航天工程設計實踐（簡體書）

《航天工程設計實踐》是一部理論與實踐相結合論述航天工程設計實踐的專著。全書以3篇22章的結構展開論述。第1篇航天工程基本概念，從7個方面（即第1章-第7章）論述，其中運載火箭（第2章）和航天器（第3章）是核心；第2篇航天工程基礎理論，也用了7個專題（即第8章-第14章），其中第12章-第14章是航天工程各專業設計人員均應掌握的軌道設計知識；第3篇航天工程設計任務，是學習第1篇和第2篇的目的，也是對學習第1篇和第2篇程度的檢驗。作者從親身完成的航天工程任務中選取了3個層次的設計實例，來闡述各層次航天工程設計的特點和方法，可供讀者完成航天任務時參考。《航天工程設計實踐》可作為高等院校相關專業的大學生和研究生的專業教材，也可作為從事航天工程設計的大學畢業生和航天發射場指戰員的專業入門教材和工作參考書。．

第1篇 航天工程基本概念第1章 航天工程發展簡史1.1古代的飛天傳說和航天理論1.2中國古代火箭和歐洲火箭1.3現代航天理論的建立1.4從V-2導彈到發射美國第一顆人造衛星的丘辟特C火箭1.5人類進入航天新時代1.6中國的航天計劃與成就第2章 運載火箭2.1概述2.1.1導彈與運載火箭的定義2.1.2導彈與運載火箭的分類2.1.3導彈與運載火箭的主要性能2.2導彈與運載火箭的組成2.2.1彈頭2.2.2航天器2.3箭體結構與分離系統2.4運載火箭的推進系統2.4.1液體火箭推進系統2.4.2固體火箭推進系統2.4.3液體火箭發動機2.4.4各類火箭發動機的特徵參數比較2.5運載火箭控制系統2.5.1控制系統的組成2.5.2導航分系統2.5.3制導分系統2.5.4姿態控制分系統2.5.5電源配電分系統2.6中國的運載火箭2.6.1長征一號系列運載火箭2.6.2長征二號系列運載火箭2.6.3長征三號系列運載火箭2.6.4長征四號系列運載火箭2.7結論第3章 航天器3.1概述3.1.1航天器的分類與基本組成3.1.2人造地球衛星及其分類3.1.3空間探測器及其探測成果3.1.4宇宙飛船及其載人飛行3.1.5空間站及其載人太空活動3.1.6航天飛機及其載人飛行3.2航天器的有效載荷（專用系統）3.2.1科學實驗衛星的有效載荷3.2.2對地觀測衛星的有效載荷3.2.3通信衛星的有效載荷3.2.4導航定位衛星的有效載荷3.3航天器的通用系統（通用平臺）3.3.1航天器的結構與機構系統3.3.2航天器的推進系統3.3.3航天器的控制系統3.4中國的航天器3.4.1中國的通信衛星3.4.2中國的返回式遙感衛星3.4.3中國的氣象衛星3.4.4中國的小衛星和地球資源衛星3.4.5中國的載人飛船3.4.6中國的探月衛星嫦娥一號第4章 測控通信系統4.1引論4.2航天器測控計劃執行過程4.3航天器天地結合的控制方案4.4航天器作為控制對象的特點4.5航天器飛行控制中心4.5.1指令信息計算機系統完成的任務4.5.2指令信息計算機系統的組成4.5.3生成飛行計劃與控制航天器指令程序信息用軟件4.5.4小結4.6運載火箭測控方案4.6.1火箭自主測軌法4.6.2外彈道測軌法4.7統一載波測控系統的基本概念4.7.1常用測控頻段4.7.2常用天線及饋線4.7.3信號頻譜4.7.4信號調製技術4.7.5雷達方程4.7.6電波傳播特性4.8系統技術指標4.8.1作用距離4.8.2工作頻率範圍及頻點步進長度4.8.3定位誤差4.8.