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第1章　空间环境及其对航天活动的影响1

1.1　概述1

1.2　太阳及其活动2

1.2.1　太阳电磁辐射2

1.2.2　太阳风2

1.2.3　太阳活动2

1.3　地球空间环境4

1.3.1　引力场与微重力4

1.3.2　中性大气5

1.3.3　真空7

1.3.4　电离层7

1.3.5　磁场与磁层8

1.3.6　高能粒子辐射环境10

1.3.7　微流星体和空间碎片13

1.4　行星际空间环境14

1.5　空间环境对航天器运行的影响14

1.5.1　对航天器运行轨道的影响14

1.5.2　姿态干扰16

1.6　空间环境对结构和材料的影响16

1.6.1　辐射损伤16

1.6.2　材料放气18

1.6.3　污染19

1.6.4　材料表面的原子氧剥蚀19

1.6.5　撞击损伤21

1.6.6　接触表面黏着和冷焊21

1.7　航天器充电与放电22

1.7.1　真空放电22

1.7.2　微放电22

1.7.3　表面静电充放电22

1.7.4　体内放电23

1.7.5　低压静电充放电23

1.8　电离层对电波传播的影响24

1.8.1　吸收与衰减24

1.8.2　折射24

1.8.3　法拉第旋转25

1.9　空间环境对电子器件的影响26

1.9.1　热环境26

1.9.2　辐射损伤26

1.9.3　单粒子事件及其对策27

1.10　空间环境对航天员的影响28

1.10.1　真空28

1.10.2　微重力28

1.10.3　辐射损伤29

参考文献30

第2章　航天器动力学31

2.1　概述31

2.1.1　质心的平动与绕质心的转动31

2.1.2　航天器的姿态与轨道32

2.2　航天器轨道动力学32

2.2.1　二体问题32

2.2.2　轨道确定35

2.2.3　轨道摄动37

2.2.4　限制性三体问题42

2.3　航天器姿态动力学43

2.3.1　姿态参考系与姿态参数43

2.3.2　姿态动力学方程44

2.3.3　主要环境力矩46

参考文献51

第3章　航天任务分析52

3.1　概述52

3.1.1　航天任务52

3.1.2　航天系统52

3.1.3　航天任务阶段53

3.1.4　航天任务分析53

3.1.5　用户需求和任务目标54

3.2　任务需求分析和可行性论证55

3.2.1　任务需求分析55

3.2.2　可行性论证56

3.2.3　任务分析的成功案例58

3.3　有效载荷58

3.3.1　通信有效载荷59

3.3.2　导航有效载荷59

3.3.3　遥感有效载荷59

3.3.4　科学仪器60

3.4　航天器轨道60

3.4.1　航天器轨道60

3.4.2　航天器轨道描述60

3.4.3　星下点轨迹62

3.4.4　轨道摄动63

3.4.5　轨道转移65

3.5　运行轨道选择与分析67

3.5.1　轨道类型选择67

3.5.2　轨道参数的选择与设计68

3.5.3　航天任务的常用轨道68

3.6　覆盖分析72

3.6.1　地面站对轨道的覆盖72

3.6.2　航天器对地面的覆盖73

3.6.3　航天器的地面瞬时覆盖区73

3.6.4　航天器的地面覆盖带74

3.7　星座75

3.7.1　提高重访频率75

3.7.2　星座的连续覆盖76

3.7.3　星座的构型77

3.7.4　多重覆盖78

3.8　航天器的地影星食79

3.8.1　圆轨道的地影星食79

3.8.2　地球静止轨道的地影星食80

3.8.3　椭圆轨道的地影星食81

3.9　行星际飞行任务82

3.9.1　圆锥轨道拼接82

3.9.2　飞往行星的轨道83

3.9.3　行星引力机动85

参考文献86

第4章　航天器姿态与轨道控制87

4.1　概述87

4.1.1　姿态与轨道控制的作用87

4.1.2　几种姿态稳定方式87

4.1.3　控制系统设计的目标与约束条件89

4.1.4　姿控系统的组成89

4.2　姿态敏感器与姿态确定89

4.2.1　姿态敏感器89

4.2.2　姿态确定方法92

4.3　姿态执行机构93

4.3.1　主要姿态执行机构93

