航天工程设计实践

第1篇 航天工程基本概念
第1章 航天工程发展简史1.1古代的飞天传说和航天理论
1.2中国古代火箭和欧洲火箭
1.3现代航天理论的建立
1.4从V-2导弹到发射美国第一颗人造卫星的丘辟特C火箭
1.5人类进入航天新时代
1.6中国的航天计划与成就
第2章 运载火箭
2.1概述
2.1.1导弹与运载火箭的定义
2.1.2导弹与运载火箭的分类
2.1.3导弹与运载火箭的主要性能
2.2导弹与运载火箭的组成
2.2.1弹头
2.2.2航天器
2.3箭体结构与分离系统
2.4运载火箭的推进系统
2.4.1液体火箭推进系统
2.4.2固体火箭推进系统
2.4.3液体火箭发动机
2.4.4各类火箭发动机的特征参数比较
2.5运载火箭控制系统
2.5.1控制系统的组成
2.5.2导航分系统
2.5.3制导分系统
2.5.4姿态控制分系统
2.5.5电源配电分系统
2.6中国的运载火箭
2.6.1长征一号系列运载火箭
2.6.2长征二号系列运载火箭
2.6.3长征三号系列运载火箭
2.6.4长征四号系列运载火箭
2.7结论
第3章 航天器
3.1概述
3.1.1航天器的分类与基本组成
3.1.2人造地球卫星及其分类
3.1.3空间探测器及其探测成果
3.1.4宇宙飞船及其载人飞行
3.1.5空间站及其载人太空活动
3.1.6航天飞机及其载人飞行
3.2航天器的有效载荷（专用系统）
3.2.1科学实验卫星的有效载荷
3.2.2对地观测卫星的有效载荷
3.2.3通信卫星的有效载荷
3.2.4导航定位卫星的有效载荷
3.3航天器的通用系统（通用平台）
3.3.1航天器的结构与机构系统
3.3.2航天器的推进系统
3.3.3航天器的控制系统
3.4中国的航天器
3.4.1中国的通信卫星
3.4.2中国的返回式遥感卫星
3.4.3中国的气象卫星
3.4.4中国的小卫星和地球资源卫星
3.4.5中国的载人飞船
3.4.6中国的探月卫星——嫦娥一号
第4章 测控通信系统
4.1引论
4.2航天器测控计划执行过程
4.3航天器天地结合的控制方案
4.4航天器作为控制对象的特点
4.5航天器飞行控制中心
4.5.1指令信息计算机系统完成的任务
4.5.2指令信息计算机系统的组成
4.5.3生成飞行计划与控制航天器指令程序信息用软件
4.5.4小结
4.6运载火箭测控方案
4.6.1火箭自主测轨法
4.6.2外弹道测轨法
4.7统一载波测控系统的基本概念
4.7.1常用测控频段
4.7.2常用天线及馈线
4.7.3信号频谱
4.7.4信号调制技术
4.7.5雷达方程
4.7.6电波传播特性
4.8系统技术指标
4.8.1作用距离
4.8.2工作频率范围及频点步进长度
4.8.3定位误差
4.8.４遥控的技术指标
4.8.5遥测的技术指标
4.8.6通信与数传的技术指标
4.8.7工作范围
4.8.8跟踪速度
4.8.9捕获时间
4.8.10工作方式
4.8.11测轨采样率
4.8.12设备可靠性
4.8.13环境条件
4.8.14使用条件
4.9系统组成及其工作原理
4.9.1典型系统组成
4.9.2系统工作原理
4.10系统信道电平设计与计算
4.10.1系统信道电平计算
4.10.2系统工作门限
4.10.3功率分配原则
4.11系统频率流程设计
4.11.1设计原则
4.11.2系统主要设备的频率流程
4.12常用无线电数据
4.12.1电磁波谱
4.12.2雷达频段名称
4.12.3空间-地面线路功率预算
4.12.4行星表面及大气层无线电物理参数
4.12.5宇宙航行用频率
第5章 运载火箭与航天器的测试发控系统
5.1引论
