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空间技术与科学研究丛书 深空探测技术 孙泽洲 编著 2018年版
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资料介绍
空间技术与科学研究丛书 深空探测技术
作者： 孙泽洲 编著
出版时间：2018年版
丛编项： 空间技术与科学研究丛书
内容简介
本书明确了深空探测的内涵，系统地梳理了深空探测的发展历程，前瞻了无人深空探测活动的发展趋势和技术需求。针对这些难点和重点，从深空探测器设计所面临的特殊环境、总体设计、飞行轨道、科学载荷、制导导航与控制、大气减速、测控通信、热控、推进、电源、自主管理、机构、遥操作、地面试验验证等多个方面，对设计方法、设计要素、典型技术、发展展望等内容，结合探月工程和抢先发售火星等任务的工程实践和实例做了系统的阐述和总结。本书可作为高等院校宇航相关专业学生的教学参考书，也可供从事宇航工程、航天器总体设计及有关专业的科技人员参考。
目录
第 1章 概论 0011.1 深空探测的意义 0021.2 深空探测发展概况 0041.2.1 国外深空探测发展概况 0051.2.2 我国深空探测发展概况 0061.2.3 深空探测的发展趋势 0101.3 未来深空探测技术发展需求 0121.4 展望 015参考文献 016第 2章 深空环境特征及其影响 0172.1 引言 0182.2 地球空间环境 0202.2.1 深空探测器面临的主要地球空间环境特征 0202.2.2 地球空间环境对深空探测器的影响 0232.3 月球空间环境 0262.3.1 概述 0262.3.2 月球辐射环境及其影响 0272.3.3 月球大气及其影响 0312.3.4 月壤/月尘及其影响 0322.3.5 月面地形地貌及其影响 0362.4 火星空间环境 0382.4.1 概述 0382.4.2 火星辐射环境及影响 0392.4.3 火星大气环境影响 0402.4.4 火星尘埃环境影响 0412.4.5 火星表面地形地貌 0412.4.6 火星的卫星 0422.5 木星空间环境 0432.5.1 概述 0432.5.2 木星强磁场环境 0442.5.3 木星强辐射带环境 0452.5.4 木星等离子体环境 0452.5.5 木星大气环境 0452.5.6 木星的卫星 0462.6 金星空间环境 0472.6.1 概述 0472.6.2 金星磁场 0482.6.3 金星大气环境 0482.6.4 金星表面地形 0492.7 其他行星际空间环境 0512.7.1 行星际环境 0512.7.2 小行星环境 0512.7.3 彗星环境 0522.8 展望 054参考文献 055第3章 总体设计技术 0563.1 引言 0573.2 深空探测器总体设计概述 0583.2.1 深空探测器任务特点 0583.2.2 系统任务分析 0603.2.3 系统总体设计流程 0623.3 环绕探测类任务总体设计 0633.3.1 任务分析 0633.3.2 技术指标分解 0653.3.3 飞行程序设计 0663.3.4 关键技术分析 0663.3.5 设计验证 0673.4 着陆探测类任务总体设计 0683.4.1 任务分析 0683.4.2 技术指标分解 0713.4.3 飞行程序设计 0713.4.4 关键技术分析 0733.4.5 设计验证 0743.5 巡视探测类任务总体设计 0753.5.1 任务分析 0753.5.2 技术指标分解 0783.5.3 工作程序设计 0793.5.4 关键技术分析 0793.5.5 设计验证 0803.6 采样返回探测类任务总体设计 0813.6.1 任务分析 0813.6.2 技术指标分解 0873.6.3 飞行程序设计 0883.6.4 关键技术分析 0893.6.5 设计验证 0933.7 展望 094参考文献 095第4章 轨道设计技术 0964.1 引言 0974.2 典型轨道类型 0984.2.1 月球探测 0984.2.2 行星探测 0994.2.3 小行星探测 1004.2.4 平动点任务 1024.3 轨道设计过程概述 1034.4 转移轨道设计 1054.4.1 直接转移 1054.4.2 借力飞行 1134.4.3 深空机动 1174.4.4 小推力转移 1194.5 