4.3.2　如何选择执行机构93

4.4　姿态控制率的设计93

4.4.1　喷气姿控系统设计93

4.4.2　动量交换装置姿控系统概述95

4.4.3　零动量轮控制系统的设计97

4.4.4　偏置动量系统的设计100

4.5　轨道控制104

4.5 1　概述104

4.5.2　霍曼变轨105

4.5.3　实用变轨计算106

4.5.4　太阳同步轨道控制107

4.5.5　太阳同步轨道的维持109

4.5.6　推力模型与在轨标定110

4.6　推进系统111

4.6.1　推进系统的作用和工作原理111

4.6.2　姿态轨道控制对推进系统的要求111

4.6.3　推进系统分类112

4.6.4　推进系统研制的主要问题119

参考文献123

第5章　航天器结构与机构124

5.1　概述124

5.1.1　航天器结构与机构的定义124

5.1.2　航天器结构与机构的主要功能124

5.1.3　航天器结构与机构的主要类型126

5.2　航天器载荷130

5.2.1　载荷的性质130

5.2.2　载荷的来源131

5.2.3　载荷的确定131

5.2.4　力学环境试验的载荷条件132

5.3　航天器结构与机构材料133

5.3.1　对材料的性能要求133

5.3.2　金属材料134

5.3.3　复合材料136

5.3.4　航天器结构与机构材料的选择139

5.4　航天器结构设计139

5.4.1　结构设计的特点139

5.4.2　结构设计的技术要求140

5.4.3　结构方案设计140

5.4.4　结构强度验证143

5.5　航天器结构分析144

5.5.1　结构分析的基本概念、重要性和方法144

5.5.2　静力分析145

5.5.3　模态分析147

5.5.4　动态响应分析147

5.6　航天器机构设计148

5.6.1　机构设计的特点148

5.6.2　机构设计的技术要求149

5.6.3　力矩裕度149

5.6.4　机构可靠性150

5.6.5　机构润滑设计151

5.7　航天器结构与机构举例——太阳翼152

5.7.1　太阳翼构造152

5.7.2　太阳翼结构154

5.7.3　太阳翼机构154

5.7.4　太阳翼特性分析156

5.7.5　太阳翼试验158

5.8　航天器结构与机构的发展159

5.8.1　航天器结构与机构的发展趋势159

5.8.2　新型航天器结构与机构举例160

参考文献162

第6章　航天器热控制164

6.1　概述164

6.1.1　航天器热控制系统的任务164

6.1.2　航天器热控制系统的需求分析165

6.2　传热学基础166

6.2.1　空间传热的特点166

6.2.2　辐射传热的基本概念166

6.2.3　热传导基础168

6.2.4　对流换热169

6.3　空间热环境170

6.3.1　真空和低温170

6.3.2　空间热辐射170

6.3.3　与航天器热性能有关的其他空间环境173

6.3.4　航天器热控制的基本原理174

6.4　航天器被动和主动热控制技术175

6.4.1　航天器被动热控制技术简介175

6.4.2　航天器主动热控制技术简介183

6.4.3　空间辐射器187

6.5　航天器热分析模型基础188

6.5.1　热网络模型的数学描述189

6.5.2　建立热分析模型应注意的问题190

6.5.3　热分析技术简介191

6.6　航天器热控制系统设计192

6.6.1　航天器热控制系统设计概述192

6.6.2　典型部件热设计193

6.6.3　航天器电子设备热设计简介194

6.6.4　光-机-热一体化设计简介195

6.7　航天器热设计的试验验证196

6.7.1　整星（船）热平衡试验的目的197

6.7.2　整星（船）热平衡试验方法197

6.8　航天器热控制技术的发展动向200

6.8.1　航天器的需求推动热控技术的发展200

6.8.2　热控制系统自身发展的需要200

参考文献201

第7章　航天器电源技术202

7.1　概述202

7.1.1 电源分系统基本组成202

7.1.2　太阳电池阵／蓄电池组电源系统特性203

7.1.3　影响太阳电池阵／蓄电池组电源系统设计的因素205

