简介
本书由12章组成，集中在航天器总体设计知识和技术方面进行讨论和叙述，并且从系统工程角度，对航天器各个分系统进行论述，其主要内容包括：空间环境及其对航天器的影响、航天器轨道基础、航天任务分析、航天器控制分系统、航天器结构与机构制分系统、航天器热控制分系统、航天器电源制分系统、航天器推进制分系统、航天器通信制分系统和航天器数据管理制分系统，最后结合国际航天领域的*型号，讨论了几种新概念航天器。
目录
目录
第1章 概述 1
1.1 什么是航天器总体设计 1
1.2 “航天器总体设计”课程的特征 1
1.3 任务与载荷 2
1.3.1 载荷的种类 2
1.3.2 载荷的地位 2
1.3.3 载荷的角色 3
1.4 航天系统工程 3
1.5 航天器的基本设计方法 4
1.6 航天器的设计过程 6
1.7 航天器工程：*终设计极限 8
1.8 航天器系统工程设计实例 8
1.8.1 通信卫星 8
1.8.2 遥感卫星 9
1.8.3 天文观测 10
1.8.4 行星探索 10
第2章 空间飞行器的环境及其影响 12
2.1 大气环境 12
2.1.1 地球大气层的概念 12
2.1.2 地球大气组成 12
2.1.3 大气压力的变化 13
2.1.4 大气的垂直结构 13
2.1.5 大气密度的变化 15
2.2 空间环境 15
2.2.1 引力场和微重力 16
2.2.2 真空 16
2.2.3 电离层 16
2.2.4 磁场与磁层 17
2.2.5 高能粒子辐射环境 19
2.2.6 微流星体和空间碎片 21
2.7.7 行星际空间环境 22
2.3 空间环境对航天器的影响 22
2.4 原子氧对航天器表面的剥蚀作用 23
2.5 高能带电粒子环境对航天器的影响 24
2.5.1 高能带电粒子环境 24
2.5.2 高能带电粒子环境对航天器的影响 25
2.6 空间等离子体环境对航天器的影响 27
2.6.1 航天器充电 27
2.6.2 太阳电池阵 28
2.7 流星体和空间碎片对航天器的影响 28
2.8 空间环境对航天器影响的对策 29
2.9 空间环境监测和警报 31
2.9.1 空间环境监测 31
2.9.2 空间环境警报 32
2.10 利用空间环境直接为航天工程服务 32
第3章 航天器运行轨道 33
3.1 太空飞行与大气层内飞行的区别 33
3.2 轨道基础 33
3.2.1 航天器轨道速度 33
3.2.2 卫星轨道周期 35
3.2.3 轨道平面倾角 36
3.3 椭圆轨道 37
3.4 卫星的圆轨道和椭圆轨道的数学模型 37
3.4.1 卫星的圆轨道 38
3.4.2 椭圆轨道 38
第4章 航天器任务分析 40
4.1 空间几何学的限制 40
4.1.1 卫星相对地球表面的运动 40
4.1.2 卫星仰角 42
4.1.3 地面覆盖区域（可见区域） 43
4.1.4 通信卫星信号传输时间 44
4.2 一般轨道 45
4.2.1 低轨道 45
4.2.2 中高度圆形地球轨道 46
4.2.3 Molniya轨道 47
4.2.4 Tundra轨道／冻土带轨道 47
4.2.5 地球同步轨道 47
4.2.6 太阳同步轨道 48
4.2.7 拉格朗日点 49
4.3 卫星仰角与地面覆盖范围的关系 50
4.3.1 卫星仰角 50
4.3.2 卫星的覆盖区 50
4.4 太空机动 51
4.4.1 在同一轨道面内的机动 52
4.4.2 改变轨道形状 52
4.4.3 改变圆形轨道的高度 53
4.4.4 改变轨道周期 54
4.4.5 在同一轨道面内改变卫星的相对位置 55
4.4.6 改变轨道面的机动 55
4.4.7 改变轨道倾角的机动 56
4.4.8 匀速旋转轨道面 57
4.4.9 卫星脱离轨道的机动 58
4.4.10 再入加热效应 59
4.4.11 轨道保持 60
4.5 太空机动技术细节 61
4.5.1 改变轨道形状的机动 61
4.5.2 圆形轨道之间的机动 61
4.5.3 改变卫星的轨道周期 62
4.5.4 改变轨道上升角 63
4.5.5 保持轨道上升角转动轨道面 63
4.5.6 基本的旋转 63
