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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：最终设计极限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

2.2.7 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37

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 一次电源母线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169

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171

8.2 特点与要求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

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229

10.1.5 互连拓扑结构232

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238

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展方向246

第11章 遥测遥控分系统247

11.1 概述247

11.2 遥测遥控系统结构248

11.2.1 系统组成248

11.2.2 与其他分系统的关系248

11.3 遥测分系统249

11.3.1 遥测系统的组成250

11.3.2 遥测系统的工作原理251

11.3.3 遥测的作用和特点253

11.3.4 遥测系统的分类255

11.3.5 遥测系统的体制258

11.4 遥控分系统263

11.4.1 遥控系统的组成和工作原理263

11.4.2 遥控的作用和特点266

11.4.3 遥控系统的分类266

11.4.4 系统主要技术指标267

11.4.5 PCM遥控268

11.4.6 分包遥控271

11.5 航天测控网273

11.5.1 航天测控网的组成273

11.5.2 航天测控地面系统274

11.5.3 航天测控地面站275

11.5.4 中国的航天测控网276

第12章 新概念航天器278

12.1 机器人航天员278

12.1.1 简介278

12.1.2 机器人航天员的先进性279

12.1.3 机器人航天员的初期实验281

12.1.4 R2的应用模式与未来283

12.2 小卫星及其编队飞行284

12.2.1 现代小卫星的分类及发展模式284

12.2.2 现代小卫星发展的若干问题分析285

12.2.3 星群飞行的技术特征与模式287

12.2.4 未来展望288

12.3 捕获小行星的航天器288

12.3.1 项目背景概述289

12.3.2 捕获小行星的任务规划290

12.3.3 目标小行星290

12.3.4 航天器总体设计方案291

12.3.5 小结292

12.4 模块化分离卫星292

12.4.1 模块化分离卫星的产生和目的293

12.4.2 模块化分离卫星的研制计划和技术特征分析294

12.5 未来NASA的群卫星系统分析与展望296

12.5.1 群智能技术296

12.5.2 群卫星系统297

12.5.3 ANTS系统的载荷配置及体系结构298

12.5.4 小结299

12.6 天基纳型镜群299

12.6.1 基于航天器群建立的“天基镜群”300

12.6.2 “天基镜群”的性能分析301

12.6.3 “天基镜群”与“引力拖拉机”的比较301

12.6.4 “天基镜群”的可控性和安全性302

12.6.5 小结302

参考文献303