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驗證與確認4
1.3.3技術成熟度5
1.3.4質量裕量5
1.3.5收益分析6
1.4項目開發(fā)流程7
1.5航天系統(tǒng)開發(fā)管理12
1.5.1系統(tǒng)工程管理計劃13
1.5.2項目評審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構20
1.5.6任務調度24
1.5.7成本估計31
1.5.8掙值管理33
1.5.9風險管理34
1.6組織36
1.7習題38
參考文獻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65
2.5磁層65
2.5.1地球內部磁場65
2.5.2太陽風的影響68
2.5.3帶電粒子在偶極子磁場的運動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87
2.8習題87
參考文獻89
第3章 航天動力學92
3.1引言92
3.2動力學原理93
3.3中心引力作用下的二體運動98
3.3.1運動方程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113
3.4.5軌道根數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力學時118
3.5.5坐標時119
3.5.6恒星時119
3.5.7世界時120
3.5.8世界協(xié)調時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146
3.11習題147
參考文獻151
第4章 航天器推進、發(fā)射系統(tǒng)和發(fā)射力學154
4.1簡介154
4.2火箭推進的基本方程154
4.3熱力學關系158
4.4噴管166
4.5無外力作用下的火箭運動167
4.6重力作用下的火箭運動172
4.7發(fā)射飛行力學175
4.7.1簡介175
4.7.2重力轉向軌跡176
4.7.3上升進入軌道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霍曼轉移183
4.8.4雙橢圓軌道轉移185
4.8.5選擇性軌道變換185
4.9固體推進系統(tǒng)186
4.9.1簡介186
4.9.2發(fā)動機殼體187
4.9.3絕熱層187
4.9.4推進劑188
4.9.5點火器191
4.9.6噴管191
4.9.7推力矢量控制192
4.10液體推進系統(tǒng)194
4.10.1簡介194
4.10.2椎進劑195
4.10.3推進劑流量控制198
4.10.4噴注器198
4.10.5點火器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電推進系統(tǒng)205
4.13.1簡述205
4.13.2電熱推進206
4.13.3靜電推進（離子推進）207
4.13.4電磁推力器208
4.14其他推進系統(tǒng)209
4.14.1核能209
4.14.2太陽帆210
4.15推進系統(tǒng)估算210
4.16習題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右手正交坐標系218
5.2.2正交變換220
5.2.3旋轉矩陣223
5.2.4歐拉角99C
5.2.5四元數228
5.2.6更多參考資料230
5.3姿態(tài)運動學230
5.3.1運動坐標系的變化率230
5.3.2方向余弦矩陣的運動學公式232
5.3.3歐拉角描述的運動學公式233
5.3.4運動學公式（四元數）234
5.3.5更多參考資料234
5.4姿態(tài)測量9QC
5.4.1磁強計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250
5.6.1角動量和歐拉方程250
5.6.2剛體的無力矩運動253
5.6.3對稱航天器的詳細姿態(tài)運動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標準姿態(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實際航天器任務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288
5.10習題289
參考文獻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陣列結構327
6.5.2串并聯(lián)效應329
6.5.3磁場的相關注意事項332
6.6儲能裝置333
6.6.1電化學電池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362
6.7.1分流調節(jié)器362
6.7.2串聯(lián)式調節(jié)器366
6.8航天電源系統(tǒng)367
6.8.1直接能量轉移系統(tǒng)367
6.8.2非直接能量轉移系統(tǒng)374
6.8.3電源系統(tǒng)設計案例375
6.9結論382
6.10習題382
參考文獻385
第7章 航天器熱控387
7.1簡介387
7.2設計程序概要388
7.3分析389
7.4熱分析390
7.5傳導391
7.6對流391
7.7節(jié)點近似值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設計過程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設計案例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424
7.18習題424
第8章 航天器結構設計427
8.1簡介427
8.2航天器系統(tǒng)需求428
8.3航天器構型設計430
8.4質量特性約束與估算437
8.4.1質量特性約束437
8.4.2質量預算437
8.5航天器結構設計準則——發(fā)射環(huán)境441
8.5.1起飛441
8.5.2最大風力與跨音速抖振442
8.5.3助推器分離442
8.5.4擋熱板分離444
8.5.5旋轉穩(wěn)走444
8.5.6航天器分離444
8.6運行環(huán)境444
8.6.1推進系統(tǒng)444