使命轨道设计 1364.5.1 环绕探测 1364.5.2 平动点任务 1414.5.3 交会对接 1474.6 轨控策略设计 1534.7 展望 155参考文献 156第5章 有效载荷技术 1595.1 引言 1605.2 深空探测研究的主要科学问题 1625.2.1 从系统角度看深空探测的科学问题 1625.2.2 我国月球和火星探测的科学目标与有效载荷配置 1655.3 形貌获取技术 1725.3.1 科学探测任务 1725.3.2 立体像对获取技术 1725.3.3 彩色CMOS器件 1735.3.4 相机系统设计 1745.3.5 自动曝光技术 1765.3.6 定标与地面验证试验 1785.4 元素成分鉴别技术 1795.4.1 科学探测任务 1795.4.2 元素成分鉴别原理 1795.4.3 激发源的选取策略 1805.4.4 传感器的选取与设计技术 1815.4.5 系统设计 1835.4.6 定标与地面验证试验 1855.5 月基天文观测技术 1865.5.1 科学探测任务 1865.5.2 谱段和观测天区选择 1875.5.3 望远镜设计 1875.5.4 杂散光抑制 1875.5.5 定标与地面验证试验 1885.6 展望 189参考文献 190第6章 制导导航控制技术 1926.1 引言 1936.2 轨道控制技术 1946.2.1 深空探测器轨道控制特点 1946.2.2 大冲量轨道控制策略 1956.2.3 准确轨道控制 2006.2.4 轨道控制系统设计 2056.3 天体进入与着陆GNC技术 2096.3.1 天体进入与着陆GNC技术特点 2096.3.2 大气进入控制 2106.3.3 动力下降控制 2116.3.4 障碍识别与规避 2126.3.5 天体进入与着陆GNC系统设计 2136.4 天体表面巡视GNC技术 2196.4.1 巡视器GNC特点 2196.4.2 环境感知 2206.4.3 位姿确定与估计 2226.4.4 路径规划 2236.4.5 运动控制 2256.4.6 天体表面巡视GNC系统设计 2276.5 展望 232参考文献 233第7章 大气减速技术 2347.1 引言 2357.2 气动力与气动热分析 2387.2.1 空气动力学基本概念 2387.2.2 大气进入气动问题研究 2437.2.3 大气进入气动分析与预测 2477.3 气动热防护设计 2587.3.1 热防护技术基础理论 2587.3.2 大气进入热防护技术 2637.3.3 大气进入热防护设计 2677.4 大气进入制导与控制设计 2757.4.1 大气进入制导控制技术 2757.4.2 大气进入轨道设计 2777.4.3 大气进入制导与控制设计 2827.5 降落伞减速设计 2847.5.1 降落伞减速概述 2847.5.2 大气进入降落伞技术 2877.5.3 深空探测器降落伞设计 2907.5.4 降落伞设计仿真分析 3037.6 展望 305参考文献 306第8章 测控通信技术 3078.1 引言 3088.2 深空无线电测量技术 3108.2.1 深空测距 3108.2.2 深空测速 3128.2.3 深空测角 3158.3 深空射频系统技术 3208.3.1 射频调制 3208.3.2 高灵敏度接收 3218.3.3 高EIRP发射 3228.3.4 激光通信 3238.4 深空遥测遥控和数据通信技术 3258.4.1 数据格式 3258.4.2 信道编码 3288.5 深空测控通信系统设计 3318.5.1 任务分析 3318.5.2 系统方案 3388.5.3 仿真与验证 3428.6 展望 345参考文献 347第9章 热控技术 3499.1 引言 3509.2 深空热环境特点 3519.2.1 水星热环境 3529.2.2 金星热环境 3539.2.3 月球热环境 3549.2.4 火星热环境 3559.2.5 外行星热环境 3579.3 热控关键技术 3599.3.1 重力辅助两相流体回路技术 3599.3.2 水升华器技术 3619.3.3 可变热导热管技术 3649.3.4 气凝胶技术 3659.4 深空探测器热控系统设计 3699.4.1 国内外典型深空探测器热控系统简介 3699.4.2 热设计的基本原则 3759.4.3 热设计 3769.4.4 热分析 3799.4.5 地面模拟试验 3849.5 