Elements of Spacecraft Design pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Amer Inst of Aeronautics &

作者:Brown, Charles D.

出品人:

页数:750

译者:

出版时间:2002-9

价格:$ 124.24

装帧:HRD

isbn号码:9781563475245

丛书系列:

图书标签:

航天器设计
空间系统工程
航空航天工程
卫星设计
飞行器工程
结构力学
推进系统
热控制
任务分析
可靠性工程

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具体描述

This text is drawn from the author's years of experience in spacecraft design culminating in his leadership of the Magellan Venus orbiter spacecraft design from concept through launch. The work also benefits from his years of teaching spacecraft design at Colorado University and for AIAA as a home study short course. The work presents a broad view of the complete spacecraft. The objective is to explain the thought and analysis that goes into the creation of a spacecraft with simplicity and with enough worked examples so that the reader can be self-taught if necessary.

太空任务设计与实现：从概念到轨道的全面指南本书深入探讨了现代航天器系统工程的复杂性与精妙之处，旨在为读者提供一套系统化、实践性的知识框架，用以指导复杂的空间任务从初始概念定义到最终轨道部署的全过程。我们超越了单一学科的局限，将航天器设计视为一个高度耦合、多约束优化的集成系统工程挑战。第一部分：任务定义与需求分析——航天器诞生的基石任何成功的航天器都源于对特定任务目标的清晰、量化和可验证的需求定义。本部分着重于如何将模糊的科学目标或商业需求转化为精确、可执行的工程规格。 1. 任务概念的生成与评估：我们首先分析了任务的本质——是地球观测、深空探测、卫星通信还是在轨服务？通过对任务时间线、预算限制和技术成熟度（Technology Readiness Levels, TRLs）的初步评估，确定任务的可行性窗口。关键在于识别核心约束，例如功率预算、数据下行速率和寿命要求。 2. 系统需求分解与追溯：详细阐述了如何从顶层任务需求（System Requirements Document, SRD）逐层分解至子系统需求（Subsystem Requirements）。这包括对操作环境（真空度、辐射剂量、热循环）、性能指标（指向精度、姿态控制精度、轨道保持能力）的量化要求。重点讨论了需求冲突的识别与解决机制，确保设计迭代过程的有效性。 3. 任务操作场景与环境建模：深入剖析了航天器在任务周期内所面临的独特环境。这不仅包括地球低轨道（LEO）、地球静止轨道（GEO）或地火转移轨道的辐射环境模型，还包括微流星体和轨道碎片（MMOD）的碰撞风险评估。我们提供了用于模拟轨道迁移、日照和地球热辐射的数学模型，为后续的热控和结构设计提供输入。第二部分：系统架构与子系统设计——构建太空中的精密机器在明确了需求之后，本书聚焦于将这些要求转化为具体的工程实现。航天器被视为由相互依赖的六大核心子系统构成的有机整体。 1. 结构与热控系统（Structure and Thermal Control）：结构系统是航天器的骨架，必须在发射时的极端加速度和振动载荷下保持完整性，同时在太空中承受热应力和辐射损伤。本章详细介绍了材料选择（如碳纤维复合材料、铝合金）的权衡，以及关键的连接技术（如胶接、铆接）。热控部分则处理空间极端温差带来的挑战。我们将讨论被动热控（多层隔热材料MLI、热管、散热器设计）和主动热控（加热器、泵送流体回路）的设计原理，并展示如何利用热网络分析来预测关键部件的温度分布，确保电子设备在规定温度范围内运行。 2. 姿态与轨道控制系统（Attitude and Orbit Control System, AOCS）： AOCS是航天器的“神经系统”。我们详细阐述了姿态确定（确定当前朝向）和姿态控制（改变朝向或维持稳定）的技术。这包括传感器（如太阳敏感器、星敏感器、陀螺仪、磁强计）的选择和融合算法（如扩展卡尔曼滤波EKF）。推力器（化学推进剂、霍尔效应推进器、离子推进器）的选型与推进剂管理策略（如轨道机动规划、轨道维持）是本节的重点。 3. 动力与配电系统（Electrical Power System, EPS）： EPS是航天器的生命线。本章分析了太阳能电池阵的发电能力预测、电池的充放电循环寿命管理，以及电源调节和分配单元（PDU）的设计。特别关注了不同轨道（如高辐射区域）下的抗辐射加固设计。 4. 遥测、跟踪与指令系统（Telemetry, Tracking, and Command, TT&C）：通信系统确保航天器与地面站的可靠链路。我们探讨了不同频段（UHF, S, X, Ka波段）的应用场景，天线增益和覆盖范围的计算，以及数据编码、调制和接入技术。着重介绍了在深空任务中，如何通过深空网络（DSN）进行远距离的精密跟踪和高可靠性指令传输。 5. 载荷与数据管理系统（Payload and Data Handling）：载荷是任务的核心价值所在。本节讨论了如何根据载荷接口要求（供电、数据速率、散热）来设计电源和数据总线接口。数据管理系统（DHS）负责任务规划、数据存储、预处理和下行传输。我们将分析数据冗余、纠错编码（ECC）和任务调度算法。第三部分：集成、测试与任务运营——验证飞行的可靠性设计阶段的成功必须通过严格的验证和确认（Verification and Validation, V&V）来证实。 1. 软件与硬件集成：航天器是一个集成系统，软件和硬件的接口验证至关重要。我们介绍系统集成流程，包括电磁兼容性（EMC/EMI）测试，确保不同电子单元之间不会相互干扰。 2. 环境测试的实施与分析：详细介绍了航天器级环境测试，包括：振动与声学测试：模拟发射过程中的机械应力。热真空（TVAC）测试：在真空和极高/极低温度下运行数个热循环，验证热控系统的有效性。功能与性能测试：在模拟的在轨环境下，对AOCS、通信链路和载荷进行端到端的功能验证。 3. 任务运营与故障管理：任务发射后的持续健康监控与异常处理是长期任务成功的关键。本章涵盖了地面测控站的调度、遥测数据的实时解译、轨道摄动因素的再建模，以及应对突发性故障（如传感器失效、推进剂泄漏）的应急预案与重构方案。结论：本书提供了一套应对复杂航天器设计挑战的通用方法论，强调在初始阶段进行充分的权衡分析（Trade-off Studies），并贯穿始终的系统性风险管理。通过对这些关键领域的深入剖析，读者将能够掌握构建下一代空间任务所需的工程技能和批判性思维。