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内容简介
本书以空间任务需求为设计驱动，给出任务及轨道选择之间的关系，在分析航天
器的空间环境与设计约束的基础上展开航天器设计，介绍了航天器发射与运行控制
密切相关的运载火箭系统和地面站及控制系统，阐述了航天器的结构、机构、装配、集
成和测试、小卫星工程以及产品保证等内容。本书*后一章是对前面各章专业知识
的总结，并重点介绍一种系统设计方法———并行工程设计，该章内容是全书的精髓。
目录
译者序
**版前言
第二版前言
第三版前言
第四版前言
缩略语
上册
1 概论
1.1 有效载荷和任务
1.2 航天器系统
1.3 展望
参考文献
2 航天器环境及其对设计的影响
2.1 概述
2.2 航天器运行前环境
2.3 航天器空间环境
2.4 空间环境对设计的影响
参考文献
3 航天器动力学
3.1 概述
3.2 轨道动力学
3.3 姿态动力学概述
3.4 特殊类型航天器姿态运动
3.5 振荡模态
3.6 结论
附录惯性矩阵
4 天体力学
4.1 概述
4.2 二体问题-质点动力学
4.3 轨道参数
4.4 轨道摄动
4.5 限制性三体问题
参考文献
5 任务分析
5.1 引言
5.2 开普勒轨道转移
5.3 任务分析
5.4 LEO极轨遥感卫星
5.5 卫星星座
5.6 地球静止轨道
5.7 大椭圆轨道
5.8 行星际任务
参考文献
6 推进系统
6.1 系统分类
6.2 化学火箭
6.3 航天器推进
6.4 电推进
参考文献
7 运载火箭
7.1 概述
7.2 运载火箭的基本性能与操作
7.3 航天器发射阶段和任务计划
7.4 Ariane5运载火箭
7.5 美国宇航员发射系统
7.6 小型运载火箭和可重复利用亚轨道器
7.7 再入地球大气层
7.8 比发射成本和可靠性
参考文献
8 航天器结构
8.1 引言
8.2 设计需求
8.3 材料选择
8.4 分析
8.5 设计验证
8.6 撞击防护
8.7 构型实例
8.8 航天结构的未来
参考文献
9 姿态控制
9.1 导言
9.2 ACS概述
9.3 航天器姿态响应
9.4 力矩与力矩器
9.5 姿态测量
9.6 ACS计算
参考文献
10 电源系统
10.1 概述
10.2 电源系统组成
10.3 主电源系统
10.4 二次电源系统:蓄电池
10.5 电源管理、分配和控制
10.6 功率预算
参考文献
索引
下册
11 航天器热控
12 通信
13 遥测、指令、数据管理与处理
14 地面段
15 航天器机构
16 航天器电磁兼容工程
17 装配、集成和验证
18 小卫星工程及其应用
19 产品保证
20 航天器系统工程
摘要与插图
1概论直到1957年苏联斯普特尼克(Sputnik)1号卫星发射入轨,人类才成功掌握了操控航天器的能力?在写这本书的时候(2010年),太空时代也只有半个多世纪,在此期间航天技术取得巨大进步,阿波罗(Apollo)号到月球探险并返回已经是遥远的记忆了?在50年多一点的时间里,除了矮小的冥王星外,无人探测器已飞过了太阳系所有主要的星体,但预计此纪录很快会被2015年飞经冥王星-冥卫系统的新地平线(NewHorizons)航天器所改写?空间航天器已经在月球和金星上着陆,近几年已看到一个名副其实的由轨道飞行器?着陆器和巡游器等组成的舰队正准备向人类期望的未来——火星这颗红色行星的探险?1995年伽利略木星轨道飞行器“着陆”在木星大气“表面”成功开展了一次探测;卡西尼/惠更斯号航天器取得了惊人的成功,于2004年进入环绕土星的轨道;欧洲制造的惠更斯探针于2005年完美着陆到土卫六表面?太阳系中的小行星也吸引了任务规划者的注意,第一个执行小行星探测任务的是近地小行星会合(NEAR)鞋匠(Shoemake)航天器,于2001年2月着陆厄洛斯(Eros)小行星?接着,日本隼鸟号(Hayabusa)航天器于2005年尝试进行了系川小行星(Itokawa)物质采样,尽管采样没有成功,但航天器现已在返回地球的途中,人们希望在密封的采样器内能够发现残留的小行星物质?类似地,雄心勃勃的欧洲罗塞塔(Rosetta)计划,其主要目的是于2014年在彗星表面投放着陆器?人们越来越意识到地球可能会遭遇到附近小行星及彗星撞击的威胁,促使人们去研究使这类星体从撞击地球路线改道的有效方法?