展望 389参考文献 391第 10章 推进技术 39310.1 引言 39410.2 推进系统分类 39510.2.1 冷气推进 39510.2.2 化学推进 39610.2.3 电推进 40610.2.4 新概念推进 41110.3 深空探测推进系统设计与验证 41510.3.1 任务分析 41510.3.2 推进系统选型 41910.3.3 方案设计 42010.4 展望 430参考文献 432第 11章 电源技术 43411.1 引言 43511.2 太阳电池技术 43611.2.1 光谱匹配 43611.2.2 防尘技术 43911.3 MPPT技术 44111.3.1 MPPT基本原理 44111.3.2 MPPT实现方式 44211.3.3 MPPT拓扑结构 44411.4 锂离子蓄电池技术 44611.4.1 锂离子蓄电池概述 44611.4.2 锂离子电池的耐低温技术 44711.5 空间核电源 45211.5.1 空间核电源概述 45211.5.2 RTG技术 45311.5.3 核反应堆电源 45611.6 深空电源系统设计 46211.6.1 任务分析 46211.6.2 太阳电池阵设计 46711.6.3 蓄电池组设计 46911.6.4 电源控制器设计 47111.6.5 电源系统设计示例 47111.7 展望 477参考文献 479第 12章 自主管理技术 48212.1 引言 48312.2 自主管理技术概述 48412.2.1 自主运行体系结构 48512.2.2 体系结构及其组件 48512.2.3 故障检测和诊断 48812.2.4 规划和调度 49112.3 深空探测器自主管理技术 49612.3.1 火星车自主能力发展历程 49712.3.2 火星车自主管理技术需求分析 49812.3.3 火星车自主管理实现方案框架 50512.3.4 火星车自主任务规划 50712.4 展望 511参考文献 512第 13章 机构技术 51413.1 引言 51513.2 着陆缓冲机构 51613.2.1 着陆缓冲机构的功能及组成特点 51713.2.2 着陆缓冲机构设计与验证 51913.3 巡视器转移机构 52913.3.1 巡视器转移机构的功能及组成特点 53013.3.2 巡视器转移机构设计与验证 53213.4 巡视器移动机构 53913.4.1 巡视器移动机构的功能及组成特点 53913.4.2 巡视器移动机构设计与验证 54113.5 取样机构 55413.5.1 样品取样机构的功能及组成特点 55413.5.2 样品取样机构设计与验证 55713.6 展望 567参考文献 568第 14章 遥操作技术 56914.1 引言 57014.2 巡视器的遥操作 57214.2.1 遥操作与遥科学 57314.2.2 空间环境下遥操作的特点 57314.2.3 空间环境下遥操作的分类 57414.2.4 地外天体表面巡视器遥操作 57414.3 国外巡视器遥操作技术发展情况 57614.3.1 苏联月面巡视器“月球车”的遥操作 57614.3.2 美国载人月面巡视器LRV的遥操作 57714.3.3 美国火星巡视器“索杰纳”的遥操作 57714.3.4 美国火星巡视器MER的遥操作 57814.3.5 美国火星巡视器MSL的遥操作 58114.4 巡视探测器遥操作系统任务分析 58214.5 遥操作系统关键技术 58414.5.1 绝对定位与相对定位技术 58414.5.2 图像信息融合技术 58514.5.3 任务规划 58814.5.4 路径规划 59014.5.5 机械臂规划 59014.6 遥操作系统实现与实施 59314.6.1 系统功能与组成 59314.6.2 系统框架 59414.6.3 操作实施流程 59514.6.4 控制指令生成系统 59714.6.5 数字仿真系统 59714.6.6 物理仿真系统 59714.7 展望 599参考文献 600第 15章 地面试验验证技术 60215.1 引言 60315.2 技术发展现状 60415.2.1 气动减速环节试验技术 60415.2.2 动力减速环节试验技术 61215.2.3 软着陆环节验证技术 61415.2.4 起飞环节验证技术 61815.3 需求分析 62115.3.1 试验规划原则 62115.3.2 验证试验需求 62115.4 试验验证技术 62515.4.1 气动减速环节试验技术 62515.4.2 动力减速、软着陆及起飞环节验证技术 63315.5 展望 653参考文献 654索引 656
