復(fù)用及數(shù)字調(diào)制539
9.4噪聲——通信的擾動544
9.4.1噪聲來源545
9.4.2系統(tǒng)噪聲溫度546
9.4.3信噪比548
9.4.4鏈路裕量548
9.5航天通信鏈路設(shè)計(jì)示例549
9.6特殊通信概念553
9.6.1光通信553
9.6.2糾錯碼553
9.6.3加密及認(rèn)證554
9.6.4低概率截獲(IPI)通信555
9.6.5抗阻塞技術(shù)557
9.6.6距離及距離速率跟蹤～557
9.7習(xí)題558
第10章 航天器遙控與遙測560
10.1遙控系統(tǒng)560
10.1.1通用航天器遙控指令系統(tǒng)560
10.1.2遙控系統(tǒng)組件562
10.1.3系統(tǒng)需求574
10.1.4資源需求574
10.2遙測系統(tǒng)575
10.2.1傳感器576
10.2.2信號調(diào)節(jié)577
10.2.3信號選擇577
10.2.4到數(shù)字格式的轉(zhuǎn)換578
10.2.5處理579
10.2.6格式580
10.2.7數(shù)據(jù)存儲580
10.2.8調(diào)制及傳輸580
10.2.9自治580
10.2.10要求的資源582
10.3習(xí)題582
參考文獻(xiàn)583
第11章 星載計(jì)算機(jī)585
II.1中央處理單元586
11.2存儲器586
11.2.1只讀存儲器587
11.2.2隨機(jī)訪問存儲器587
11.2.3特殊存儲器587
11.3大容量存儲588
11.3.1磁盤588
11.3.2固態(tài)存儲器588
11.4輸入／輸出589
11.4.1端口589
11.4.2直接存儲器訪問590
11.4.3多端口存儲器591
11.4.4中斷591
11.4.5定時器592
11.4.6總線接口592
11.5放障容錯593
11.5.1抗輻射性593
11.5.2單粒子翻轉(zhuǎn)594
11.5.3CM()S閂鎖594
11.5.4奇偶性597
11.5.5錯誤檢測及糾正597
11.5.6三重模件冗余603
11.5.7多執(zhí)行603
11.5.8故障回滾604
11.5.9看門狗定時器604
11.5.10錯誤序列檢測605
11.6定制的特殊用途外圍設(shè)備605
11.6.1數(shù)據(jù)獲取605
11.6.2對數(shù)及數(shù)據(jù)壓縮606
11.6.3頻域轉(zhuǎn)換606
11.6.4頻譜累積606
11.6.5圖像處理607
11.7超大規(guī)模集成607
11.8習(xí)題608
參考文獻(xiàn)609
第12章 嵌入式軟件系統(tǒng)611
12.1簡介611
12.1.1優(yōu)勢612
12.1.2缺點(diǎn)612
12.2工程飛行軟件612
12.3軟件配置管理614
12.4組織614
12.5規(guī)模及估計(jì)616
12.6重用617
12.7過程617
12.8軟件檢查619
12.9軟件測試620
12.10軟件獨(dú)立驗(yàn)證及確認(rèn)622
12.11軟件質(zhì)量保證623
12.12刁題623
參考文獻(xiàn)624
第13章 航天器可靠性、質(zhì)量保證和輻射效應(yīng)626
13.1簡介626
13.1.1可靠性626
13.1.2質(zhì)量保證626
13.2可靠性627
13.2.1系統(tǒng)可靠性627
13.2.2可靠性評估工具：環(huán)境632
13.2.3可靠性評估工具：數(shù)學(xué)635
13.2.4安全性643
13.3質(zhì)量保證及零件選擇645
13.3.1系統(tǒng)性控制645
13.3.2審查651
13.3.3發(fā)射現(xiàn)場支持652
13.3.4航天系統(tǒng)可靠性——NEAR任務(wù)案例歷史653
13.4輻射655
13.4.1電離效應(yīng)656
13.4.2位移損壞660
13.4.3單粒子效應(yīng)664
13.4.4輻射效應(yīng)問題解決方案670
13.5習(xí)題673
參考文獻(xiàn)674
第14章 航天器集成與測試676
14.1簡介676
14.1.1航天器設(shè)計(jì)676
14.1.2術(shù)語676
14.1.3設(shè)計(jì)過程概述677
14.2集成和測試計(jì)劃682
14.2.1電氣設(shè)計(jì)交互682
14.2.2熱設(shè)計(jì)交互683
14.2.3機(jī)械設(shè)計(jì)交互683
14.2.4技術(shù)交流會683
14.2.5地面支持系統(tǒng)684
14.2.6機(jī)械模型686
14.2.7集成順序686
14.3集成與測試設(shè)施688
14.3.1設(shè)施進(jìn)度安排688
14.3.2設(shè)施清潔作業(yè)689
14.3.3便攜式設(shè)備689
14.3.4測試設(shè)備690
14.3.5運(yùn)輸690
14.4驗(yàn)證方案690
14.4.1測試序列690
14.4.2測試計(jì)劃與流程691
14.4.3子系統(tǒng)等級測試692
14.4.4航天器子系統(tǒng)測試695
14.4.5航天器級系統(tǒng)測試697
14.4.6發(fā)射場測試700
14.5習(xí)題700
第15章 空間任務(wù)操作702
15.1引言702
15.2地面輔助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和團(tuán)隊(duì)接口702
15.2.1任務(wù)操作中心703
15.2.2跟蹤網(wǎng)絡(luò)704
15.2.3有效載荷操作中心和有效載荷數(shù)據(jù)檔案704
15.2.4航天器和有效載荷704
15.2.5支持的任務(wù)操作705
15.2.6核心任務(wù)操作團(tuán)隊(duì)705
15.3任務(wù)階段和核心操作團(tuán)隊(duì)的責(zé)任705
15.3.1任務(wù)概念開發(fā)階段706
15.3.2任務(wù)要求和設(shè)計(jì)階段707
15.3.3飛行系統(tǒng)和地面系統(tǒng)開發(fā)階段707
15.3.4整合及環(huán)境測試708
15.3.5發(fā)射和轉(zhuǎn)運(yùn)708
15.3.6主要任務(wù)階段708
15.4任務(wù)多樣性710
15.5操作實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)712
15.5.1任務(wù)操作的概念712
15.5.2配置管理713
15.5.3飛行約束的應(yīng)用713
15.5.4培訓(xùn)和檢驗(yàn)714
15.5.5實(shí)時操作714
15.5.6文件編制714
15_5.7應(yīng)急計(jì)劃715
15.5.8航天器性能評估715
15.6習(xí)題716
第16章 納星概念設(shè)計(jì)718
16.1引言718
16.2任務(wù)描述718
16.3任務(wù)背景718
16.4系統(tǒng)需求719
16.5運(yùn)行管理概念721
16.6風(fēng)險評估722
16.7航天動力學(xué)799
16.8航天器結(jié)構(gòu)722
16.8.1水平支撐725
16.8.2對角支撐727
16.8.3小結(jié)727
16.9姿態(tài)確定和控制子系統(tǒng)729
16.10電源子系統(tǒng)732
16.11熱控子系統(tǒng)734
16.12通信子系統(tǒng)737
16.13項(xiàng)目流程741
參考文獻(xiàn)742
附錄A 單位、換算因子和常數(shù)743
附錄B 天體物理常數(shù)746
中英文對照表753
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