7.1.4　航天器电源分系统可靠性207

7.1.5　接口控制209

7.2　发电技术209

7.2.1　能源转换器件及发电装置的选择209

7.2.2　太阳电池210

7.2.3　太阳电池阵211

7.2.4　发电新技术219

7.2.5　其他发电装置220

7.3　储能技术221

7.3.1　Cd-Ni蓄电池221

7.3.2　H2-Ni蓄电池225

7.3.3　锂离子蓄电池229

7.3.4　新储能方法230

7.4　电源控制技术231

7.4.1 电源控制装置功能和组成231

7.4.2　一次电源母线231

7.4.3　太阳电池阵的功率调节233

7.4.4　蓄电池组放电控制和放电功率调节237

7.4.5　充电功率调节和过充电保护控制239

7.4.6　蓄电池组在轨再调整241

7.4.7　多母线并网242

7.4.8　智能电源管理242

7.5　总体电路243

7.5.1　航天器配电体制243

7.5.2　总体电路的任务及组成243

7.5.3　航天器配电器244

7.5.4　火工品起爆控制器（管理器）245

7.5.5　航天器电缆网246

7.5.6　电源变换器249

7.5.7　功率管理和分配新思路252

参考文献252

第8章　航天器遥测遥控与空间数据系统253

8.1　概述253

8.1.1　航天器遥测253

8.1.2　航天器遥控257

8.1.3　航天器测轨定位260

8.1.4　航天器数据管理系统261

8.1.5　航天器测控信道编码263

8.1.6　航天测控地面系统264

8.2　遥测遥控数管系统的应用设计266

8.2.1　有效利用遥测资源266

8.2.2　做好测控数管任务分析268

8.2.3　注重提高遥控的可靠性和安全性269

8.2.4　从星地一体化高度优化设计270

8.2.5　一些重要的测控应用设计准则275

8.2.6　重视遥测遥控接口275

8.2.7　保证空间数据安全277

8.2.8　采用CCSDS体制应做的特殊设计279

8.3　空间数据系统技术的重要发展方向281

8.3.1 有效载荷与平台数据流的统一：高级在轨系统281

8.3.2　近距空间链路数据系统285

8.3.3　空间文件传输协议286

8.3.4　空间因特网287

参考文献290

第9章　航天器通信291

9.1　概述291

9.2　基础理论简介292

9.2.1　可供使用的频率资源292

9.2.2　电波传播294

9.2.3　信息传输297

9.2.4　干扰与防护310

9.3　通信系统的工程实现313

9.3.1　通信条件的建立314

9.3.2　通信容量的拓展315

9.3.3　航天器通信设备特有的一些问题322

9.4　试验与测试有关问题328

9.4.1　低气压放电和微放电检测328

9.4.2　互调测试329

9.4.3　微重力有关问题329

9.4.4　星载通信系统的系统测试331

9.4.5　星地对接试验331

9.4.6　通信系统在轨测试332

9.5　展望332

参考文献333

第10章　航天器天线334

10.1　概述334

10.1.1　航天器天线定义334

10.1.2　航天器天线的分类334

10.1.3　航天器天线的技术特点335

10.2　航天器天线性能参数335

10.2.1　辐射源的场区和功率传输335

10.2.2　航天器天线电性技术参数336

10.2.3　航天器天线环境性能参数344

10.2.4　航天器天线的高可靠性344

10.2.5　航天器天线的特殊功能与性能344

10.3　航天器天线设计与研制方法344

10.3.1　航天器天线的设计内容344

10.3.2　航天器天线的研制方法346

10.4　航天器天线的辐射分析347

10.4.1　场的等效源原理347

10.4.2　电磁流元和短振子辐射348

10.4.3　线源辐射351

10.4.4 口径辐射353

10.4.5　阵列辐射358

10.5　航天器天线的工程化问题362

10.5.1　航天器天线工程化问题的基本内容362

10.5.2　航天器天线的结构363

10.5.3　航天器天线的验证试验364