自1969?1972年到月球的短暂旅行后,人类太空飞行基本限制在地球轨道,目前主要聚焦于国际空间站(SS)的建设和利用?美国?欧洲?俄罗斯和日本都加入了此项雄心勃勃的长期计划中?国际空间站是太空工业在技术和政策上的一大进步,是学习在太空生活和工作的有益经历,是人类将来探索太阳系所必要的课程?这次太空活动的主力是美国航天飞机,使用航天飞机是美国30年来将人类送入轨道的主要手段?然而有迹象表明航天飞机将于2011年退役,这是美国航天史上非常重要的事件,也迫使人们彻底地重新思考美国人类航天计划,引出了既满足载人需要复杂度又低的战神1号(Ares1)运载火箭的提议?Ares1是星座计划任务的一部分,该计划的目标是生产全新的人类太空飞行器,满足美国宇航员往返月球最终往返火星的需求?然而,航天飞机退役恰逢严重的全球经济衰退,星座计划的政治承诺变得很不确定,美国对该计划的重新评估或许将预示着航天基础设施朝着完全商业化趋势发展?
毋庸置疑,无人航天器的应用不会被削减,现在很多国家都有把航天器送入轨道的能力?在地球上作为基础建设的一部分,卫星已经建立了一个牢固的立足点支撑技术社会,并期望在将来可提供更多技术支持?
20世纪前,太空旅行是白日梦,当时多数权威人士不理解航天器运动的本质,大多数人认为太空中的飞行物都比空气轻[1,2]?转过20世纪,一位俄罗斯教师康斯坦丁?齐奥尔科夫斯基(K.E.Tsiolkovsky)奠定了火箭的基石,即通过把火箭内的物体排放到自然界中去的方法获得推力?1903年他在《莫斯科技术评论》杂志上发表一篇文章并推导出我们现在所知道的火箭方程,由于这份期刊发行量较小,大多数西方人不知道他的工作领先于赫尔曼?奥伯特(HermanOberth),赫尔曼?奥伯特的工作成果发表于1923年?
他们的分析给出了所需推力的原理,但并没有提供所需要的技术,该技术最终由美国的罗伯特?戈达德(R.H.Goddard)和德国的维尔纳?冯?布劳恩(Wem-hervonBraun)在后续工作中得以实现?德国人用V-2火箭来展示他们的成果,V-2火箭用于第二次世界大战后期,他们的火箭是第一个可靠的推进系统,但仍不足以把航天器投放到轨道上,但它能把约1000kg的弹头打到300km左右的范围?正是由于这些德国工程师的工作,使斯普特尼克(Sputnik)l号卫星于1957年10月4日成功发射?美国紧随其后,于1958年1月31日成功发射第一颗卫星 探险者(Explorer)1号?
