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第1章 空间系统工程与管理1

1.1 引言1

1.2 系统工程基础1

1.3 系统工程中的概念4

1.3.1 功能分析4

1.3.2 验证与确认4

1.3.3 技术成熟度5

1.3.4 质量裕量5

1.3.5 收益分析6

1.4 项目开发流程7

1.5 航天系统开发管理12

1.5.1 系统工程管理计划13

1.5.2 项目评审14

1.5.3 接口控制文档17

1.5.4 配置管理19

1.5.5 工作定义和工作分解结构20

1.5.6 任务调度24

1.5.7 成本估计31

1.5.8 挣值管理33

1.5.9 风险管理34

1.6 组织36

1.7 习题38

参考文献42

第2章 空间环境43

2.1 地球空间环境43

2.2 引力44

2.3 大气层46

2.3.1 高度特性46

2.3.2 热成层和外大气层的变化50

2.4 电离层53

2.4.1 电离54

2.4.2 等离子体频率59

2.4.3 德拜长度61

2.4.4 航天器带电64

2.4.5 撞击-尾流效应65

2.5 磁层65

2.5.1 地球内部磁场65

2.5.2 太阳风的影响68

2.5.3 带电粒子在偶极子磁场的运动69

2.5.4 磁层的分区78

2.5.5 磁暴和亚磁暴84

2.6 辐射85

2.7 行星际介质87

2.8 习题87

参考文献89

第3章 航天动力学92

3.1 引言92

3.2 动力学原理93

3.3 中心引力作用下的二体运动98

3.3.1 运动方程98

3.3.2 二体中心引力问题的解100

3.3.3 圆轨道104

3.3.4 椭圆轨道105

3.3.5 抛物线轨道108

3.3.6 双曲线轨道109

3.4 参考坐标系110

3.4.1 基本原理110

3.4.2 国际天球参考系112

3.4.3 国际地球参考系统113

3.4.4 IERS地球指向参数113

3.4.5 轨道根数115

3.5 时间系统116

3.5.1 儒略历117

3.5.2 格利高里日历118

3.5.3 国际原子时118

3.5.4 力学时118

3.5.5 坐标时119

3.5.6 恒星时119

3.5.7 世界时120

3.5.8 世界协调时122

3.5.9 全球定位系统时间122

3.6 轨道摄动理论基础123

3.6.1 拉格朗日行星方程124

3.6.2 Euler-Hill方程125

3.7 轨道摄动126

3.7.1 质量非均匀分布126

3.7.2 太阳和月球129

3.7.3 地球固体潮129

3.7.4 大气阻力130

3.7.5 辐射压力135

3.8 定轨135

3.8.1 两行轨道根数137

3.8.2 全球定位系统138

3.9 航天器覆盖率139

3.9.1 覆盖公式139

3.9.2 仰角和方位角指向140

3.9.3 多普勒频移141

3.9.4 典型轨道特性141

3.10 行星际轨道143

3.10.1 引力助推143

3.10.2 圆锥曲线拼接144

3.10.3 气动制动145

3.10.4 拉格朗日平动点146

3.11 习题147

参考文献151

第4章 航天器推进、发射系统和发射力学154

4.1 简介154

4.2 火箭推进的基本方程154

4.3 热力学关系158

4.4 喷管166

4.5 无外力作用下的火箭运动167

4.6 重力作用下的火箭运动172

4.7 发射飞行力学175

4.7.1 简介175

4.7.2 重力转向轨迹176

4.7.3 上升进入轨道179

4.7.4 发射场179

4.7.5 发射窗口181

4.8 轨道转移181

4.8.1 简介181

4.8.2 拉格朗日行星方程182

4.8.3 霍曼转移183

4.8.4 双椭圆轨道转移185

4.8.5 选择性轨道变换185

4.9 固体推进系统186

4.9.1 简介186

4.9.2 发动机壳体187

4.9.3 绝热层187

4.9.4 推进剂188

4.9.5 点火器191

4.9.6 喷管191

4.9.7 推力矢量控制192

4.10 液体推进系统194

4.10.1 简介194

4.10.2 推进剂195

4.10.3 推进剂流量控制198

4.10.4 喷注器198

4.10.5 点火器199

4.10.6 推力室199

4.10.7 推力控制200

4.10.8 举例200

4.11 冷气系统204

4.12 固液混合火箭204

4.13 电推进系统205

4.13.1 简述205

4.13.2 电热推进206

4.13.3 静电推进（离子推进）207

4.13.4 电磁推力器208