４遙控的技術指標4.8.5遙測的技術指標4.8.6通信與數傳的技術指標4.8.7工作範圍4.8.8跟蹤速度4.8.9捕獲時間4.8.10工作方式4.8.11測軌采樣率4.8.12設備可靠性4.8.13環境條件4.8.14使用條件4.9系統組成及其工作原理4.9.1典型系統組成4.9.2系統工作原理4.10系統信道電平設計與計算4.10.1系統信道電平計算4.10.2系統工作門限4.10.3功率分配原則4.11系統頻率流程設計4.11.1設計原則4.11.2系統主要設備的頻率流程4.12常用無線電數據4.12.1電磁波譜4.12.2雷達頻段名稱4.12.3空間-地面線路功率預算4.12.4行星表面及大氣層無線電物理參數4.12.5宇宙航行用頻率第5章 運載火箭與航天器的測試發控系統5.1引論5.1.1零件、部件和儀器5.1.2分系統5.1.3運載器5.1.4空間實驗室5.1.5航天器5.1.6系統5.1.7航天工程5.1.8特殊產品5.2航天產品（運載火箭和航天器）的各類試驗5.2.1研製試驗5.2.2鑒定試驗5.2.3驗收試驗5.2.4發射前合格驗證與運行試驗5.3航天器的發射場測試5.3.1航天器（飛船）的射前測試5.3.2航天器的地面綜合測試系統5.4運載火箭的發射場測試5.4.1單元測試5.4.2分系統測試5.4.3總檢查5.4.4動力系統和結構分離系統的射前檢查5.4.5射前檢查與發射控制5.5運載火箭的測試發控系統第6章 航天工程總體設計概念6.1航天工程的組成與研製層次6.2航天工程的總體設計步驟和任務6.2.1設計項目與完成步驟6.2.2設計內容6.3航天任務中的有效載荷技術6.3.1有效載荷的分類6.3.2有效載荷技術與電磁波譜第7章 航天工程的安全性與可靠性保證7.1引論7.1.1可靠性7.1.2安全性7.1.3可靠性與安全性的關係7.2航天員安全性保證7.2.1航天員的安全生存條件7.2.2航天員安全性的設計過程和基本方法7.2.3逃逸與應急救生系統設計7.3工程可靠性保證7.3.1概述7.3.2可靠性設計7.3.3可靠性試驗7.3.4可靠性管理7.3.5中國載人航天工程的可靠性保證要點第2篇 航天工程基礎理論第8章 天文、地球物理與航天運動學8.1大爆炸宇宙論8.2恒星世界8.3太陽和地球8.4參考系和坐標系8.4.1地球地心赤道參考系8.4.2日心黃道參考系8.5太陽時、世界時和地方時8.6航天運動學基礎8.6.1力學基本定律之一牛頓三定律8.6.2萬有引力定律8.6.3開普勒行星運動三定律8.6.4引力勢能8.6.53個宇宙速度8.7航天器的地球軌道參數8.8航天器在星體中心引力場中的運動8.9航天器軌道方程8.10航天器的空間位置、速度和週期的確定8.10.1軌道位置的確定8.10.２軌道飛行速度的確定8.10.3軌道週期的確定第9章 航天動力學及其應用9.1航天器橢圓軌道常用公式9.1.1航天器軌道地心距r9.1.2航天器軌道長半軸a9.1.3航天器地心距矢量r和速度矢量υ之間的夾角α9.1.4真近點角f9.1.5偏近點角E9.1.6偏心率e9.1.7航天器速度v9.1.8遠地點速度vA9.1.9近地點速度vP9.1.10運動週期T9.1.11平近點角M9.2軌道攝動9.2.1地球扁率攝動9.2.2天體引力攝動9.2.3大氣阻力攝動9.2.4太陽輻射壓力攝動9.3軌道機動9.3.1霍曼轉移軌道（共面變軌）9.3.2軌道面改變（非共面變軌）9.3.3軌道保持9.4航天器軌道動力學的應用9.4.1星下點軌跡及軌道覆蓋9.4.2常用衛星或飛船的軌道9.4.3航天器軌道設計思想9.5描述航天器運動的常用坐標系9.5.1日心黃道坐標系9.5.2地心赤道坐標系和赤經赤緯坐標系9.5.3航天器軌道平面的近焦點坐標系9.5.4其他常用坐標系9.6多體問題和二體問題的矢量描述9.6.1多體問題9.6.2二體問題9.7航天器軌道運行參數的矢量表示9.7.1經典軌道參數9.7.2可替代的軌道參數9.7.3順行軌道和逆行軌道9.8由r和υ計算軌道參數9.8.13個基本矢量h、n和e的確定9.8.2軌道參數的求解9.9由軌道要素計算r和v第10章 