5.1.1零件、部件和仪器
5.1.2分系统
5.1.3运载器
5.1.4空间实验室
5.1.5航天器
5.1.6系统
5.1.7航天工程
5.1.8特殊产品
5.2航天产品（运载火箭和航天器）的各类试验
5.2.1研制试验
5.2.2鉴定试验
5.2.3验收试验
5.2.4发射前合格验证与运行试验
5.3航天器的发射场测试
5.3.1航天器（飞船）的射前测试
5.3.2航天器的地面综合测试系统
5.4运载火箭的发射场测试
5.4.1单元测试
5.4.2分系统测试
5.4.3总检查
5.4.4动力系统和结构分离系统的射前检查
5.4.5射前检查与发射控制
5.5运载火箭的测试发控系统
第6章 航天工程总体设计概念
6.1航天工程的组成与研制层次
6.2航天工程的总体设计步骤和任务
6.2.1设计项目与完成步骤
6.2.2设计内容
6.3航天任务中的有效载荷技术
6.3.1有效载荷的分类
6.3.2有效载荷技术与电磁波谱
第7章 航天工程的安全性与可靠性保证
7.1引论
7.1.1可靠性
7.1.2安全性
7.1.3可靠性与安全性的关系
7.2航天员安全性保证
7.2.1航天员的安全生存条件
7.2.2航天员安全性的设计过程和基本方法
7.2.3逃逸与应急救生系统设计
7.3工程可靠性保证
7.3.1概述
7.3.2可靠性设计
7.3.3可靠性试验
7.3.4可靠性管理
7.3.5中国载人航天工程的可靠性保证要点

第2篇 航天工程基础理论
第8章 天文、地球物理与航天运动学
8.1大爆炸宇宙论
8.2恒星世界
8.3太阳和地球
8.4参考系和坐标系
8.4.1地球地心赤道参考系
8.4.2日心黄道参考系
8.5太阳时、世界时和地方时
8.6航天运动学基础
8.6.1力学基本定律之一——牛顿三定律
8.6.2万有引力定律
8.6.3开普勒行星运动三定律
8.6.4引力势能
8.6.53个宇宙速度
8.7航天器的地球轨道参数
8.8航天器在星体中心引力场中的运动
8.9航天器轨道方程
8.10航天器的空间位置、速度和周期的确定
8.10.1轨道位置的确定
8.10.２轨道飞行速度的确定
8.10.3轨道周期的确定
第9章 航天动力学及其应用
9.1航天器椭圆轨道常用公式
9.1.1航天器轨道地心距r
9.1.2航天器轨道长半轴a
9.1.3航天器地心距矢量r和速度矢量υ之间的夹角α
9.1.4真近点角f
9.1.5偏近点角E
9.1.6偏心率e
9.1.7航天器速度v
9.1.8远地点速度vA
9.1.9近地点速度vP
9.1.10运动周期T
9.1.11平近点角M
9.2轨道摄动
9.2.1地球扁率摄动
9.2.2天体引力摄动
9.2.3大气阻力摄动
9.2.4太阳辐射压力摄动
9.3轨道机动
9.3.1霍曼转移轨道（共面变轨）
9.3.2轨道面改变（非共面变轨）
9.3.3轨道保持
9.4航天器轨道动力学的应用
9.4.1星下点轨迹及轨道覆盖
9.4.2常用卫星或飞船的轨道
9.4.3航天器轨道设计思想
9.5描述航天器运动的常用坐标系
9.5.1日心黄道坐标系
9.5.2地心赤道坐标系和赤经赤纬坐标系
9.5.3航天器轨道平面的近焦点坐标系
9.5.4其他常用坐标系
9.6多体问题和二体问题的矢量描述
9.6.1多体问题
9.6.2二体问题
9.7航天器轨道运行参数的矢量表示
9.7.1经典轨道参数
9.7.2可替代的轨道参数
9.7.3顺行轨道和逆行轨道
9.8由r和υ计算轨道参数
9.8.13个基本矢量h、n和e的确定
9.8.2轨道参数的求解
9.9由轨道要素计算r和v
第10章 火箭推进与飞行动力学
10.1火箭推进与火箭发动机