4.5.7 脱轨机动 63
4.5.8 轨道保持 64
第5章 结构与机构分系统 65
5.1 航天器结构功能及组成 65
5.1.1 结构功能 65
5.1.2 结构组成 65
5.2 航天器机构功能及组成 68
5.2.1 机构功能 68
5.2.2 机构组成 69
5.3 航天器结构与机构材料 76
5.3.1 航天器结构材料要求 76
5.3.2 金属合金 78
5.3.3 复合材料 79
5.3.4 复合材料与金属材料性能比较 80
5.3.5 材料的选择 82
5.4 航天器结构与机构研制流程 83
5.5 航天器结构设计、分析及试验验证 85
5.5.1 结构设计要求 85
5.5.2 结构设计原则 86
5.5.3 载荷确定 87
5.5.4 结构分析 88
5.5.5 结构试验验证 92
5.6 航天器机构设计、分析及试验验证 94
5.6.1 机构设计要求 94
5.6.2 设计原则 95
5.6.3 机构分析 95
5.6.4 机构试验验证 97
第6章 电源分系统 98
6.1 概述 98
6.1.1 电源分系统的定义与功能 98
6.1.2 电源分系统分类 98
6.1.3 电源分系统的基本组成 99
6.1.4 电源分系统设计的重要性 100
6.1.5 航天器电源分系统的可靠性 101
6.2 发电技术 103
6.2.1 能源转换器件及发电装置的选择 103
6.2.2 发电装置 104
6.3 储能技术 110
6.3.1 储能技术简介 110
6.3.2 蓄电池组的几个参数 111
6.3.3 镉镍蓄电池 111
6.3.4 氢镍蓄电池 113
6.3.5 锂离子蓄电池 118
6.4 电源控制技术 120
6.4.1 太阳电池阵／蓄电池组联合电源的基本配置 120
6.4.2 电源控制装置功能和组成 121
6.4.3 次电源母线 121
6.4.4 太阳电池阵的功率调节 123
6.4.5 蓄电池组放电控制和功率调节 124
6.4.6 蓄电池组充电控制和功率调节 125
6.4.7 电源管理 129
6.5 电源变换器 133
6.5.1 电源变换器的功能和配置 133
6.5.2 电源变换器的分类 133
6.5.3 DC/DC电源变换器 134
6.5.4 航天器电源变换器的设计 136
6.6 太阳电池 136
6.6.1 伏安特性 137
6.6.2 温度特性 139
6.6.3 太阳光强效应特性 139
6.6.4 太阳电池阵 140
6.7 一次电源总体设计 145
6.7.1 蓄电池组参数分析 145
6.7.2 太阳电池阵分析 148
第7章 热控分系统 150
7.1 航天器热控技术 151
7.1.1 被动热控技术 151
7.1.2 主动热控技术 158
7.1.3 常用的热控技术 160
7.2 航天器热控分系统的设计 161
7.2.1 热设计任务及原则 161
7.2.2 热控分系统方案设计 164
7.2.3 热分析计算 166
7.3 航天器热控分系统试验 167
7.3.1 部件热试验 167
7.3.2 整星热平衡试验 167
7.3.3 气动加热试验和整星地面调温试验 167
第8章 推进分系统 170
8.1 航天器推进系统定义、用途及分类 170
8.1.1 定义 170
8.1.2 用途 170
8.1.3 分类 170
8.2 将点与要求 172
8.2.1 特点 172
8.2.2 要求 173
8.3 航天器推进系统比较与选用原则 174
8.3.1 系统比较 174
8.3.2 推进系统确定方法 176
8.3.3 输送系统及推进剂量确定 177
8.4 中国“神舟”飞船推进系统 178
8.4.1 任务与功能 178
8.4.2 推进分系统组成和特点 179
8.4.3 推进分系统的故障模式、检测与处理对策 190
8.5 典型卫星推进系统 191
8.5.1 卫星用小推力推进系统类型 191
8.5.2 双组元统一推进系统（中国典型卫星推进系统） 194
8.5.3 双模式推进系统 195
8.5.4 复合式推进系统 196
第9章 姿态控制 197