8.6.2展開動力學444
8.6.3超穩(wěn)結構445
8.6.4撓性結構控制系統(tǒng)445
8.6.5再人軌道與再使用445
8.7結構設計與試驗準則445
8.7.1航天器設計準則447
8.7.2部件設計準則451
8.7.3安全系數與安全裕量453
8.8應力分析456
8.8.1正應力457
8.8.2切應力462
8.8.3屈曲條件465
8.9結構類型470
8.10結構負載路徑473
8.11熱應力475
8.12復合應力與應力比477
8.13材料482
8.13.1金屬482
8.13.2復合材料485
8.14結構動力學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靜力學分析502
8.15.2動力學分析506
8.16發(fā)射負載——動力學耦合分析508
8.17結構試驗與驗證509
8.17.1強度試驗510
8.17.2振動試驗510
8.17.3正弦振動試驗511
8.17.4低振幅正弦掃頻試驗511
8.17.5高振幅正弦掃頻試驗512
8.17.6正弦脈沖試驗512
8.17.7正弦駐波試驗513
8.17.8隨機振動試驗513
8.17.9全水平隨機振動試驗514
8.17.10工藝隨機振動試驗514
8.17.11沖擊試驗515
8.17.12噪聲試驗515
8.17.13模態(tài)試驗516
8.17.14旋轉平衡試驗516
8.18習題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單向雷達范圍方程531
9.2.4分貝531
9.2.5天線的一些性質532
9.2.6空間信道中的傳播效果535
9.3載波頻率的調制537
9.3.1模擬調制538
9.3.2復用及數字調制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航天通信鏈路設計示例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加密及認證554
9.6.4低概率截獲(IPI)通信555
9.6.5抗阻塞技術557
9.6.6距離及距離速率跟蹤～557
9.7習題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信號調節(jié)577
10.2.3信號選擇577
10.2.4到數字格式的轉換578
10.2.5處理579
10.2.6格式580
10.2.7數據存儲580
10.2.8調制及傳輸580
10.2.9自治580
10.2.10要求的資源582
10.3習題582
參考文獻583
第11章 星載計算機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備605
11.6.1數據獲取605
11.6.2對數及數據壓縮606
11.6.3頻域轉換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習題608
參考文獻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軟件獨立驗證及確認622
12.11軟件質量保證623
12.12刁題623
參考文獻624
第13章 航天器可靠性、質量保證和輻射效應626
13.1簡介626
13.1.1可靠性626
13.1.2質量保證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：數學635
13.2.4安全性643
13.3質量保證及零件選擇645
13.3.1系統(tǒng)性控制645
13.3.2審查651
13.3.3發(fā)射現場支持652
13.3.4航天系統(tǒng)可靠性——NEAR任務案例歷史653
13.4輻射655
13.4.1電離效應656
13.4.2位移損壞660
13.4.3單粒子效應664
13.4.4輻射效應問題解決方案670
13.5習題673
參考文獻674
第14章 航天器集成與測試676
14.1簡介676
14.1.1航天器設計676
14.1.2術語676
14.1.3設計過程概述677
14.2集成和測試計劃682
14.2.1電氣設計交互682
14.2.2熱設計交互683
14.2.3機械設計交互683
14.2.4技術交流會683
14.2.5地面支持系統(tǒng)684
14.2.6機械模型686
14.2.7集成順序686
14.3集成與測試設施688
14.3.1設施進度安排688
14.3.2設施清潔作業(yè)689
14.3.3便攜式設備689
14.3.4測試設備690
14.3.5運輸690
14.4驗證方案690
14.4.1測試序列690
14.4.2測試計劃與流程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習題700
第15章 空間任務操作702
15.1引言702
15.2地面輔助系統(tǒng)結構和團隊接口702
15.2.1任務操作中心703
15.2.2跟蹤網絡704
15.2.3有效載荷操作中心和有效載荷數據檔案704
15.2.4航天器和有效載荷704
15.2.5支持的任務操作705
15.2.6核心任務操作團隊705
15.3任務階段和核心操作團隊的責任705
15.3.1任務概念開發(fā)階段706
15.3.2任務要求和設計階段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)射和轉運708
15.3.6主要任務階段708
15.4任務多樣性710
15.5操作實踐標準712
15.5.1任務操作的概念712
15.5.2配置管理713
15.5.3飛行約束的應用713
15.5.4培訓和檢驗714
15.5.5實時操作714
15.5.6文件編制714
15_5.7應急計劃715
15.5.8航天器性能評估715
15.6習題716
第16章 納星概念設計718
16.1引言718
16.2任務描述718
16.3任務背景718
16.4系統(tǒng)需求719
16.5運行管理概念721
16.6風險評估722
16.7航天動力學799
16.8航天器結構722
16.8.1水平支撐725
16.8.2對角支撐727
16.8.3小結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項目流程741
參考文獻742
附錄A 單位、換算因子和常數743
附錄B 天體物理常數746
中英文對照表753