10.1.1推进的定义
10.1.2火箭发动机的特点
10.1.3火箭发动机的分类
10.2火箭发动机的工作原理和排气特性
10.2.1火箭发动机的工作原理
10.2.2理想的火箭发动机
10.2.3理想火箭发动机的热力循环
10.2.4喷管理论
10.2.5火箭发动机的排气特性
10.3火箭发动机的主要参数
10.3.1推力
10.3.2总冲
10.3.3比推力（比冲）
10.3.4推力系数
10.3.5火箭发动机的效率
10.3.6特征速度
10.4火箭发动机的特性与墨氏方程
10.4.1化学火箭发动机
10.4.2火箭发动机的热化学
10.4.3火箭发动机的传热
10.4.4固体火箭发动机
10.4.5液体火箭发动机
10.4.6墨氏方程式的推导
10.5火箭理想速度的齐奥尔科夫斯基公式
10.5.1单级火箭的理想速度
10.5.2多级火箭的理想速度
10.6齐氏公式的地心引力修正
10.7火箭发动机的外部效率
10.8作用在飞行火箭上的力和力矩
10.8.1飞行火箭上的力系运动微分方程
10.8.2地球大气及其性质
10.9火箭在大气中飞行的空气动力问题
10.9.1空气动力系数
10.9.2空气动力的分力与亚声速
10.9.3超声速气流对流线型物体的作用
10.9.4空气动力稳定力矩和空气动力阻尼力矩
第11章 火箭的飞行轨道与总体参数计算
11.1火箭飞行轨道的分段
11.2弹道式火箭的主动飞行段大气层内的运动方程
11.3弹道式火箭在主动段大气层外的运动方程
11.4单级火箭设计参数
11.5多级火箭设计参数
11.6火箭主动段轨道参数
11.6.1第一级计算
11.6.2上面级（二级、三级）计算
11.7地球同步轨道卫星发射轨道设计
11.7.1有停泊轨道的地球同步卫星发射过程
11.7.2轨道选择的入轨条件
第12章 航天器的运行轨道设计
12.1引论
12.2近地轨道航天器运行轨道设计
12.2.1近地轨道参数的选择原则
12.2.2航天器星下点轨迹及轨道覆盖计算
12.2.3航天器位置矢量、速度矢量与轨道要素的计算
12.3近地轨道设计要考虑的摄动因素
12.3.1地球形状摄动
12.3.2大气阻力摄动
12.3.3调姿喷气摄动和轨道控制喷气摄动
12.3.4近地轨道航天器的摄动运动方程
12.4近地轨道航天器的轨道寿命计算
12.5中轨道航天器运行轨道设计
12.5.1真太阳与平太阳
12.5.2太阳同步轨道某一纬度的地方时
12.5.3太阳同步轨道的太阳高度角缓慢变化
12.6高轨道航天器运行轨道设计
12.6.1静止轨道的基本条件
12.6.2发射入轨误差会引起卫星位置漂移
12.6.3静止轨道卫星的摄动与轨道保持
第13章 航天器的返回轨道设计
13.1航天器返回过程概述
13.1.1任务与设计原则
13.1.2进入和返回航天器的分类
13.1.3返回式航天器的着陆方式
13.2航天器返回过程基础理论
13.2.1返回航天器返回轨道的分段
13.2.2航天器进入轨道的基础理论
13.3弹道式再入航天器的返回轨道设计
13.3.1不控升力的弹道式返回器轨道设计
13.3.2无升力的弹道式返回轨道设计原理
13.4弹道升力式再入返回器的返回轨道设计
13.4.1弹道升力式返回器的轨道动力学
13.4.2弹道升力式返回轨道的参数选择
第14章 登月轨道设计
14.1日、地、月的相对运动及其不固定性
14.2描述日、地、月运动的天球坐标系
14.2.1球面三角的基本概念
14.2.24种常用的天球坐标系
14.2.34种天球坐标系间的转换
14.3月球轨道运动特征和参数的天球表示