9.1 引言 197
9.1.1 对卫星平台的影响 197
9.1.2 对有效载荷的影响 198
9.1.3 应用领域 198
9.2 姿态控制系统的要求 198
9.3 姿态参数 199
9.3.1 参考坐标系 199
9.3.2 方向余弦矩阵 200
9.3.3 欧拉角 200
9.3.4 四元数 201
9.4 姿态动力学 201
9.4.1 姿态运动学与动力学 201
9.4.2 扰动力矩 202
9.5 姿态确定和控制 204
9.5.1 姿态确定 204
9.5.2 姿态控制 205
9.6 姿态敏感器 206
9.6.1 通用的姿态敏感器 206
9.6.2 星敏感器 207
9.6.3 太阳敏感器 209
9.6.4 地球敏感器 210
9.6.5 磁强计 211
9.6.6 陀螺仪 213
第10章 数据管理分系统
9.6.7 全球导航卫星系统的姿态确定 216
9.7 姿态控制的执行器 217
9.7.1 执行器介绍 217
9.7.2 反作用轮、动量轮、控制力矩 218
9.7.3 姿态控制推力器 220
9.8 姿态控制系统的验证 221
9.8.1 解析验证 222
9.8.2 软件仿真 223
9.8.3 闭环硬件测试 223
9.8.4 气浮试验台 224
第10章 数据管理分系统 225
10.1 星上数据和信息管理 225
10.1.1 与普通地面设备的不同 226
10.1.2 数据管理分系统主要功能 227
10.1.3 数据管理分系统的组成 229
10.1.4 数据和信息管理发展趋势 232
10.1.5 互连拓扑结构 233
10.2 星载计算机 233
10.2.1 可编程门阵列和片上系统 234
10.2.2 计算机的太空应用 235
10.3 计算机软件 236
10.3.1 软件出现的问题 237
10.3.2 降低软件复杂度实例 238
10.3.3 软件功能和要求 228
10.3.4 实时程序设计 240
10.4 可靠性 241
10.4.1 处理模块内部错误 242
10.4.2 利用冗余模块处理模块外部错误 243
10.4.3 自检对 244
10.4.4 构造容错系统 244
10.5 数据管理分系统技术发
第1章 概述 1
1.1 什么是航天器总体设计 1
1.2 “航天器总体设计”课程的特征 1
1.3 任务与载荷 2
1.3.1 载荷的种类 2
1.3.2 载荷的地位 2
1.3.3 载荷的角色 3
1.4 航天系统工程 3
1.5 航天器的基本设计方法 4
1.6 航天器的设计过程 6
1.7 航天器工程：*终设计极限 8
1.8 航天器系统工程设计实例 8
1.8.1 通信卫星 8
1.8.2 遥感卫星 9
1.8.3 天文观测 10
1.8.4 行星探索 10
第2章 空间飞行器的环境及其影响 12
2.1 大气环境 12
2.1.1 地球大气层的概念 12
2.1.2 地球大气组成 12
2.1.3 大气压力的变化 13
2.1.4 大气的垂直结构 13
2.1.5 大气密度的变化 15
2.2 空间环境 15
2.2.1 引力场和微重力 16
2.2.2 真空 16
2.2.3 电离层 16
2.2.4 磁场与磁层 17
2.2.5 高能粒子辐射环境 19
2.2.6 微流星体和空间碎片 21
2.7.7 行星际空间环境 22
2.3 空间环境对航天器的影响 22
2.4 原子氧对航天器表面的剥蚀作用 23
2.5 高能带电粒子环境对航天器的影响 24
2.5.1 高能带电粒子环境 24
2.5.2 高能带电粒子环境对航天器的影响 25
2.6 空间等离子体环境对航天器的影响 27
2.6.1 航天器充电 27
2.6.2 太阳电池阵 28
2.7 流星体和空间碎片对航天器的影响 28
2.8 空间环境对航天器影响的对策 29
2.9 空间环境监测和警报 31
2.9.1 空间环境监测 31
2.9.2 空间环境警报 32
2.10 利用空间环境直接为航天工程服务 32
第3章 航天器运行轨道 33
3.1 太空飞行与大气层内飞行的区别 33
3.2 轨道基础 33