火箭推進與飛行動力學10.1火箭推進與火箭發動機10.1.1推進的定義10.1.2火箭發動機的特點10.1.3火箭發動機的分類10.2火箭發動機的工作原理和排氣特性10.2.1火箭發動機的工作原理10.2.2理想的火箭發動機10.2.3理想火箭發動機的熱力循環10.2.4噴管理論10.2.5火箭發動機的排氣特性10.3火箭發動機的主要參數10.3.1推力10.3.2總沖10.3.3比推力（比沖）10.3.4推力係數10.3.5火箭發動機的效率10.3.6特徵速度10.4火箭發動機的特性與墨氏方程10.4.1化學火箭發動機10.4.2火箭發動機的熱化學10.4.3火箭發動機的傳熱10.4.4固體火箭發動機10.4.5液體火箭發動機10.4.6墨氏方程式的推導10.5火箭理想速度的齊奧爾科夫斯基公式10.5.1單級火箭的理想速度10.5.2多級火箭的理想速度10.6齊氏公式的地心引力修正10.7火箭發動機的外部效率10.8作用在飛行火箭上的力和力矩10.8.1飛行火箭上的力系運動微分方程10.8.2地球大氣及其性質10.9火箭在大氣中飛行的空氣動力問題10.9.1空氣動力係數10.9.2空氣動力的分力與亞聲速10.9.3超聲速氣流對流線型物體的作用10.9.4空氣動力穩定力矩和空氣動力阻尼力矩第11章 火箭的飛行軌道與總體參數計算11.1火箭飛行軌道的分段11.2彈道式火箭的主動飛行段大氣層內的運動方程11.3彈道式火箭在主動段大氣層外的運動方程11.4單級火箭設計參數11.5多級火箭設計參數11.6火箭主動段軌道參數11.6.1第一級計算11.6.2上面級（二級、三級）計算11.7地球同步軌道衛星發射軌道設計11.7.1有停泊軌道的地球同步衛星發射過程11.7.2軌道選擇的入軌條件第12章 航天器的運行軌道設計12.1引論12.2近地軌道航天器運行軌道設計12.2.1近地軌道參數的選擇原則12.2.2航天器星下點軌跡及軌道覆蓋計算12.2.3航天器位置矢量、速度矢量與軌道要素的計算12.3近地軌道設計要考慮的攝動因素12.3.1地球形狀攝動12.3.2大氣阻力攝動12.3.3調姿噴氣攝動和軌道控制噴氣攝動12.3.4近地軌道航天器的攝動運動方程12.4近地軌道航天器的軌道壽命計算12.5中軌道航天器運行軌道設計12.5.1真太陽與平太陽12.5.2太陽同步軌道某一緯度的地方時12.5.3太陽同步軌道的太陽高度角緩慢變化12.6高軌道航天器運行軌道設計12.6.1靜止軌道的基本條件12.6.2發射入軌誤差會引起衛星位置漂移12.6.3靜止軌道衛星的攝動與軌道保持第13章 航天器的返回軌道設計13.1航天器返回過程概述13.1.1任務與設計原則13.1.2進入和返回航天器的分類13.1.3返回式航天器的著陸方式13.2航天器返回過程基礎理論13.2.1返回航天器返回軌道的分段13.2.2航天器進入軌道的基礎理論13.3彈道式再入航天器的返回軌道設計13.3.1不控升力的彈道式返回器軌道設計13.3.2無升力的彈道式返回軌道設計原理13.4彈道升力式再入返回器的返回軌道設計13.4.1彈道升力式返回器的軌道動力學13.4.2彈道升力式返回軌道的參數選擇第14章 