太空技术在过去50年有巨大的进步,但其发展并非一帆风顺,在美国航天史上发生过两次灾难,分别是1986年的挑战者号(Challenger)和2003年的哥伦比亚号(Columbia)?技术方面在各个领域都取得了成就,最显著的是能量转换技术,特别是太阳能光伏?燃料电池和蓄电池?热管技术在空间技术舞台上也得到了发展,该技术在地面上应用于石油工业?然而在此期间发展最显著的可能是电子计算机和软件?尽管这些技术不是来自航天技术驱动,但它们具备的能力很快被航天技术吸收,使航天器的适应性发生了革命性的变化?在一些实例中它们将可能失败的任务转换成巨大的成功?但是航天器也对人类的创造力和理解力提出挑战,即使像最基本的航天器无约束的旋转运动,也必须严格审查航天器动力学后才能得到更好的理解?人类已经成功设计了航天器并使其能承受恶劣的空间环境,在此过程中找到了多种解决问题的渠道?
1.1有效载荷和任务
航天器的有效载荷和任务是多种多样的,有些任务已可以达到具有经济效益的阶段,如通信卫星?气象卫星和导航卫星,还有一些监视地球资源?植被生长状况和污染的卫星等?测量全球变暖的程度和原因只能通过全球视角的卫星手段,今天服务于科学团队的卫星,或许通过增加人类对地球环境?太阳系和宇宙的认识的方式服务于明天的非专业人士?
每项和平应用都不可避免地伴随军事应用?依靠全球观测,以前的超级大国可了解全球军事行动及飞机部署?通信卫星和气象卫星服务军事用户,GPS(GlobalPositioningSystem)导航卫星星座现在可以提供给步兵?水手或战斗机飞行员lm的位置精度?这种空间技术的优势成为当前地球冲突中军事行动的重要组成部分?
表1.l根据轨道类型给出有效载荷/任务的分类?卫星的分类方法很多,如轨道高度?偏心率或轨道倾角?
表1.1有效载荷/任务类型
任务 轨道类型
通信 低纬度静止轨道?高纬度闪电卫星和极地卫星?全球测量用极轨LEO卫星星座等
地球资源 全球测量用极轨LEO卫星
气象 极轨LEO卫星或静止轨道
导航 倾向于全球覆盖的MEO
天文 LEO?HEO?GEO和围绕拉格朗日点的轨道
空间环境 多种多样,包括HEO
军事 全球覆盖的极轨LEO,可以多种多样
空间站 LEO
技术验证 多种多样
注:GEO指地球静止轨道;HEO指大椭圆轨道;LEO指近地轨道;MEO指中高度地球轨道
明确任务的轨道参数非常重要,它对运载火箭的设计产生重要影响,正如1.2节所述?
考虑地球静止轨道任务,其特征是航天器要到达和地球相对静止的位置?到达静止轨道所需要的推力是巨大的,因此运载火箭的“干重”不包含推进剂)占所有质量“湿重”的比例要适中?目前每千克物质发射到静止轨道所需经费在3万美元量级,因此优化设计并使重量最轻是必要的,同时也导致运载火箭的多种设计形式,每种设计只适合有限的有效载荷和任务?
考虑航天器和地面系统的通信,显而易见远距离意味着接收功率比发射功率低很多个数量级,地面站需要连续可视航天器,能够连续监视航天器状态,减少航天器自主运行的需求或者减少复杂数据处理/存储系统的需求?
LEO(lowearthorbit)的任务是完全不同的,由于地面站设计覆盖性问题使通信时断时续,与这类航天器通信更为复杂?20世纪80年代初期,发展了一种新型航天器-跟踪及数据中继卫星系统(丁DRSS),工作在地球静止轨道上,提供低轨航天器和地面站的通信链接?由于低轨航天飞机需要和地面系统保持连续通信,中继卫星系统显得更为重要?更为普遍的是低轨卫星和地面站保持良好的通信,对移动通信更有吸引力,功率可以降低,不会产生静止轨道卫星所遇到的由于电磁波有限传输速度导致的延迟问题?