14.3.1月球的轨道运动和自转运动
14.3.2用地心天球图描述日、地、月运动参数
14.4探月轨道的类型和设计约束条件
14.4.1探月轨道的类型
14.4.2探月轨道设计的约束条件
14.5简化的探月轨道设计
14.5.1飞行时间随入轨速度的变化
14.5.2地球停泊轨道与地球赤道和白道非共面时考虑的问题
14.5.3地球停泊轨道、地月转移轨道和白道三者间的关系
14.5.4地月转移轨道计算
14.5.5地球停泊轨道计算
14.6双二体探月轨道设计
14.6.1月球影响球入口点后的轨道计算常用坐标系及其转换
14.6.2入口点后的轨道计算
14.6.3入口点B位置的影响
14.7发射窗口与轨道约束（光照与测控）条件的关系
14.7.1光照约束条件对发射窗口选择的影响
14.7.2测控约束条件的影响
14.8美国阿波罗登月工程概述
14.8.1阿波罗载人飞船
14.8.2土星Ⅴ载人火箭
14.8.3典型飞行程序与飞行轨道

第3篇 航天工程设计任务
第15章 无线电控制系统仪器研制
15.1横校系统控制原理
15.2横校系统综合测试仪的改进
15.3横校模拟信号fo(t)的信号分析
15.3.1fo(t)波形分解
15.3.2f1(t)的解
15.3.3F1(t)的解
15.3.4F2(t)的解
15.3.5fo(t)的解析式和频谱式
15.4根据fo(t)解析式求基本电路
15.4.1产生f1(t)的3个基本电路
15.4.2产生F1(t)+F2(t)的基本电路和g(t)波形
15.5横校模拟信号源总框图
15.6横校模拟信号空间调制度计设计
15.6.1空间调制度计的方案选择
15.6.2空间调制度计的误差及其减小措施
15.6.3空间调制度计的精度鉴定
15.7小结
第16章 自动测试系统数字仪器研制
16.1自动测试系统概述
16.2测试发控系统的抗干扰设计
16.2.1测试发控系统的信号分类
16.2.2按信号特征分类合理布局系统
16.3积分式A/D转换器
16.3.1单积分A/D转换器
16.3.2双积分A/D转换器
16.3.3三重积分A/D转换器
16.4积分式A/D抗常态干扰能力的计算方法
16.5共态干扰的抑制方法
16.5.1浮地输入及其共态电流
16.5.2双层屏蔽对共态干扰的抑制
16.5.3双层屏蔽线路的隔离技术
16.6小结
第17章 运载火箭测试发控系统总体设计
17.1引论
17.2运载火箭的组成与测试发控系统的关系
17.2.1箭体结构与分离系统
17.2.2动力装置系统
17.2.3控制系统
17.2.4遥测系统
17.2.5外测安全系统
17.3测控方法与测控线路设计
17.3.1箭地信息连接方式设计
17.3.2电源配电系统的测试方法与测控线路设计
17.3.3稳定系统的测试方法与测控线路设计
17.3.4制导系统的测试方法与测控线路设计
17.3.5发射控制线路设计
17.3.6控制系统总检查设计
17.4测试发控系统设计
17.4.1系统结构的确定与布局
17.4.2系统技术指标的确定
17.4.3计算机对系统设备的管理方式与接口设计
17.5主要系统接口设备设计
17.5.1模拟量测试接口设备设计
17.5.2信号源接口设备设计
17.5.3自动发控接口设备设计
17.5.4地箭接口设计
17.5.5接口的程序检查方法举例
17.6测试发控软件系统设计
17.6.1测试发控系统软件的组成
17.6.2测试发控系统硬件检查程序
17.6.3测试发控系统软件设计方案
17.7小结
第18章 高可靠性火箭控制系统设计
18.1引论
18.2火箭控制系统的组成、典型结构与基本概念
18.2.1控制系统的组成
