具体描述
航天器设计与推进原理：从基础到前沿 本书旨在为工程技术人员、航空航天专业学生以及对太空探索怀有浓厚兴趣的读者，提供一套系统、深入且紧跟时代前沿的航天器设计与推进原理的知识体系。 本书聚焦于现代航天任务的复杂性与高要求，内容涵盖了从轨道力学基础到先进推进系统的多方面核心知识，力求在理论深度和工程实践之间搭建一座坚实的桥梁。 全书结构清晰，循序渐进，共分为六个主要部分，囊括了二十章内容。 --- 第一部分：航天器动力学基础与任务规划（第1-4章） 本部分是理解一切航天活动的基础。我们首先从经典的开普勒定律和牛顿万有引力定律出发，详细阐述了圆周、椭圆、抛物线和双曲线等轨道要素的数学描述。着重分析了轨道根数（Orbital Elements）在精确表征卫星位置上的应用，并引入了更实用的地心惯性坐标系（ECI）与地固坐标系（ECEF）之间的坐标转换，这是进行轨道机动和姿态控制的前提。 随后，本书深入探讨了多体摄动理论。在实际的近地轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）和地球静止轨道（GEO）任务中，地球非球形引力场（J2、J3等高阶项）、太阳和月球的引力、大气阻力以及太阳光压等摄动力不可忽视。我们详细分析了平均轨道根数的概念，并介绍了数值积分方法在预测长期轨道演化中的应用，特别是对高精度轨道确定（OD）的影响。 任务规划方面，本书详尽介绍了轨道设计的基本步骤，包括目标轨道选择、发射窗口计算、星座设计（如Walker星座和Sun-Synchronous轨道）的几何约束。特别地，对于涉及近距离交会与对接（Rendezvous and Proximity Operations, RPO）的任务，我们解析了冯·斯库拉（Clohessy-Wiltshire, CW）线性相对运动方程，并展示了如何利用Lambert求解器进行转移轨道设计，确保能量效率与时间约束的平衡。 --- 第二部分：航天器结构与热控系统（第5-8章） 航天器结构必须在发射的巨大载荷、太空的极端温差和微重力环境下保持高可靠性、轻量化和结构完整性。本部分首先讨论了结构载荷分析，包括声振动载荷、气动载荷和热载荷的评估标准，以及针对火箭整流罩分离冲击的瞬态响应分析。材料选择是关键，书中对比了钛合金、铝合金、复合材料（如CFRP）在比强度、比刚度及热膨胀系数上的优劣。 深入探讨了航天器展开机构的设计与可靠性，例如大型太阳翼和天线的展开机制、锁紧与冗余设计。 热控系统是保证电子设备和载荷正常工作的生命线。我们详细阐述了被动热控技术，包括多层隔热材料（MLI）的设计与优化、表面涂层（如热控油漆和光学太阳反射器OSR）的选择，以及热管和导热结构的应用。对于需要精确控温的载荷，本书介绍了主动热控系统（ACTS），如循环冷却系统（Pumped Fluid Loops）和可变导热管（VCHP），并结合瞬态热分析软件结果，展示了如何通过热平衡方程来设计合理的散热方案。 --- 第三部分：航天器姿态确定与控制（ADCS）（第9-12章） 姿态控制系统是决定航天器能否准确指向目标、稳定运行的核心。本书首先界定了姿态表示方法，全面对比了欧拉角、旋转矩阵、四元数和轴角的优缺点及奇异性问题，强调了四元数在动力学计算中的主导地位。 姿态确定（Attitude Determination）部分，我们深入分析了主流传感器的工作原理：太阳敏感器（Sun Sensors）、星敏感器（Star Trackers）、陀螺仪（Gyroscopes）和磁力计（Magnetometers）。重点讲解了如何利用扩展卡尔曼滤波（EKF）或无迹卡尔曼滤波（UKF）融合来自不同传感器的噪声数据，实时、高精度地估计航天器的姿态和角速度。 