10.5.4　可靠性工作368

10.6　航天器天线的EMC问题368

10.6.1　航天器天线集合的干扰现象369

10.6.2　航天器天线的无源互调369

10.6.3　航天器天线的电压击穿370

10.6.4　航天器天线集合的电磁兼容（EMC）问题375

10.6.5　航天器天线集合的EMC设计与工程实施377

10.7　现代航天器天线的CAD/CAE/CAM技术378

10.7.1　现代航天器天线的电-机-热一体化集成设计概念378

10.7.2　毫米波高精度反射面天线的CAD/CAE/CAM技术379

10.7.3　航天器天线集合的电磁CAD模装技术382

10.8　现代航天器天线面临的技术挑战和机遇385

10.8.1　大容量、宽频段卫星通信需求385

10.8.2　航天立体信息网的信息传输需求387

10.8.3　发展航天器天线新技术389

参考文献389

第11章　航天器电磁兼容技术391

11.1 概述391

11.1.1　EMC学科发展历史和研究内容391

11.1.2　基础知识392

11.1.3　EMC标准394

11.1.4　EMC技术在航天领域的应用395

11.2　EMC预测分析的工程应用395

11.2.1　EMC预测分析原理396

11.2.2　EMC预测分析方法397

11.2.3　EMC预测分析案例398

11.3　航天器EMC设计402

11.3.1　航天器EMC设计程序403

11.3.2　航天器EMC设计原则404

11.3.3　系统级EMC设计要求405

11.3.4　航天器EMC设计实施406

11.4　航天器系统EMC试验验证412

11.4.1　设备和分系统EMC试验验收413

11.4.2　系统级EMC试验要求414

11.4.3　系统内EMC试验内容415

11.4.4　系统间EMC试验内容416

11.5　EMC管理417

11.5.1　实施EMC管理的必要性417

11.5.2　EMC管理内容和方法418

11.5.3　EMC技术组和EMC培训418

11.5.4　航天器EMC管理现状419

11.6　EMC技术发展前景420

参考文献423

第12章　航天器软件工程424

12.1 概述424

12.1.1　软件定义424

12.1.2　软件的一般特点424

12.1.3　航天器软件的特点425

12.2　软件工程425

12.2.1　航天器软件工程的重要性425

12.2.2　软件工程的基本原理426

12.3　航天器软件工程的基本要求429

12.3.1　一般要求429

12.3.2　组织和岗位职责429

12.3.3　计划（项目）管理430

12.3.4　软件质量保证430

12.3.5　配置管理431

12.4　软件开发过程432

12.4.1　系统需求分析和设计432

12.4.2　软件需求分析433

12.4.3　概要设计433

12.4.4　详细设计434

12.4.5　软件实现434

12.4.6　组装测试434

12.4.7　确认测试434

12.4.8　系统联试434

12.4.9　软件的验收和交付434

12.4.10　运行维护435

12.5　航天器软件工程不断改进的途径435

12.5.1 航天器软件工程的过程改进435

12.5.2　航天器软件开发技术的研究437

参考文献438

第13章　航天器电测439

13.1　概述439

13.1.1 航天器电测的内涵439

13.1.2　试验与测量基本概念439

13.1.3　航天器寿命期中的测试442

13.2　航天器总装和试验（AI＆T）技术443

13.2.1　总装和试验技术常用术语443

13.2.2　总装和试验计划444

13.2.3　试验与测试实施447

13.3　航天器电测及EGSE451

13.3.1 系统测试概念和策略451

13.3.2　航天器电测任务452

13.3.3　测试设计454

13.3.4　测试三要素：参数、接口和环路455

13.3.5　电测阶段划分461

13.3.6　分系统级测试463

13.3.7　系统级的测试468

13.3.8　航天器综合测试故障处理472