18.2.2飞行控制系统的结构和任务
18.2.3测试发控系统的结构和任务
18.2.4控制系统设计的基本概念
18.3火箭飞行控制技术的发展
18.3.1近程导弹的射程控制（Vk和θk制导方案）
18.3.2射程偏差补偿方案
18.3.3无线电横校/惯性制导方案
18.3.4横向惯性坐标转换和纵向双补偿视加速度特征量关机方案
18.3.5尾翼和燃气舵姿态控制方案
18.3.6液压伺服机构、摆动发动机和时变校正网络的多回路姿态稳定方案
18.4现代火箭控制系统的两种典型方案
18.4.1平台/计算机控制系统
18.4.2速率捷联/计算机控制系统
18.5载人火箭控制系统的冗余方案
18.5.1国外载人火箭控制系统的发展与特点
18.5.2控制系统冗余设计的原则
18.5.3平台／速率捷联控制系统冗余方案的比较
18.5.4载人火箭控制系统冗余设计的一般法则
18.5.5平台／捷联复合控制系统及其冗余管理
第19章 载人航天器人控系统的设计与地面试验
19.1人控系统的设计原则与任务要求
19.1.1人控系统的设计原则
19.1.2人控系统在载人航天器各飞行段要完成的任务
19.2人控系统的结构、功能和配套设备
19.2.1手柄机械联动比例控制系统
19.2.2手柄电路控制冲量比例控制系统
19.2.3联盟TM号飞船的人控系统结构
19.2.4数字控制回路人控系统
19.2.5模拟控制回路人控系统
19.3人控系统的主要仪器设备及其特性
19.3.1航天员控制台
19.3.2飞船运动控制手柄
19.3.3航天员观察用的光学仪器
19.3.4逻辑控制装置
19.3.5人控接口处理单元
19.3.6人控系统对其他综合系统的要求
19.4人控系统的安装布局要求与人机工效学
19.4.1人在载人航天飞行中的作用与限制
19.4.2船载仪器设备的布局和特殊要求
19.4.3对航天员控制台和座椅的基本要求
19.4.4仪器设备的布局
19.4.5仪器设备的结构和安装建议
19.4.6飞船工作面的布局实例
19.5飞船离轨返回的人工控制
19.5.1飞船离轨返回着陆控制阶段的划分
19.5.2飞船返回再入段的特点和过程
19.5.3各种人控返回工作模式
19.6飞船交会对接的人工控制
19.6.1飞船转入人控交会对接的条件
19.6.2人控交会对接控制的方法
19.6.3人控停靠驾驶过程
19.6.4人控与距离有关的交会速度控制
19.6.5“悬停”后向交会目标试飞的人控过程与参数要求
19.7人控系统的可靠性设计
19.7.1可靠性设计原则
19.7.2可靠性设计措施
19.7.3人控备份手段的必要性和充分条件
19.8人控系统的地面试验
19.8.1地面仿真试验与自主试验
19.8.2航天员在人控系统中的数学模型
19.8.3人控系统的仿真
19.8.4人控系统自主电试验
第20章 航天工程供电与接地的电磁兼容性设计
20.1引论
20.2供电与接地方案的提出及设计要求
20.3供电与接地的电磁兼容性设计原理
20.3.1基本概念
20.3.2干扰源
20.3.3敏感器
20.3.4电磁干扰的耦合通路
20.4航天发射场的供配电与各系统的用电
20.4.1航天发射场的供配电状态
20.4.2各系统的用电（以运载火箭和载人航天器为例）
20.4.3N线和PE线混接的危害性分析
20.4.4供电隔离与接口隔离的优越性分析
20.5航天发射场测发厂房单地网-点接地设施与各系统的接地
20.5.1测发厂房的接地线路类型
20.5.2各系统的内部接地设置
20.5.3系统接地要注意的问题与方法
第21章 空间交会对接系统概论
21.1引论
