Interplanetary Mission Analysis And Design pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Kemble, Stephen

出品人:

页数:484

译者:

出版时间:

价格:$ 303.97

装帧:HRD

isbn号码:9783540299134

丛书系列:

图书标签:

专业书籍
航天工程
行星探测
任务分析
轨道力学
航天器设计
姿态控制
热控设计
通信系统
推进系统
优化设计

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具体描述

The book describes current mission analysis and design techniques that may be applied to a very wide range of interplanetary missions from those targeting the inner planets to those destined for the outer planets and Solar System escape trajectories. The early chapters comprise an introduction and a description of the fundamentals of interplanetary missions, aspects of leaving Earth and planet orbit selection and insertion. A discussion of various propulsion systems for interplanetary transfer is followed by a detailed overview of transfer techniques, including the principles of gravity assist and a range of applications of this technique, low-thrust transfers in combination with gravity assist and for planetary escape and capture and the utilisation of multi-body gravity perturbations. The final chapter deals with various optimisation methods for interplanetary missions. The dynamics of the problems are analysed and algorithms that may be used to solve the problems are presented. Practical difficulties that may be encountered are also discussed. The mission design options are considered in the context of spacecraft types, ranging from high thrust, nuclear thermal rockets to low thrust ion propulsion systems. A series of specific examples are described in detail in the appendices, covering a end-to-enda (TM) mission design for some topical space mission scenarios. Finally, a CD is included providing helpful examples of interplanetary transfers in an STK compatible format and an animated trajectory visualisation tool.

星际航行：理论、技术与实践深入探索人类探索宇宙的宏伟篇章本书聚焦于构成星际航行这一宏大事业的基石——从基础物理原理到前沿工程技术的全面梳理与深入剖析。我们旨在为读者提供一个全面、严谨且富有洞察力的视角，以理解并规划未来深空任务的可行性与复杂性。第一部分：宇宙动力学与轨道力学基础本部分奠定了理解星际航行所必需的数学与物理基础。 1. 轨道力学核心原理我们将详细阐述开普勒定律在多体系统中的应用与修正，特别是当飞船脱离主星引力影响范围后，如何精确预测其轨道路径。内容涵盖欧拉-拉格朗日点（Lagrange Points）的稳定性分析，以及如何利用这些引力“鞍点”进行高效的燃料节约型轨道机动（如引力弹弓效应的精确计算）。我们不仅停留在理论层面，还将探讨高精度数值积分方法（如龙格-库塔法）在实时轨道保持与导航中的实际应用。 2. 推进系统基础与效率评估推进效率是决定星际任务时长的关键因素。本书对现有及新兴推进技术进行了详尽的比较与分析。化学推进：对高能级推进剂（如液氢/液氧、肼类）的性能参数（比冲 $I_{sp}$、推重比）进行量化分析，并探讨如何优化火箭发动机的喷管设计以适应真空或稀薄大气环境。电推进系统（离子与霍尔推进器）：深入解析等离子体物理学在电推进中的应用，重点讨论如何平衡高比冲与低推力之间的关系，以及长时间运行中对栅极和阳极的材料耐久性要求。概念性推进技术：对核热推进（NTP）、核脉冲推进（Orion Project的现代迭代）以及潜在的聚变推进系统的可行性进行严谨的评估，侧重于其能量密度、安全性和技术成熟度（TRL）等级。 3. 导航、制导与控制（GNC）的挑战在缺乏地面基站的深空环境中，自主导航成为必然。本章详述了深空导航的关键技术：深空测距与定位：探讨使用射电干涉测量（VLBI）和光通信链路进行高精度三角定位的方法。自主姿态确定与控制：引入惯性测量单元（IMU）与星敏感器的融合算法，以及如何设计鲁棒的反馈控制系统来应对太阳风、微小陨石撞击等外部扰动。第二部分：任务设计与系统工程本部分将理论知识转化为可执行的任务蓝图，强调系统工程的严谨性。 4. 任务剖面与轨迹优化星际任务的“轨迹”远比地月往返复杂。我们聚焦于如何利用“增量推进”与“零推进”策略来构建最优路径。最小燃料轨迹（Primer Vector Theory）：介绍庞特里亚金极小原理在计算最优推力矢量上的应用，及其在行星际转移轨道选择中的指导意义。时间-燃料权衡分析：针对不同的科学目标（如快速飞掠与长期环绕），建立多目标优化模型，帮助任务规划者在任务时长和有效载荷质量之间做出决策。星际巡航阶段的挑战：详细分析深空中的辐射环境、微流星体撞击防护（Whipple Shielding的改进设计）以及长期运行的系统冗余设计。 5. 有效载荷、通信与电源管理星际任务的成功严重依赖于系统的自持能力和数据回传效率。深空通信链路：探讨高增益天线的设计限制、信号衰减（Free-Space Path Loss）的计算，以及如何通过编码理论（如Turbo码、LDPC码）最大限度地提高信噪比（SNR）和数据吞吐量。特别关注激光通信（Optical Communication）相比射频通信的优势与瓶颈。电源系统选择：针对远离太阳的区域（如柯伊伯带），对比了先进的放射性同位素热电机（RTG）和新型长寿命放射性同位素加热单元（RHU）的技术成熟度和热能转化效率。科学有效载荷集成：讨论了如何将对轻量化、低功耗要求极高的科学仪器（如磁力计、等离子体分析仪）与飞船的主体结构和热控系统进行无缝集成。第三部分：进入深空：行星际与恒星际前沿本部分将目光投向最遥远的探索目标，探讨超越太阳系任务的独特工程需求。 6. 行星际环境建模与防护星际介质与太阳活动对远距离航天器的影响是传统行星任务中不常考虑的因素。太阳风与宇宙射线：建立高能粒子在不同深度航天器结构中沉积的蒙特卡洛模拟模型，指导辐射屏蔽材料的选择（如氢化材料、复合材料）。行星际磁场相互作用：分析飞船穿越太阳系边界（日球层顶）时，如何应对磁场梯度变化对敏感电子设备的影响。 7. 恒星际航行概念性展望本章展望了超越太阳系束缚的理论框架，虽然这些技术目前仍处于理论或早期实验室验证阶段，但它们代表了人类探索的最终目标。光帆与激光推进（Breakthrough Starshot 概念的工程细化）：探讨如何设计超轻、高反射率的帆材料，以及地面激光器阵列的能量聚焦与光束指向精度要求。分析了相对论效应在光帆加速过程中的影响。星际探测器的自主决策：考虑到信号延迟可能长达数年甚至数十年，探讨构建高度自治、具备学习和故障恢复能力的机载人工智能系统（Onboard Autonomy）。本书的写作风格力求严谨、务实，侧重于工程计算、系统权衡以及对现有技术局限性的坦诚分析。它不是一本科幻小说集，而是一部严肃的、面向工程实践者和空间科学研究人员的工具书。读者将通过本书获得构建未来星际航行器的完整知识框架。