目錄
譯者序
前言
原書編寫人員簡(jiǎn)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(píng)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(xiǎn)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(zhǎng)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(chǎng)65
2.5.2太陽(yáng)風(fēng)的影響68
2.5.3帶電粒子在偶極子磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)力學(xué)92
3.1引言92
3.2動(dòng)力學(xué)原理93
3.3中心引力作用下的二體運(yùn)動(dòng)98
3.3.1運(yùn)動(dòng)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(guó)際天球參考系112
3.4.3國(guó)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(shí)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(guó)際原子時(shí)118
3.5.4力學(xué)時(shí)118
3.5.5坐標(biāo)時(shí)119
3.5.6恒星時(shí)119
3.5.7世界時(shí)120
3.5.8世界協(xié)調(diào)時(shí)122
3.5.9全球定位系統(tǒng)時(shí)間122
3.6軌道攝動(dòng)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(dòng)126
3.7.1質(zhì)量非均勻分布126
3.7.2太陽(yáng)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(dòng)制動(dòng)145
3.10.4拉格朗日平動(dòng)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(jiǎn)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(dòng)167
4.6重力作用下的火箭運(yùn)動(dòng)172
4.7發(fā)射飛行力學(xué)175
4.7.1簡(jiǎn)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(chǎng)179
4.7.5發(fā)射窗口181
4.8軌道轉(zhuǎn)移181
4.8.1簡(jiǎn)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(jiǎn)介186
4.9.2發(fā)動(dòng)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(jiǎn)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(jiǎn)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(yáng)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(jiǎn)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(dòng)學(xué)230
5.3.1運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的變化率230
5.3.2方向余弦矩陣的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式232
5.3.3歐拉角描述的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式233
5.3.4運(yùn)動(dòng)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(cè)量9QC
5.4.1磁強(qiáng)計(jì)235
5.4.2太陽(yáng)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(dòng)力學(xué)250
5.6.1角動(dòng)量和歐拉方程250
5.6.2剛體的無力矩運(yùn)動(dòng)253
5.6.3對(duì)稱航天器的詳細(xì)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)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(dòng)力矩258
5.6.8太陽(yáng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)阻尼276
5.8.7標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)控制系統(tǒng)276
5.8.8振動(dòng)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(chǎng)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(jiǎn)介297
6.2空間環(huán)境297
6.2.1太陽(yáng)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(yáng)位置300
6.3.4軌道、地影區(qū)和光照周期300
6.3.5太陽(yáng)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(yáng)能電池309
6.5太陽(yáng)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(chǎng)的相關(guān)注意事項(xiàng)332
6.6儲(chǔ)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(yáng)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(jiǎn)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(duì)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(cè)試416
7.16.1工程測(cè)試416
7.16.2部件級(jí)測(cè)試417
7.16.3系統(tǒng)級(jí)測(cè)試417
7.17設(shè)計(jì)案例418
7.17.1直射太陽(yáng)能加熱——熱軌道案例418
7.17.2直射太陽(yáng)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(jiǎn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)分析506
8.16發(fā)射負(fù)載——?jiǎng)恿�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(dòng)試驗(yàn)510
8.17.3正弦振動(dòng)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(dòng)試驗(yàn)513
8.17.9全水平隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)514
8.17.10工藝隨機(jī)振動(dòng)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(dòng)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(cuò)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(cè)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(cè)系統(tǒng)575
10.2.1傳感器576
10.2.2信號(hào)調(diào)節(jié)577
10.2.3信號(hào)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(chǔ)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(chǔ)器586
11.2.1只讀存儲(chǔ)器587
11.2.2隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器587
11.2.3特殊存儲(chǔ)器587
11.3大容量存儲(chǔ)588
11.3.1磁盤588
11.3.2固態(tài)存儲(chǔ)器588
11.4輸入／輸出589
11.4.1端口589
11.4.2直接存儲(chǔ)器訪問590
11.4.3多端口存儲(chǔ)器591
11.4.4中斷591
11.4.5定時(shí)器592
11.4.6總線接口592
11.5放障容錯(cuò)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(cuò)誤檢測(cè)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(shí)器604
11.5.10錯(cuò)誤序列檢測(cè)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(duì)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(jiǎn)介611
12.1.1優(yōu)勢(shì)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(cè)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(jiǎn)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(píng)估工具：環(huán)境632
13.2.3可靠性評(píng)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(chǎng)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(cè)試676
14.1簡(jiǎn)介676
14.1.1航天器設(shè)計(jì)676
14.1.2術(shù)語(yǔ)676
14.1.3設(shè)計(jì)過程概述677
14.2集成和測(cè)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(huì)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(cè)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(cè)試設(shè)備690
14.3.5運(yùn)輸690
14.4驗(yàn)證方案690
14.4.1測(cè)試序列690
14.4.2測(cè)試計(jì)劃與流程691
14.4.3子系統(tǒng)等級(jí)測(cè)試692
14.4.4航天器子系統(tǒng)測(cè)試695
14.4.5航天器級(jí)系統(tǒng)測(cè)試697
14.4.6發(fā)射場(chǎng)測(cè)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(cè)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(shí)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(píng)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(xiǎn)評(píng)估722
16.7航天動(dòng)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(duì)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(duì)照表753