3.2.1 航天器轨道速度 33
3.2.2 卫星轨道周期 35
3.2.3 轨道平面倾角 36
3.3 椭圆轨道 37
3.4 卫星的圆轨道和椭圆轨道的数学模型 37
3.4.1 卫星的圆轨道 38
3.4.2 椭圆轨道 38
第4章 航天器任务分析 40
4.1 空间几何学的限制 40
4.1.1 卫星相对地球表面的运动 40
4.1.2 卫星仰角 42
4.1.3 地面覆盖区域（可见区域） 43
4.1.4 通信卫星信号传输时间 44
4.2 一般轨道 45
4.2.1 低轨道 45
4.2.2 中高度圆形地球轨道 46
4.2.3 Molniya轨道 47
4.2.4 Tundra轨道／冻土带轨道 47
4.2.5 地球同步轨道 47
4.2.6 太阳同步轨道 48
4.2.7 拉格朗日点 49
4.3 卫星仰角与地面覆盖范围的关系 50
4.3.1 卫星仰角 50
4.3.2 卫星的覆盖区 50
4.4 太空机动 51
4.4.1 在同一轨道面内的机动 52
4.4.2 改变轨道形状 52
4.4.3 改变圆形轨道的高度 53
4.4.4 改变轨道周期 54
4.4.5 在同一轨道面内改变卫星的相对位置 55
4.4.6 改变轨道面的机动 55
4.4.7 改变轨道倾角的机动 56
4.4.8 匀速旋转轨道面 57
4.4.9 卫星脱离轨道的机动 58
4.4.10 再入加热效应 59
4.4.11 轨道保持 60
4.5 太空机动技术细节 61
4.5.1 改变轨道形状的机动 61
4.5.2 圆形轨道之间的机动 61
4.5.3 改变卫星的轨道周期 62
4.5.4 改变轨道上升角 63
4.5.5 保持轨道上升角转动轨道面 63
4.5.6 基本的旋转 63
4.5.7 脱轨机动 63
4.5.8 轨道保持 64
第5章 结构与机构分系统 65
5.1 航天器结构功能及组成 65
5.1.1 结构功能 65
5.1.2 结构组成 65
5.2 航天器机构功能及组成 68
5.2.1 机构功能 68
5.2.2 机构组成 69
5.3 航天器结构与机构材料 76
5.3.1 航天器结构材料要求 76
5.3.2 金属合金 78
5.3.3 复合材料 79
5.3.4 复合材料与金属材料性能比较 80
5.3.5 材料的选择 82
5.4 航天器结构与机构研制流程 83
5.5 航天器结构设计、分析及试验验证 85
5.5.1 结构设计要求 85
5.5.2 结构设计原则 86
5.5.3 载荷确定 87
5.5.4 结构分析 88
5.5.5 结构试验验证 92
5.6 航天器机构设计、分析及试验验证 94
5.6.1 机构设计要求 94
5.6.2 设计原则 95
5.6.3 机构分析 95
5.6.4 机构试验验证 97
第6章 电源分系统 98
6.1 概述 98
6.1.1 电源分系统的定义与功能 98
6.1.2 电源分系统分类 98
6.1.3 电源分系统的基本组成 99
6.1.4 电源分系统设计的重要性 100
6.1.5 航天器电源分系统的可靠性 101
6.2 发电技术 103
6.2.1 能源转换器件及发电装置的选择 103
6.2.2 发电装置 104
6.3 储能技术 110
6.3.1 储能技术简介 110
6.3.2 蓄电池组的几个参数 111
6.3.3 镉镍蓄电池 111
6.3.4 氢镍蓄电池 113
6.3.5 锂离子蓄电池 118
6.4 电源控制技术 120
6.4.1 太阳电池阵／蓄电池组联合电源的基本配置 120
6.4.2 电源控制装置功能和组成 121
6.4.3 次电源母线 121
6.4.4 太阳电池阵的功率调节 123
6.4.5 蓄电池组放电控制和功率调节 124
6.4.6 蓄电池组充电控制和功率调节 125
6.4.7 电源管理 129
6.5 电源变换器 133
6.5.1 电源变换器的功能和配置 133
6.5.2 电源变换器的分类 133
6.5.3 DC/DC电源变换器 134
6.5.4 航天器电源变换器的设计 136
6.6 太阳电池 136
6.6.1 伏安特性 137