作者： 孙泽洲 编著
出版时间：2018年版
丛编项： 空间技术与科学研究丛书
内容简介
本书明确了深空探测的内涵，系统地梳理了深空探测的发展历程，前瞻了无人深空探测活动的发展趋势和技术需求。针对这些难点和重点，从深空探测器设计所面临的特殊环境、总体设计、飞行轨道、科学载荷、制导导航与控制、大气减速、测控通信、热控、推进、电源、自主管理、机构、遥操作、地面试验验证等多个方面，对设计方法、设计要素、典型技术、发展展望等内容，结合探月工程和抢先发售火星等任务的工程实践和实例做了系统的阐述和总结。本书可作为高等院校宇航相关专业学生的教学参考书，也可供从事宇航工程、航天器总体设计及有关专业的科技人员参考。
目录
第 1章 概论 0011.1 深空探测的意义 0021.2 深空探测发展概况 0041.2.1 国外深空探测发展概况 0051.2.2 我国深空探测发展概况 0061.2.3 深空探测的发展趋势 0101.3 未来深空探测技术发展需求 0121.4 展望 015参考文献 016第 2章 深空环境特征及其影响 0172.1 引言 0182.2 地球空间环境 0202.2.1 深空探测器面临的主要地球空间环境特征 0202.2.2 地球空间环境对深空探测器的影响 0232.3 月球空间环境 0262.3.1 概述 0262.3.2 月球辐射环境及其影响 0272.3.3 月球大气及其影响 0312.3.4 月壤/月尘及其影响 0322.3.5 月面地形地貌及其影响 0362.4 火星空间环境 0382.4.1 概述 0382.4.2 火星辐射环境及影响 0392.4.3 火星大气环境影响 0402.4.4 火星尘埃环境影响 0412.4.5 火星表面地形地貌 0412.4.6 火星的卫星 0422.5 木星空间环境 0432.5.1 概述 0432.5.2 木星强磁场环境 0442.5.3 木星强辐射带环境 0452.5.4 木星等离子体环境 0452.5.5 木星大气环境 0452.5.6 木星的卫星 0462.6 金星空间环境 0472.6.1 概述 0472.6.2 金星磁场 0482.6.3 金星大气环境 0482.6.4 金星表面地形 0492.7 其他行星际空间环境 0512.7.1 行星际环境 0512.7.2 小行星环境 0512.7.3 彗星环境 0522.8 展望 054参考文献 055第3章 总体设计技术 0563.1 引言 0573.2 深空探测器总体设计概述 0583.2.1 深空探测器任务特点 0583.2.2 系统任务分析 0603.2.3 系统总体设计流程 0623.3 环绕探测类任务总体设计 0633.3.1 任务分析 0633.3.2 技术指标分解 0653.3.3 飞行程序设计 0663.3.4 关键技术分析 0663.3.5 设计验证 0673.4 着陆探测类任务总体设计 0683.4.1 任务分析 0683.4.2 技术指标分解 0713.4.3 飞行程序设计 0713.4.4 关键技术分析 0733.4.5 设计验证 0743.5 巡视探测类任务总体设计 0753.5.1 任务分析 0753.5.2 技术指标分解 0783.5.3 工作程序设计 0793.5.4 关键技术分析 0793.5.5 设计验证 0803.6 采样返回探测类任务总体设计 0813.6.1 任务分析 0813.6.2 技术指标分解 0873.6.3 飞行程序设计 0883.6.4 关键技术分析 0893.6.5 设计验证 0933.7 展望 094参考文献 095第4章 轨道设计技术 0964.1 引言 0974.2 典型轨道类型 0984.2.1 月球探测 0984.2.2 行星探测 0994.2.3 小行星探测 1004.2.4 平动点任务 1024.3 轨道设计过程概述 1034.4 转移轨道设计 1054.4.1 直接转移 1054.4.2 借力飞行 1134.4.3 深空机动 1174.4.4 小推力转移 1194.5 使命轨道设计 1364.5.1 环绕探测 1364.5.2 平动点任务 1414.5.3 交会对接 1474.6 轨控策略设计 1534.7 展望 155参考文献 