LEO和GEO(geostationaryearthorbit)卫星电源系统也有明显区别,主要特征是轨道光照区时间和阴影区时间不同?LEO轨道在阴影区时间相对较长,因此相对面积较大的太阳能电池阵才能满足蓄电池充电的需求?另外,GEO轨道在一年特定时间阴影区工作时间较长(最长为72min),虽然阴影区时间只是轨道周期的一小部分,但也需要蓄电池满足深度放电的能力?电源系统的另外一个不同点是和一年中太阳方位角相对轨道平面的变化有关,太阳方位角变化可以补偿,但太阳同步轨道(见5.4节)太阳方位角接近常数?这种设计不是为了使平台设计师受益,而是为了设备可以每天在相同的当地时间进行对地观测和测量?
现在已经清楚任何任务参数的改变都有可能很大程度地影响子系统的设计参数,航天器设计需要对这些参数进行折中处理?
1.2航天器系统
本书重点论述航天器系统?航天器的类型和外形是多种多样的,航天器可以分解成功能单元或子系统,但也应注意卫星本身也是航天大系统中的一个单元?航天系统中必须用支撑作用的地面控制系统(图1.1),才能够将控制命令发送给航天器并把航天器状态和有效载荷信息传回地面?发射系统将航天器发送到预定轨道,大系统中的每个系统相互影响,系统设计师的工作就是使总体设计达到最优化,高效实现任务目标?例如,为了将卫星送达静止轨道,应采取运载火箭和卫星本身推力器相结合的方案?
让我们开始面向系统工程的所有过程,本书的最后一章会给出详细论述?图1.1给出卫星任务组成分解框图,每个单元根据与之有关的功能需求进行工作?从而,我们能够从任务目标本身提取一系列最顶层任务需求?系统工程化过程中,我们将介绍系统最高限度满足任务需求的解决方法
ChambersScienceandTechnologyDictionary这本词典给出了航天领域“系统工程,,的定义?原文内容为:“Alogicalprocessofactivitiesthattransformsasetofrequirementsarisingfromaspecficmissionobjectiveintoafulldescriptionofasystemwhichfulfiltheobjectiveinanoptimumway.Itensuresthatallas?pectsofaprojecthavebeenconsideredandintegratedintoaconsistentwhole.,,
这里谈及的“系统”可包含航天工程中所有的空间段和地面段,包括空间段与地面段之间主要的接口关系,如图1.1所示?系统也可以是应用一个有限的空间
图1.1总系统空间段和地面段组合
单元的集合,如有效载荷中的设备,设备又可以分解为天线单元?光学部分?检测器等,也可以分解为机械子系统和电子学子系统?
用户或者是数据的使用者提出系统的任务目标,他们是任务目的的发言人,事实上的质量负责人,并且在设计过程中保持绝对权威地位,这些基本要求必须在整个设计过程中充分满足?
例如,任务目标是给地面用户和机载军事用户提供安全和可靠的三维位置信息和速度信息,GPS是适合此目标的一个选择?
为满足世界范围的移动通信目标,可以提出不同的建议和解决的方法,可以使用偏心的极地卫星设计(详见第5章),也可以用低轨卫星网络的概念去实现,如全球之星(Globalstar)或者铱星(Iridium)星座等?
这些例子表明系统工程的基本原理,即满足目标要求绝不止一种方案,会有各种各样的解决办法,有的好一些,有的差一些,和目标判别的参数有关,如经费?重量或者是系统性能等?系统工程师的问题就是把这些不同的评估条件进行平衡后给出一种解决方案?
系统工程师首先要着手的过程是明确任务目标?任务需求,从最初目标到设计过程产生的系统和分系统需求?图.2展示了如何建立不同层次的需求,在第20章中将以一些特定的航天器为例给出需求层级的进一步说明和解释?图1.2中双箭头线段的理解非常重要,它们代表系统工程师在此处需要反馈和迭代?
现在转向空间飞行器系统本身?它可以方便地分解为两个主要部分,即平台(也称服务舱)和有效载荷?很显然,有效载荷是任务的主角