21.2空间交会对接系统的基本组成
21.3空间交会对接过程的阶段划分
21.3.1目标飞行轨道和追踪轨道
21.3.2交会对接过程阶段划分
21.4国外交会对接测量技术的发展状况
21.4.1美国交会对接测量技术
21.4.2苏联/俄罗斯交会对接测量技术
21.4.3欧洲空间局交会对接测量技术
21.4.4日本交会对接测量技术
21.4.5相对测量技术发展趋势及典型设备技术指标
21.5测量过程及其特点
21.5.1测量过程
21.5.2测量系统特点
21.6测量技术研究的主要内容
21.6.1测量传感器研究
21.6.2测量系统研究
21.7船载相对测量系统体制研究
21.7.1测量系统配置原则
21.7.2交会控制的最终目标——对接的初始条件
21.7.3测量系统的主要技术要求
21.7.4测量体制（测量设备配置方案）及其分析
21.8空间对接机构
21.8.1空间对接机构的总体概念
21.8.2对对接机构的主要技术要求
21.8.3对接机构与工程总体的关系
21.8.4空间对接机构的类型
21.8.5异体同构周边式对接机构
第22章 空间交会对接控制原理与工程设计
22.1空间交会对接控制基础
22.1.1交会对接的动力学问题
22.1.2交会对接工程设计要点
22.1.3交会变轨的一般方法
22.2描述两航天器相对运动的相对坐标系
22.2.1旋转直角相对坐标系O1XBYBZB（轨道相对坐标系）
22.2.2非旋转直角相对坐标系O1XHYHZH（惯性相对坐标系）
22.2.3瞄准线直角相对坐标系O1XAYAZA（射线直角坐标系）
22.3两航天器质心的相对运动方程
22.3.1两航天器质心运动方程的一般数学描述
22.3.2在旋转直角相对坐标系中的运动方程
22.3.3在非旋转(惯性)直角坐标系中的运动方程
22.3.4瞄准线（射线）相对坐标系中的运动方程
22.3.5两航天器质心相对运动线性化方程的通式
22.4自由轨道法接近控制
22.4.1船载交会接近控制系统方案
22.4.2自由轨道法接近控制概念
22.4.3控制数学模型与控制程序
22.4.4自由轨道控制的质量特性
22.5瞄准线法接近控制
22.5.1控制原理与控制数学模型
22.5.2惯性平行接近法的控制规律
22.5.3瞄准线接近控制的质量特征
22.5.4瞄准线接近法的校正控制
22.5.5瞄准线接近法的硬件构成方案
22.6飞船控制系统设计
22.6.1飞船完成交会对接任务各飞行段的工作模式
22.6.2飞船与空间站交会对接的轨道控制
22.6.3飞船的GNC系统
22.7交会对接控制对相对运动测量设备的要求
22.7.1相对运动参数测量要求
22.7.2测量设备温湿度环境要求
22.7.3测量设备力学环境要求
22.7.4测量设备其他环境要求
22.7.5测量设备电磁兼容设计要求

附录A世界主要航天国家的运载火箭
A1苏联/俄罗斯的运载火箭
A1.1东方号系列运载火箭
A1.2联盟号系列运载火箭
A1.3宇宙号系列运载火箭
A1.4质子号系列运载火箭
A1.5旋风号系列运载火箭
A1.6天顶号系列运载火箭
A1.7能源号运载火箭
A2美国的运载火箭
A2.1雷神系列运载火箭
A2.2宇宙神系列运载火箭
A2.3德尔它系列运载火箭
A2.4侦察兵系列运载火箭
A2.5土星系列运载火箭
A2.6大力神系列运载火箭
A3其他国家的运载火箭
A3.1欧盟的运载火箭
A3.2日本的运载火箭附录
Ｂ常用天体运行数据和特性参数附录
C矢量计算与正则单位制
C1矢量计算
C1.1矢量分析的基本定义
C1.2矢量的运算法则
C2用于轨道计算的正则单位制
参考文献