登月軌道設計14.1日、地、月的相對運動及其不固定性14.2描述日、地、月運動的天球坐標系14.2.1球面三角的基本概念14.2.24種常用的天球坐標系14.2.34種天球坐標系間的轉換14.3月球軌道運動特徵和參數的天球表示14.3.1月球的軌道運動和自轉運動14.3.2用地心天球圖描述日、地、月運動參數14.4探月軌道的類型和設計約束條件14.4.1探月軌道的類型14.4.2探月軌道設計的約束條件14.5簡化的探月軌道設計14.5.1飛行時間隨入軌速度的變化14.5.2地球停泊軌道與地球赤道和白道非共面時考慮的問題14.5.3地球停泊軌道、地月轉移軌道和白道三者間的關係14.5.4地月轉移軌道計算14.5.5地球停泊軌道計算14.6雙二體探月軌道設計14.6.1月球影響球入口點後的軌道計算常用坐標系及其轉換14.6.2入口點後的軌道計算14.6.3入口點B位置的影響14.7發射窗口與軌道約束（光照與測控）條件的關係14.7.1光照約束條件對發射窗口選擇的影響14.7.2測控約束條件的影響14.8美國阿波羅登月工程概述14.8.1阿波羅載人飛船14.8.2土星Ⅴ載人火箭14.8.3典型飛行程序與飛行軌道第3篇 航天工程設計任務第15章 無線電控制系統儀器研製15.1橫校系統控制原理15.2橫校系統綜合測試儀的改進15.3橫校模擬信號fo(t)的信號分析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)的解析式和頻譜式15.4根據fo(t)解析式求基本電路15.4.1產生f1(t)的3個基本電路15.4.2產生F1(t)+F2(t)的基本電路和g(t)波形15.5橫校模擬信號源總框圖15.6橫校模擬信號空間調製度計設計15.6.1空間調製度計的方案選擇15.6.2空間調製度計的誤差及其減小措施15.6.3空間調製度計的精度鑒定15.7小結第16章 自動測試系統數字儀器研製16.1自動測試系統概述16.2測試發控系統的抗干擾設計16.2.1測試發控系統的信號分類16.2.2按信號特徵分類合理佈局系統16.3積分式A/D轉換器16.3.1單積分A/D轉換器16.3.2雙積分A/D轉換器16.3.3三重積分A/D轉換器16.4積分式A/D抗常態干擾能力的計算方法16.5共態干擾的抑制方法16.5.1浮地輸入及其共態電流16.5.2雙層屏蔽對共態干擾的抑制16.5.3雙層屏蔽線路的隔離技術16.6小結第17章 運載火箭測試發控系統總體設計17.1引論17.2運載火箭的組成與測試發控系統的關係17.2.1箭體結構與分離系統17.2.2動力裝置系統17.2.3控制系統17.2.4遙測系統17.2.5外測安全系統17.3測控方法與測控線路設計17.3.1箭地信息連接方式設計17.3.2電源配電系統的測試方法與測控線路設計17.3.3穩定系統的測試方法與測控線路設計17.3.4制導系統的測試方法與測控線路設計17.3.5發射控制線路設計17.3.6控制系統總檢查設計17.4測試發控系統設計17.4.1系統結構的確定與佈局17.4.2系統技術指標的確定17.4.3計算機對系統設備的管理方式與接口設計17.5主要系統接口設備設計17.5.1模擬量測試接口設備設計17.5.2信號源接口設備設計17.5.3自動發控接口設備設計17.5.4地箭接口設計17.5.5接口的程序檢查方法舉例17.6測試發控軟件系統設計17.6.1測試發控系統軟件的組成17.6.2測試發控系統硬件檢查程序17.6.3測試發控系統軟件設計方案17.7小結第18章 