6.6.2 温度特性 139
6.6.3 太阳光强效应特性 139
6.6.4 太阳电池阵 140
6.7 一次电源总体设计 145
6.7.1 蓄电池组参数分析 145
6.7.2 太阳电池阵分析 148
第7章 热控分系统 150
7.1 航天器热控技术 151
7.1.1 被动热控技术 151
7.1.2 主动热控技术 158
7.1.3 常用的热控技术 160
7.2 航天器热控分系统的设计 161
7.2.1 热设计任务及原则 161
7.2.2 热控分系统方案设计 164
7.2.3 热分析计算 166
7.3 航天器热控分系统试验 167
7.3.1 部件热试验 167
7.3.2 整星热平衡试验 167
7.3.3 气动加热试验和整星地面调温试验 167
第8章 推进分系统 170
8.1 航天器推进系统定义、用途及分类 170
8.1.1 定义 170
8.1.2 用途 170
8.1.3 分类 170
8.2 将点与要求 172
8.2.1 特点 172
8.2.2 要求 173
8.3 航天器推进系统比较与选用原则 174
8.3.1 系统比较 174
8.3.2 推进系统确定方法 176
8.3.3 输送系统及推进剂量确定 177
8.4 中国“神舟”飞船推进系统 178
8.4.1 任务与功能 178
8.4.2 推进分系统组成和特点 179
8.4.3 推进分系统的故障模式、检测与处理对策 190
8.5 典型卫星推进系统 191
8.5.1 卫星用小推力推进系统类型 191
8.5.2 双组元统一推进系统（中国典型卫星推进系统） 194
8.5.3 双模式推进系统 195
8.5.4 复合式推进系统 196
第9章 姿态控制 197
9.1 引言 197
9.1.1 对卫星平台的影响 197
9.1.2 对有效载荷的影响 198
9.1.3 应用领域 198
9.2 姿态控制系统的要求 198
9.3 姿态参数 199
9.3.1 参考坐标系 199
9.3.2 方向余弦矩阵 200
9.3.3 欧拉角 200
9.3.4 四元数 201
9.4 姿态动力学 201
9.4.1 姿态运动学与动力学 201
9.4.2 扰动力矩 202
9.5 姿态确定和控制 204
9.5.1 姿态确定 204
9.5.2 姿态控制 205
9.6 姿态敏感器 206
9.6.1 通用的姿态敏感器 206
9.6.2 星敏感器 207
9.6.3 太阳敏感器 209
9.6.4 地球敏感器 210
9.6.5 磁强计 211
9.6.6 陀螺仪 213
第10章 数据管理分系统
9.6.7 全球导航卫星系统的姿态确定 216
9.7 姿态控制的执行器 217
9.7.1 执行器介绍 217
9.7.2 反作用轮、动量轮、控制力矩 218
9.7.3 姿态控制推力器 220
9.8 姿态控制系统的验证 221
9.8.1 解析验证 222
9.8.2 软件仿真 223
9.8.3 闭环硬件测试 223
9.8.4 气浮试验台 224
第10章 数据管理分系统 225
10.1 星上数据和信息管理 225
10.1.1 与普通地面设备的不同 226
10.1.2 数据管理分系统主要功能 227
10.1.3 数据管理分系统的组成 229
10.1.4 数据和信息管理发展趋势 232
10.1.5 互连拓扑结构 233
10.2 星载计算机 233
10.2.1 可编程门阵列和片上系统 234
10.2.2 计算机的太空应用 235
10.3 计算机软件 236
10.3.1 软件出现的问题 237
10.3.2 降低软件复杂度实例 238
10.3.3 软件功能和要求 228
10.3.4 实时程序设计 240
10.4 可靠性 241
10.4.1 处理模块内部错误 242
10.4.2 利用冗余模块处理模块外部错误 243
10.4.3 自检对 244
10.4.4 构造容错系统 244
10.5 数据管理分系统技术发
航天器系统工程
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