156第5章 有效载荷技术 1595.1 引言 1605.2 深空探测研究的主要科学问题 1625.2.1 从系统角度看深空探测的科学问题 1625.2.2 我国月球和火星探测的科学目标与有效载荷配置 1655.3 形貌获取技术 1725.3.1 科学探测任务 1725.3.2 立体像对获取技术 1725.3.3 彩色CMOS器件 1735.3.4 相机系统设计 1745.3.5 自动曝光技术 1765.3.6 定标与地面验证试验 1785.4 元素成分鉴别技术 1795.4.1 科学探测任务 1795.4.2 元素成分鉴别原理 1795.4.3 激发源的选取策略 1805.4.4 传感器的选取与设计技术 1815.4.5 系统设计 1835.4.6 定标与地面验证试验 1855.5 月基天文观测技术 1865.5.1 科学探测任务 1865.5.2 谱段和观测天区选择 1875.5.3 望远镜设计 1875.5.4 杂散光抑制 1875.5.5 定标与地面验证试验 1885.6 展望 189参考文献 190第6章 制导导航控制技术 1926.1 引言 1936.2 轨道控制技术 1946.2.1 深空探测器轨道控制特点 1946.2.2 大冲量轨道控制策略 1956.2.3 准确轨道控制 2006.2.4 轨道控制系统设计 2056.3 天体进入与着陆GNC技术 2096.3.1 天体进入与着陆GNC技术特点 2096.3.2 大气进入控制 2106.3.3 动力下降控制 2116.3.4 障碍识别与规避 2126.3.5 天体进入与着陆GNC系统设计 2136.4 天体表面巡视GNC技术 2196.4.1 巡视器GNC特点 2196.4.2 环境感知 2206.4.3 位姿确定与估计 2226.4.4 路径规划 2236.4.5 运动控制 2256.4.6 天体表面巡视GNC系统设计 2276.5 展望 232参考文献 233第7章 大气减速技术 2347.1 引言 2357.2 气动力与气动热分析 2387.2.1 空气动力学基本概念 2387.2.2 大气进入气动问题研究 2437.2.3 大气进入气动分析与预测 2477.3 气动热防护设计 2587.3.1 热防护技术基础理论 2587.3.2 大气进入热防护技术 2637.3.3 大气进入热防护设计 2677.4 大气进入制导与控制设计 2757.4.1 大气进入制导控制技术 2757.4.2 大气进入轨道设计 2777.4.3 大气进入制导与控制设计 2827.5 降落伞减速设计 2847.5.1 降落伞减速概述 2847.5.2 大气进入降落伞技术 2877.5.3 深空探测器降落伞设计 2907.5.4 降落伞设计仿真分析 3037.6 展望 305参考文献 306第8章 测控通信技术 3078.1 引言 3088.2 深空无线电测量技术 3108.2.1 深空测距 3108.2.2 深空测速 3128.2.3 深空测角 3158.3 深空射频系统技术 3208.3.1 射频调制 3208.3.2 高灵敏度接收 3218.3.3 高EIRP发射 3228.3.4 激光通信 3238.4 深空遥测遥控和数据通信技术 3258.4.1 数据格式 3258.4.2 信道编码 3288.5 深空测控通信系统设计 3318.5.1 任务分析 3318.5.2 系统方案 3388.5.3 仿真与验证 3428.6 展望 345参考文献 347第9章 热控技术 3499.1 引言 3509.2 深空热环境特点 3519.2.1 水星热环境 3529.2.2 金星热环境 3539.2.3 月球热环境 3549.2.4 火星热环境 3559.2.5 外行星热环境 3579.3 热控关键技术 3599.3.1 重力辅助两相流体回路技术 3599.3.2 水升华器技术 3619.3.3 可变热导热管技术 3649.3.4 气凝胶技术 3659.4 深空探测器热控系统设计 3699.4.1 国内外典型深空探测器热控系统简介 3699.4.2 热设计的基本原则 3759.4.3 热设计 3769.4.4 热分析 3799.4.5 地面模拟试验 3849.5 展望 389参考文献 391第 10章 推进技术 39310.1 引言 39410.2 推进系统分类 39510.2.1 冷气推进 39510.2.2 化学推进 