高可靠性火箭控制系統設計18.1引論18.2火箭控制系統的組成、典型結構與基本概念18.2.1控制系統的組成18.2.2飛行控制系統的結構和任務18.2.3測試發控系統的結構和任務18.2.4控制系統設計的基本概念18.3火箭飛行控制技術的發展18.3.1近程導彈的射程控制（Vk和θk制導方案）18.3.2射程偏差補償方案18.3.3無線電橫校/慣性制導方案18.3.4橫向慣性坐標轉換和縱向雙補償視加速度特徵量關機方案18.3.5尾翼和燃氣舵姿態控制方案18.3.6液壓伺服機構、擺動發動機和時變校正網絡的多回路姿態穩定方案18.4現代火箭控制系統的兩種典型方案18.4.1平臺/計算機控制系統18.4.2速率捷聯/計算機控制系統18.5載人火箭控制系統的冗餘方案18.5.1國外載人火箭控制系統的發展與特點18.5.2控制系統冗餘設計的原則18.5.3平臺／速率捷聯控制系統冗餘方案的比較18.5.4載人火箭控制系統冗餘設計的一般法則18.5.5平臺／捷聯複合控制系統及其冗餘管理第19章 載人航天器人控系統的設計與地面試驗19.1人控系統的設計原則與任務要求19.1.1人控系統的設計原則19.1.2人控系統在載人航天器各飛行段要完成的任務19.2人控系統的結構、功能和配套設備19.2.1手柄機械聯動比例控制系統19.2.2手柄電路控制衝量比例控制系統19.2.3聯盟TM號飛船的人控系統結構19.2.4數字控制回路人控系統19.2.5模擬控制回路人控系統19.3人控系統的主要儀器設備及其特性19.3.1航天員控制台19.3.2飛船運動控制手柄19.3.3航天員觀察用的光學儀器19.3.4邏輯控制裝置19.3.5人控接口處理單元19.3.6人控系統對其他綜合系統的要求19.4人控系統的安裝佈局要求與人機工效學19.4.1人在載人航天飛行中的作用與限制19.4.2船載儀器設備的佈局和特殊要求19.4.3對航天員控制台和座椅的基本要求19.4.4儀器設備的佈局19.4.5儀器設備的結構和安裝建議19.4.6飛船工作面的佈局實例19.5飛船離軌返回的人工控制19.5.1飛船離軌返回著陸控制階段的劃分19.5.2飛船返回再入段的特點和過程19.5.3各種人控返回工作模式19.6飛船交會對接的人工控制19.6.1飛船轉入人控交會對接的條件19.6.2人控交會對接控制的方法19.6.3人控停靠駕駛過程19.6.4人控與距離有關的交會速度控制19.6.5懸停後向交會目標試飛的人控過程與參數要求19.7人控系統的可靠性設計19.7.1可靠性設計原則19.7.2可靠性設計措施19.7.3人控備份手段的必要性和充分條件19.8人控系統的地面試驗19.8.1地面仿真試驗與自主試驗19.8.2航天員在人控系統中的數學模型19.8.3人控系統的仿真19.8.4人控系統自主電試驗第20章 航天工程供電與接地的電磁兼容性設計20.1引論20.2供電與接地方案的提出及設計要求20.3供電與接地的電磁兼容性設計原理20.3.1基本概念20.3.2干擾源20.3.3敏感器20.3.4電磁干擾的耦合通路20.4航天發射場的供配電與各系統的用電20.4.1航天發射場的供配電狀態20.4.2各系統的用電（以運載火箭和載人航天器為例）20.4.3N線和PE線混接的危害性分析20.4.4供電隔離與接口隔離的優越性分析20.5航天發射場測發廠房單地網-點接地設施與各系統的接地20.5.1測發廠房的接地線路類型20.5.2各系統的內部接地設置20.5.3系統接地要注意的問題與方法第21章 