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出版者:国防工业出版社

作者:马大为

出品人:

页数:259 页

译者:

出版时间:2008年

价格:35.0

装帧:平装

isbn号码:9787871180628

丛书系列:

图书标签:

• 火箭技术
• 发射系统
• 航天工程
• 运载火箭
• 系统设计
• 推进系统
• 飞行控制
• 结构力学
• 热分析
• 可靠性设计

图书简介：星际航行与先进推进技术 本书聚焦于人类探索深空奥秘的基石——先进的航天推进系统和轨道力学，深入剖析了实现高效、可持续星际航行的前沿理论与工程实践。 本书旨在为航天工程师、空间科学研究人员以及对未来星际探索抱有热忱的读者，提供一个全面且深入的知识框架，用以理解和设计超越传统化学燃料限制的下一代空间推进技术。我们摒弃对现有地面发射基础设施的过度依赖，转而将目光投向更广阔的宇宙疆域，探讨如何以更少的能源、更快的速度抵达遥远的太阳系乃至系外行星。 --- 第一部分：超越化学能——先进推进原理的理论基础 本部分奠定了理解未来航天动力的理论基础，它不再满足于牛顿力学的经典应用，而是深入到量子力学和等离子体物理的前沿领域。 第一章：高比冲的悖论与追求 本章首先回顾了传统化学火箭的性能极限，明确了高比冲（Specific Impulse, $I_{sp}$）在深空任务中的决定性作用。我们将详细阐述理想火箭方程（Tsiolkovsky Rocket Equation）在面对长程任务时的局限性，并引入基于动量交换效率的新评估体系。 1.1 能量密度与动量输运效率： 探讨不同能源载体（如核燃料、太阳能、反物质）的能量密度差异，以及如何将这些高能转化为有效的推力矢量。 1.2 什么是“零质量推进”的误区： 辨析内力推进和外力推进的根本区别，明确推进系统必须遵循的动量守恒定律，并批判性地分析一些非主流的“空想式”驱动概念。 第二章：电动力学推进的精妙结构 电推进系统因其极高的比冲，被认为是实现行星际航行的核心技术。本章深入剖析了目前研究和应用中的三大主流电推技术：霍尔推进器、离子推进器和电热推进器。 2.1 霍尔效应与等离子体加速： 详细解析等离子体在磁场中的运动学行为，重点讨论磁场结构对等离子体密度、离子束稳定性和推力产生效率的影响。分析不同磁力线拓扑（如鞍形场、径向场）在实际工程中的优劣。 2.2 栅格离子推进器（Gridded Ion Thrusters）： 深入探讨栅格系统的设计对离子束发散角和空间电荷限制的制约。计算离子提取电压、离子密度与有效推力之间的非线性关系。 2.3 脉冲等离子体推进（PPT）与电磁推进： 考察利用高频电磁脉冲驱动导电流体的机制，其在微小卫星姿态控制和轨道维持中的独特应用场景。 --- 第二部分：核能驱动的星际黎明 核能是目前已知的人类可控能源中能量密度最高的选择。本部分专注于将核反应的巨大能量转化为高效的航天推力。 第三章：核热火箭（NTR）的复兴与挑战 核热火箭通过将工质（通常是液氢）加热到极高温度后喷射，实现比化学火箭高出一倍的比冲。 3.1 反应堆堆芯材料科学： 重点分析耐高温、高燃耗的核燃料元件材料（如碳化铀、氮化铀等）的辐照损伤、蠕变特性和热循环稳定性。 3.2 热交换与流体力学： 模拟液氢在通过反应堆芯时的传热效率和压力损失，优化堆芯结构以最大化热能转移，同时确保结构完整性。 第四章：核聚变推进的工程蓝图 聚变推进被视为实现快速载人火星任务乃至木星卫星探索的关键。本章探讨了磁约束聚变（如托卡马克、仿星器概念的简化应用）在航天推进场景下的特殊要求。 4.1 聚变反应的选择与约束： 比较D-T、D-³He等聚变燃料的能量增益因子（Q值）和中子辐照强度，分析其对航天器屏蔽重量的影响。 