13.3.9　电气地面支持设备（EGSE）473

13.4　航天器电测发展趋势478

13.4.1　系统的开放性478

13.4.2　测试与飞行控制的通用性研究479

13.4.3　虚拟仪器的应用480

13.4.4　人工智能技术的应用481

参考文献481

第14章　航天器环境试验482

14.1　概述482

14.1.1　环境试验验证技术483

14.1.2　环境试验验证的目的、要求和方式483

14.1.3　环境试验的必要性484

14.2　试验分类484

14.2.1　方案阶段试验484

14.2.2　初样阶段试验484

14.2.3　正样阶段试验485

14.2.4　原型飞行试验485

14.3　试验方法485

14.4　试验剪裁及试验标准与试验规范486

14.4.1　试验剪裁486

14.4.2　国内外航天器环境试验标准486

14.4.3　环境试验规范487

14.5　试验验证计划与风险管理487

14.5.1　试验计划制订的原则487

14.5.2　试验计划的内容487

14.5.3　试验验证和风险管理488

14.6　航天器材料、涂层、器件试验技术489

14.6.1　空间真空环境试验技术489

14.6.2　空间电子、质子、紫外辐照环境试验技术489

14.6.3　原子氧、紫外综合环境试验技术490

14.7　部件级试验技术491

14.7.1　空间污染环境试验技术491

14.7.2　微重力环境试验技术491

14.7.3　空间碎片、微流星环境的试验技术494

14.7.4　等离子体环境试验技术497

14.7.5　太阳辐照环境试验技术498

14.7.6　冷黑环境的试验验证技术500

14.8　航天器组件级典型空间环境试验技术500

14.8.1　加速度（过载）环境试验技术500

14.8.2　冲击环境试验技术501

14.8.3　结构模态试验技术502

14.8.4　红外多光谱遥感器辐射定标试验技术502

14.8.5　太阳电池阵伸展机构空间环境下展开试验技术505

14.8.6　抛物面形天线的热变形试验技术506

14.8.7　星箭分离空间环境试验技术508

14.8.8　火箭发动机的空间环境试验技术509

14.8.9　月球环境试验技术511

14.8.10　航天员出舱热真空试验技术517

14.9　整星（船）环境试验技术520

14.9.1　振动环境试验技术520

14.9.2　噪声环境试验技术522

14.9.3　热平衡试验技术523

14.9.4　热真空试验技术525

14.9.5　磁试验技术527

14.10　试验技术研究的主要方向529

参考文献531

第15章　航天器的集成设计和多学科优化532

15.1　概述532

15.1.1　航天器设计的信息特点532

15.1.2　设计组织的演变533

15.1.3　设计手段的变化534

15.2　航天器设计的并行工程实践535

15.2.1　CALS计划和并行工程535

15.2.2　波音777的实践536

15.2.3　NASA JPL和ESA ESTEC的并行工程实践536

15.2.4　在曲折中前进的并行工程理念539

15.3　DSM设计结构矩阵和流程优化540

15.3.1　问题的提出540

15.3.2　DSM矩阵在项目管理中的应用541

15.4 自顶向下的设计技术和数字化装配544

15.4.1　产品设计过程544

15.4.2　设备支架设计545

15.4.3　蜂窝夹层板的Top-down设计546

15.4.4　管路和电缆布局547

15.4.5　数字化预装配548

15.4.6　航天器质量特性的集成分析550

15.4.7　航天器质量特性的检测553

15.5　产品数据管理系统554

15.5.1　产品数据管理系统的理念554

15.5.2　PDM系统的布置策略556

15.5.3　PDM系统的功能557

15.5.4 PDM软件和AVIDM系统558

15.6　航天器的集成设计558

15.6.1　集成设计的理念558

15.6.2　IDEAS2集成设计系统559

15.6.3　SYSTEMA集成系统562

15.6.4　新一代空间望远镜的光—机—热系统的集成563