空間交會對接系統概論21.1引論21.2空間交會對接系統的基本組成21.3空間交會對接過程的階段劃分21.3.1目標飛行軌道和追蹤軌道21.3.2交會對接過程階段劃分21.4國外交會對接測量技術的發展狀況21.4.1美國交會對接測量技術21.4.2蘇聯/俄羅斯交會對接測量技術21.4.3歐洲空間局交會對接測量技術21.4.4日本交會對接測量技術21.4.5相對測量技術發展趨勢及典型設備技術指標21.5測量過程及其特點21.5.1測量過程21.5.2測量系統特點21.6測量技術研究的主要內容21.6.1測量傳感器研究21.6.2測量系統研究21.7船載相對測量系統體制研究21.7.1測量系統配置原則21.7.2交會控制的最終目標對接的初始條件21.7.3測量系統的主要技術要求21.7.4測量體制（測量設備配置方案）及其分析21.8空間對接機構21.8.1空間對接機構的總體概念21.8.2對對接機構的主要技術要求21.8.3對接機構與工程總體的關係21.8.4空間對接機構的類型21.8.5異體同構周邊式對接機構第22章 空間交會對接控制原理與工程設計22.1空間交會對接控制基礎22.1.1交會對接的動力學問題22.1.2交會對接工程設計要點22.1.3交會變軌的一般方法22.2描述兩航天器相對運動的相對坐標系22.2.1旋轉直角相對坐標系O1XBYBZB（軌道相對坐標系）22.2.2非旋轉直角相對坐標系O1XHYHZH（慣性相對坐標系）22.2.3瞄準線直角相對坐標系O1XAYAZA（射線直角坐標系）22.3兩航天器質心的相對運動方程22.3.1兩航天器質心運動方程的一般數學描述22.3.2在旋轉直角相對坐標系中的運動方程22.3.3在非旋轉(慣性)直角坐標系中的運動方程22.3.4瞄準線（射線）相對坐標系中的運動方程22.3.5兩航天器質心相對運動線性化方程的通式22.4自由軌道法接近控制22.4.1船載交會接近控制系統方案22.4.2自由軌道法接近控制概念22.4.3控制數學模型與控制程序22.4.4自由軌道控制的質量特性22.5瞄準線法接近控制22.5.1控制原理與控制數學模型22.5.2慣性平行接近法的控制規律22.5.3瞄準線接近控制的質量特徵22.5.4瞄準線接近法的校正控制22.5.5瞄準線接近法的硬件構成方案22.6飛船控制系統設計22.6.1飛船完成交會對接任務各飛行段的工作模式22.6.2飛船與空間站交會對接的軌道控制22.6.3飛船的GNC系統22.7交會對接控制對相對運動測量設備的要求22.7.1相對運動參數測量要求22.7.2測量設備溫濕度環境要求22.7.3測量設備力學環境要求22.7.4測量設備其他環境要求22.7.5測量設備電磁兼容設計要求附錄A世界主要航天國家的運載火箭A1蘇聯/俄羅斯的運載火箭A1.1東方號系列運載火箭A1.2聯盟號系列運載火箭A1.3宇宙號系列運載火箭A1.4質子號系列運載火箭A1.5旋風號系列運載火箭A1.6天頂號系列運載火箭A1.7能源號運載火箭A2美國的運載火箭A2.1雷神系列運載火箭A2.2宇宙神系列運載火箭A2.3德爾它系列運載火箭A2.4偵察兵系列運載火箭A2.5土星系列運載火箭A2.6大力神系列運載火箭A3其他國家的運載火箭A3.1歐盟的運載火箭A3.2日本的運載火箭附錄Ｂ常用天體運行數據和特性參數附錄C矢量計算與正則單位制C1矢量計算C1.1矢量分析的基本定義C1.2矢量的運算法則C2用於軌道計算的正則單位制參考文獻·