4.14 其他推进系统209

4.14.1 核能209

4.14.2 太阳帆210

4.15 推进系统估算210

4.16 习题212

第5章 航天器姿态确定与控制216

5.1 简介216

5.2 姿态描述217

5.2.1 右手正交坐标系218

5.2.2 正交变换220

5.2.3 旋转矩阵223

5.2.4 欧拉角225

5.2.5 四元数228

5.2.6 更多参考资料230

5.3 姿态运动学230

5.3.1 运动坐标系的变化率230

5.3.2 方向余弦矩阵的运动学公式232

5.3.3 欧拉角描述的运动学公式233

5.3.4 运动学公式（四元数）234

5.3.5 更多参考资料234

5.4 姿态测量235

5.4.1 磁强计235

5.4.2 太阳敏感器236

5.4.3 地球地平线敏感器（地平仪）238

5.4.4 星敏感器241

5.4.5 陀螺仪242

5.4.6 航天器敏感器配置243

5.4.7 更多参考资料244

5.5 姿态估计245

5.5.1 确定性三轴姿态确定245

5.5.2 最优三轴姿态确定246

5.5.3 Newton-Raphson方法247

5.5.4 旋转轴的姿态确定248

5.5.5 卡尔曼滤波249

5.5.6 更多参考资料250

5.6 姿态动力学250

5.6.1 角动量和欧拉方程250

5.6.2 刚体的无力矩运动253

5.6.3 对称航天器的详细姿态运动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 气动力矩258

5.6.8 太阳辐射力矩260

5.6.9 姿态仿真261

5.6.10 更多参考资料262

5.7 姿态执行器262

5.7.1 动量轮和反作用飞轮262

5.7.2 磁力矩器263

5.7.3 推力器263

5.7.4 章动阻尼器264

5.7.5 溜溜球消旋265

5.7.6 更多参考资料266

5.8 姿态控制266

5.8.1 反作用控制266

5.8.2 磁力控制270

5.8.3 自旋稳定272

5.8.4 重力梯度稳定273

5.8.5 重力梯度稳定和自旋稳定的组合276

5.8.6 章动阻尼276

5.8.7 标准姿态控制系统276

5.8.8 振动277

5.8.9 更多参考资料277

5.9 实际航天器任务278

5.9.1 磁场卫星（Magsat）278

5.9.2 TIMED航天器284

5.9.3 彗核之旅航天器286

5.9.4 更多参考文献288

5.10 习题289

参考文献293

第6章 航天器电源系统297

6.1 简介297

6.2 空间环境297

6.2.1 太阳能297

6.2.2 地球的辐射环境298

6.3 轨道因素298

6.3.1 地心赤道坐标系298

6.3.2 航天器位置299

6.3.3 太阳位置300

6.3.4 轨道、地影区和光照周期300

6.3.5 太阳能电池阵分析302

6.4 能源304

6.4.1 能源类型304

6.4.2 放射性同位素温差发电器306

6.4.3 太阳能电池309

6.5 太阳电池阵327

6.5.1 阵列结构327

6.5.2 串并联效应329

6.5.3 磁场的相关注意事项332

6.6 储能装置333

6.6.1 电化学电池333

6.6.2 航天器电池组336

6.6.3 燃料电池360

6.7 太阳电池阵的功率控制技术362

6.7.1 分流调节器362

6.7.2 串联式调节器366

6.8 航天电源系统367

6.8.1 直接能量转移系统367

6.8.2 非直接能量转移系统374

6.8.3 电源系统设计案例375

6.9 结论382

6.10 习题382

参考文献385

第7章 航天器热控387

7.1 简介387

7.2 设计程序概要388

7.3 分析389

7.4 热分析390

7.5 传导391

7.6 对流391

7.7 节点近似值392

7.8 方向依赖性材料属性394

7.9 辐射395

7.9.1 辐射特性395

7.9.2 真实表面之间的辐射交换398

7.10 稳态和瞬态400

7.11 环境热量输入401

7.12 轨道定义405

7.13 分析软件406

7.14 设计过程406

7.15 热控硬件408

7.15.1 散热器408

7.15.2 加热器410

7.15.3 多层绝热411

7.15.4 百叶窗413

7.15.5 热管道413

7.15.6 倍增器416

7.16 测试416

7.16.1 工程测试416

7.16.2 部件级测试417

7.16.3 系统级测试417

7.17 设计案例418

7.17.1 直射太阳能加热——热轨道案例418