15.7　航天器多学科优化566

15.7.1　多学科优化的理念566

15.7.2　MDO的实施组织568

15.7.3　MDO的应用实例：塞式发动机多学科优化570

15.8　展望574

参考文献575

第16章　航天器工程577

16.1　概述577

16.1.1　航天器系统工程范围577

16.1.2　航天器发射场（航天器发射中心）577

16.1.3　测控网及测控中心578

16.1.4　应用系统578

16.2　运载火箭581

16.2.1　火箭运动原理和特性581

16.2.2　多级火箭582

16.2.3　运载火箭对航天器的制约583

16.2.4　两种运载火箭发射不同轨道卫星实例584

16.3　航天器系统工程实施585

16.3.1　系统工程定义585

16.3.2　系统工程的目标585

16.3.3　系统工程设计的决策585

16.3.4　系统工程设计的内容587

16.3.5　设计决定因素和折中588

16.3.6　系统参数估算和分配588

16.4　航天器研制过程中的产品保证589

16.4.1　航天器产品保证目的和当前的状况589

16.4.2　故障模式影响和危害度分析（FMECA）589

16.4.3　可靠性保证590

16.4.4　软件产品保证591

16.4.5　元器件592

16.4.6　安全性593

16.5　中巴地球资源卫星595

16.5.1 中巴地球资源卫星概况及与国外同类卫星的比较595

16.5.2　卫星有效载荷597

16.5.3　卫星公用服务平台599

16.5.4　在轨测试情况600

16.5.5　为用户研制性能优良的后续星602

16.6　小卫星工程与应用602

16.6.1　小卫星概述及定义602

16.6.2　国外小卫星研制和应用603

16.6.3　小卫星公用平台的发展605

16.6.4　小卫星先进技术606

16.6.5　小卫星设计特色608

16.6.6　发射小卫星的运载火箭制约609

参考文献610

第17章　航天器项目管理611

17.1　概述611

17.1.1　项目和项目管理611

17.1.2　项目群和项目组合612

17.1.3　航天器项目管理理论和技术的发展及应用613

17.1.4　航天器项目管理的知识领域613

17.2　航天器项目阶段划分和策划616

17.2.1　项目生命期616

17.2.2　航天器项目生命期及其特点616

17.2.3　航天器项目阶段划分617

17.2.4　工程论证阶段618

17.2.5　工程研制阶段621

17.2.6　发射和应用阶段623

17.3　航天器工作分解结构624

17.3.1　编制标准625

17.3.2　编制程序626

17.3.3　WBS的用途635

17.4　项目网络技术636

17.4.1　项目网络图636

17.4.2　从工作包到网络图636

17.4.3　应遵循的基本规则637

17.4.4　活动节点法／活动箭线法与完成-开始（F-S）关系637

17.4.5　网络图技术的实际应用643

17.5　航天器项目费用管理647

17.5.1　基本概念和特点647

17.5.2　航天器项目的资源规划647

17.5.3　航天器项目费用估算649

17.5.4　航天器项目费用预算650

17.5.5　航天器项目费用控制653

17.5.6　航天器项目的费用审计654

17.5.7　航天器项目全生命期费用管理655

17.5.8　航天器项目质量成本656

17.5.9　挣值法—绩效分析657

17.6　航天器项目风险管理659

17.6.1 国际上风险管理的现状659

17.6.2　风险管理程序及内容659

17.6.3　应急事件风险管理662

17.6.4　风险管理的实例662

17.7　航天器项目国际合作研制管理667

17.7.1　卫星工程国际合作的原则、政策和模式667

17.7.2　卫星工程国际合作的实施要素668

17.7.3　中巴地球资源卫星项目的国际合作研制669

17.8　展望673

17.8.1　航天器项目管理理论与实践结合674

17.8.2　中国航天器项目管理发展趋势674

参考文献676