姿态控制（Attitude Control）侧重于执行器和控制律的设计。执行器方面，详细分析了反作用轮（Reaction Wheels）的饱和与离轨问题、磁力矩器（Magnetorquers）在LEO的去饱和应用、以及推力器（Thrusters）在精确机动中的作用。控制律方面，本书不仅涵盖了经典的PID控制，更深入探讨了最优控制理论（LQR）在抑制振动和提高响应速度上的优势，并讨论了滑模控制（SMC）在应对外部扰动时的鲁棒性。 --- 第四部分：先进推进系统理论（第13-17章） 推进系统是决定航天器机动能力和任务寿命的关键。本书将推进技术分为化学推进和电推进两大类进行详尽论述。 化学推进系统部分，我们从火箭发动机热力学基础开始，分析了化学反应的绝热火焰温度、喷管膨胀理论，并推导了齐奥尔科夫斯基火箭方程。重点剖析了液体火箭发动机的循环类型（如分级燃烧、全流量分级燃烧、燃气发生器循环）的性能权衡，以及混合火箭发动机的推力调节潜力。此外，还讨论了高能推进剂（如LOX/LH2、LOX/CH4）的性能参数与低温存储挑战。 电推进系统是未来深空探测和商业卫星维护的趋势。本书系统介绍了离子推进器（Gridded Ion Thrusters）的工作原理、腔体设计（如栅格结构、空间电荷限制）、效率评估（比冲与推力效率）。随后，详细分析了霍尔推进器（Hall Thrusters）的等离子体特性、磁场结构设计及其在连续变推力应用中的优势。对于脉冲功率需求极高的磁等离子体动力学（MPD）推力器和可变比冲磁等离子体火箭（VASIMR）等前沿概念，也进行了原理概述与未来潜力评估。 --- 第五部分：航天器供配电系统（EPS）（第18章） 一个可靠的供电系统是航天器运行的能源基础。本书聚焦于如何将太阳能有效转化为稳定、可靠的电能。分析了太阳能电池阵（Solar Arrays）的材料选择（如砷化镓与硅电池）、阵列展开与跟踪机构的设计，以及电池板在空间环境下的老化效应。 重点讨论了电能存储技术，即二次电池（如锂离子电池和镍氢电池）的选择、充放电管理策略、热管理与健康状态监测（SoH）。最后，系统描述了配电网络的拓扑结构，包括负载隔离、故障检测与隔离（FDIR）技术，确保单点故障不导致整个任务失败。 --- 第六部分：航天器交会对接与服务技术（第19-20章） 随着太空活动的增加，在轨服务（On-Orbit Servicing, OOS）和自动交会对接成为核心技术。本部分将动力学与控制知识融会贯通。 交会对接任务规划部分，我们重申了相对运动的复杂性，并引入了非合作目标捕获的挑战，例如目标物体姿态未知或缺乏标准标记点的情况。 视觉导航与传感器融合是现代对接的关键。书中详细分析了激光雷达（LiDAR）、立体视觉相机和红外成像在测量相对距离、相对速度和相对姿态中的应用。重点介绍了如何利用特征提取（如AR Tag或几何特征）和传感器数据预处理，实现高精度状态估计。 在控制策略上，本书阐述了如何设计接近序列的闭环控制律，从远距离捕获到最终的软接触（Soft Docking）过程，强调了在整个过程中，控制系统必须具备极高的鲁棒性和对微小推力的精确控制能力，以避免对昂贵的航天资产造成损伤。 --- 本书配有大量的工程算例、仿真数据图表和真实任务案例分析（如哈勃维修任务、国际空间站对接、深空探测器变轨案例），旨在培养读者运用现代数学工具解决复杂航天工程问题的能力。通过对本书的学习，读者将能够全面理解现代航天器从设计概念到实际运行所涉及的全部关键技术领域。
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