7.17.2 直射太阳能加热——冷轨道案例419

7.17.3 反射加热——热轨道案例420

7.17.4 反射加热——冷轨道案例420

7.17.5 地球红外辐射加热——冷轨道案例421

7.17.6 地球红外辐射加热——热轨道案例422

7.17.7 总结424

7.18 习题424

第8章 航天器结构设计427

8.1 简介427

8.2 航天器系统需求428

8.3 航天器构型设计430

8.4 质量特性约束与估算437

8.4.1 质量特性约束437

8.4.2 质量预算437

8.5 航天器结构设计准则——发射环境441

8.5.1 起飞441

8.5.2 最大风力与跨音速抖振442

8.5.3 助推器分离442

8.5.4 挡热板分离444

8.5.5 旋转稳定444

8.5.6 航天器分离444

8.6 运行环境444

8.6.1 推进系统444

8.6.2 展开动力学444

8.6.3 超稳结构445

8.6.4 挠性结构控制系统445

8.6.5 再入轨道与再使用445

8.7 结构设计与试验准则445

8.7.1 航天器设计准则447

8.7.2 部件设计准则451

8.7.3 安全系数与安全裕量453

8.8 应力分析456

8.8.1 正应力457

8.8.2 切应力462

8.8.3 屈曲条件465

8.9 结构类型470

8.10 结构负载路径473

8.11 热应力475

8.12 复合应力与应力比477

8.13 材料482

8.13.1 金属482

8.13.2 复合材料485

8.14 结构动力学488

8.14.1 单自由度488

8.14.2 连续系统492

8.15 有限元分析501

8.15.1 静力学分析502

8.15.2 动力学分析506

8.16 发射负载——动力学耦合分析508

8.17 结构试验与验证509

8.17.1 强度试验510

8.17.2 振动试验510

8.17.3 正弦振动试验511

8.17.4 低振幅正弦扫频试验511

8.17.5 高振幅正弦扫频试验512

8.17.6 正弦脉冲试验512

8.17.7 正弦驻波试验513

8.17.8 随机振动试验513

8.17.9 水平随机振动试验514

8.17.10 工艺随机振动试验514

8.17.11 冲击试验515

8.17.12 噪声试验515

8.17.13 模态试验516

8.17.14 旋转平衡试验516

8.18 习题517

第9章 空间通信526

9.1 概述526

9.2 无线电波传播530

9.2.1 天线及方向性增益530

9.2.2 增益与天线面积531

9.2.3 单向雷达范围方程531

9.2.4 分贝531

9.2.5 天线的一些性质532

9.2.6 空间信道中的传播效果535

9.3 载波频率的调制537

9.3.1 模拟调制538

9.3.2 复用及数字调制539

9.4 噪声——通信的扰动544

9.4.1 噪声来源545

9.4.2 系统噪声温度546

9.4.3 信噪比548

9.4.4 链路裕量548

9.5 航天通信链路设计示例549

9.6 特殊通信概念553

9.6.1 光通信553

9.6.2 纠错码553

9.6.3 加密及认证554

9.6.4 低概率截获（LPI）通信555

9.6.5 抗阻塞技术557

9.6.6 距离及距离-速率跟踪557

9.7 习题558

第10章 航天器遥控与遥测560

10.1 遥控系统560

10.1.1 通用航天器遥控指令系统560

10.1.2 遥控系统组件562

10.1.3 系统需求574

10.1.4 资源需求574

10.2 遥测系统575

10.2.1 传感器576

10.2.2 信号调节577

10.2.3 信号选择577

10.2.4 到数字格式的转换578

10.2.5 处理579

10.2.6 格式580

10.2.7 数据存储580

10.2.8 调制及传输580

10.2.9 自治580

10.2.10 要求的资源582

10.3 习题582

参考文献583

第11章 星载计算机585

11.1 中央处理单元586

11.2 存储器586

11.2.1 只读存储器587

11.2.2 随机访问存储器587

11.2.3 特殊存储器587

11.3 大容量存储588

11.3.1 磁盘588

11.3.2 固态存储器588

11.4 输入／输出589

11.4.1 端口589

11.4.2 直接存储器访问590

11.4.3 多端口存储器591

11.4.4 中断591

11.4.5 定时器592

11.4.6 总线接口592

11.5 故障容错593

11.5.1 抗辐射性593

11.5.2 单粒子翻转594