39610.2.3 电推进 40610.2.4 新概念推进 41110.3 深空探测推进系统设计与验证 41510.3.1 任务分析 41510.3.2 推进系统选型 41910.3.3 方案设计 42010.4 展望 430参考文献 432第 11章 电源技术 43411.1 引言 43511.2 太阳电池技术 43611.2.1 光谱匹配 43611.2.2 防尘技术 43911.3 MPPT技术 44111.3.1 MPPT基本原理 44111.3.2 MPPT实现方式 44211.3.3 MPPT拓扑结构 44411.4 锂离子蓄电池技术 44611.4.1 锂离子蓄电池概述 44611.4.2 锂离子电池的耐低温技术 44711.5 空间核电源 45211.5.1 空间核电源概述 45211.5.2 RTG技术 45311.5.3 核反应堆电源 45611.6 深空电源系统设计 46211.6.1 任务分析 46211.6.2 太阳电池阵设计 46711.6.3 蓄电池组设计 46911.6.4 电源控制器设计 47111.6.5 电源系统设计示例 47111.7 展望 477参考文献 479第 12章 自主管理技术 48212.1 引言 48312.2 自主管理技术概述 48412.2.1 自主运行体系结构 48512.2.2 体系结构及其组件 48512.2.3 故障检测和诊断 48812.2.4 规划和调度 49112.3 深空探测器自主管理技术 49612.3.1 火星车自主能力发展历程 49712.3.2 火星车自主管理技术需求分析 49812.3.3 火星车自主管理实现方案框架 50512.3.4 火星车自主任务规划 50712.4 展望 511参考文献 512第 13章 机构技术 51413.1 引言 51513.2 着陆缓冲机构 51613.2.1 着陆缓冲机构的功能及组成特点 51713.2.2 着陆缓冲机构设计与验证 51913.3 巡视器转移机构 52913.3.1 巡视器转移机构的功能及组成特点 53013.3.2 巡视器转移机构设计与验证 53213.4 巡视器移动机构 53913.4.1 巡视器移动机构的功能及组成特点 53913.4.2 巡视器移动机构设计与验证 54113.5 取样机构 55413.5.1 样品取样机构的功能及组成特点 55413.5.2 样品取样机构设计与验证 55713.6 展望 567参考文献 568第 14章 遥操作技术 56914.1 引言 57014.2 巡视器的遥操作 57214.2.1 遥操作与遥科学 57314.2.2 空间环境下遥操作的特点 57314.2.3 空间环境下遥操作的分类 57414.2.4 地外天体表面巡视器遥操作 57414.3 国外巡视器遥操作技术发展情况 57614.3.1 苏联月面巡视器“月球车”的遥操作 57614.3.2 美国载人月面巡视器LRV的遥操作 57714.3.3 美国火星巡视器“索杰纳”的遥操作 57714.3.4 美国火星巡视器MER的遥操作 57814.3.5 美国火星巡视器MSL的遥操作 58114.4 巡视探测器遥操作系统任务分析 58214.5 遥操作系统关键技术 58414.5.1 绝对定位与相对定位技术 58414.5.2 图像信息融合技术 58514.5.3 任务规划 58814.5.4 路径规划 59014.5.5 机械臂规划 59014.6 遥操作系统实现与实施 59314.6.1 系统功能与组成 59314.6.2 系统框架 59414.6.3 操作实施流程 59514.6.4 控制指令生成系统 59714.6.5 数字仿真系统 59714.6.6 物理仿真系统 59714.7 展望 599参考文献 600第 15章 地面试验验证技术 60215.1 引言 60315.2 技术发展现状 60415.2.1 气动减速环节试验技术 60415.2.2 动力减速环节试验技术 61215.2.3 软着陆环节验证技术 61415.2.4 起飞环节验证技术 61815.3 需求分析 62115.3.1 试验规划原则 62115.3.2 验证试验需求 62115.4 试验验证技术 62515.4.1 气动减速环节试验技术 62515.4.2 动力减速、软着陆及起飞环节验证技术 63315.5 展望 653参考文献 654索引 656