11.5.3 CMOS闩锁594

11.5.4 奇偶性597

11.5.5 错误检测及纠正597

11.5.6 三重模件冗余603

11.5.7 多执行603

11.5.8 故障回滚604

11.5.9 看门狗定时器604

11.5.10 错误序列检测605

11.6 定制的特殊用途外围设备605

11.6.1 数据获取605

11.6.2 对数及数据压缩606

11.6.3 频域转换606

11.6.4 频谱累积606

11.6.5 图像处理607

11.7 超大规模集成607

11.8 习题608

参考文献609

第12章 嵌入式软件系统611

12.1 简介611

12.1.1 优势612

12.1.2 缺点612

12.2 工程飞行软件612

12.3 软件配置管理614

12.4 组织614

12.5 规模及估计616

12.6 重用617

12.7 过程617

12.8 软件检查619

12.9 软件测试620

12.10 软件独立验证及确认622

12.11 软件质量保证623

12.12 习题623

参考文献624

第13章 航天器可靠性、质量保证和辐射效应626

13.1 简介626

13.1.1 可靠性626

13.1.2 质量保证626

13.2 可靠性627

13.2.1 系统可靠性627

13.2.2 可靠性评估工具：环境632

13.2.3 可靠性评估工具：数学635

13.2.4 安全性643

13.3 质量保证及零件选择645

13.3.1 系统性控制645

13.3.2 审查651

13.3.3 发射现场支持652

13.3.4 航天系统可靠性——NEAR任务案例历史653

13.4 辐射655

13.4.1 电离效应656

13.4.2 位移损坏660

13.4.3 单粒子效应664

13.4.4 辐射效应问题解决方案670

13.5 习题673

参考文献674

第14章 航天器集成与测试676

14.1 简介676

14.1.1 航天器设计676

14.1.2 术语676

14.1.3 设计过程概述677

14.2 集成和测试计划682

14.2.1 电气设计交互682

14.2.2 热设计交互683

14.2.3 机械设计交互683

14.2.4 技术交流会683

14.2.5 地面支持系统684

14.2.6 机械模型686

14.2.7 集成顺序686

14.3 集成与测试设施688

14.3.1 设施进度安排688

14.3.2 设施清洁作业689

14.3.3 便携式设备689

14.3.4 测试设备690

14.3.5 运输690

14.4 验证方案690

14.4.1 测试序列690

14.4.2 测试计划与流程691

14.4.3 子系统等级测试692

14.4.4 航天器子系统测试695

14.4.5 航天器级系统测试697

14.4.6 发射场测试700

14.5 习题700

第15章 空间任务操作702

15.1 引言702

15.2 地面辅助系统结构和团队接口702

15.2.1 任务操作中心703

15.2.2 跟踪网络704

15.2.3 有效载荷操作中心和有效载荷数据档案704

15.2.4 航天器和有效载荷704

15.2.5 支持的任务操作705

15.2.6 核心任务操作团队705

15.3 任务阶段和核心操作团队的责任705

15.3.1 任务概念开发阶段706

15.3.2 任务要求和设计阶段707

15.3.3 飞行系统和地面系统开发阶段707

15.3.4 整合及环境测试708

15.3.5 发射和转运708

15.3.6 主要任务阶段708

15.4 任务多样性710

15.5 操作实践标准712

15.5.1 任务操作的概念712

15.5.2 配置管理713

15.5.3 飞行约束的应用713

15.5.4 培训和检验714

15.5.5 实时操作714

15.5.6 文件编制714

15.5.7 应急计划715

15.5.8 航天器性能评估715

15.6 习题716

第16章 纳星概念设计718

16.1 引言718

16.2 任务描述718

16.3 任务背景718

16.4 系统需求719

16.5 运行管理概念721

16.6 风险评估722

16.7 航天动力学722

16.8 航天器结构722

16.8.1 水平支撑725

16.8.2 对角支撑727

16.8.3 小结727

16.9 姿态确定和控制子系统729

16.10 电源子系统732

16.11 热控子系统734

16.12 通信子系统737

16.13 项目流程741

参考文献742

附录A 单位、换算因子和常数743

附录B 天体物理常数746

中英文对照表753