4.2 磁喷嘴技术（Magnetic Nozzle）： 阐述如何利用强大的、非对称的磁场结构来捕获和导向高能等离子体反应产物，将其转化为定向推力，避免使用会熔毁的实体喷管。 --- 第三部分：利用环境——航天动力学的革新 本部分讨论如何利用宇宙中天然存在的能量和物质作为推进的“燃料”或“工质”，从而极大地减轻航天器自身的质量负担。 第五章：光帆与太阳帆的几何学与控制 光帆（Solar Sails）利用太阳光子的辐射压力提供持续且无限的推力。本书将重点放在如何工程化光帆的设计与控制。 5.1 辐射压力计算与材料特性： 深入分析非完美反射表面（如薄膜材料）对光子反弹角动量传递的影响，以及高反射率薄膜（如Kapton镀铝膜）的热稳定性和抗微陨石能力。 5.2 轨道机动与翼面偏转： 介绍利用帆面迎角调整（Attitude Control）来实现非霍曼转移轨道（Non-Hohmann Trajectories）的设计方法，包括向内螺旋下降和向外加速升轨的精确算法。 第六章：行星际磁帆与星际航行 磁帆（Magsails）是利用航天器自身产生的巨大磁场与行星际等离子体（太阳风）相互作用来减速或加速的概念。 6.1 等离子体耦合机制： 分析带电粒子流（太阳风）与磁场线相互作用的MHD（磁流体动力学）模型，确定有效作用区域的边界。 6.2 磁帆的规模化与超导技术： 讨论实现数十公里级有效磁场所需的超导线圈技术（高温超导材料的进展）和极低功耗的励磁要求，这是实现星际减速的关键瓶颈。 --- 第四部分：未来疆域——深空任务与轨道适应性 本书的最后一部分将理论与工程实践相结合，探讨这些先进推进系统如何重塑深空任务的规划。 第七章：轨道力学在非常规推进中的再定义 传统轨道力学高度依赖于两体问题和开普勒运动。先进推进（如高推重比的电推或低推力的光帆）需要引入连续推力模型。 7.1 连续推力轨道优化： 应用庞特里亚金极大值原理（Pontryagin’s Maximum Principle）求解最优推力方向和推力大小的轨迹优化问题，以最小化转移时间或燃料消耗。 7.2 零重力导航与姿态控制的集成： 在长期、低推力任务中，推进、导航与控制（PNC）系统必须高度集成，本章探讨如何利用推力矢量来辅助实现高精度姿态稳定，减少辅助反应轮的负载。 第八章：星际探测的工程挑战与任务概念 本书以对未来的展望收尾，分析了实现载人或大型探测器飞越太阳系边缘乃至向邻近恒星系进发的系统级挑战。 8.1 长期任务的可靠性与自主性： 探讨高可靠性冗余设计在数十年任务周期中的必要性，以及人工智能在诊断和修复深空推进系统故障中的角色。 8.2 屏蔽与热管理： 针对核推进系统，分析如何设计轻量化的辐射屏蔽层，以及在高能离子流和反应堆热源下的主动/被动散热策略。 《星际航行与先进推进技术》 是一部面向未来的技术指南，它清晰地勾勒出人类摆脱地球引力井的束缚，真正迈向广阔宇宙的工程路径。本书内容严谨，数据详实，是航天领域专业人士的必备参考书。

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这本书的封面设计得极其简洁有力，那种深邃的太空黑配上如同星云般流动的蓝色和白色线条，一下子就抓住了我的眼球。我原本以为这会是一本艰涩的理论教材，但翻开扉页后，我发现作者在文字的组织上花了很多心思。它不像传统的工程手册那样板着脸孔，而是用一种近乎散文诗的笔调，勾勒出了人类探索宇宙的宏大愿景。初读之下，我仿佛被带入了一个充满奇思妙想的实验室，各种精密的图表和公式被巧妙地融入到对航天历史的回顾中，使得原本枯燥的技术细节变得生动起来。特别是关于早期液体燃料火箭发动机的演变那一部分，作者用了大量的篇幅来描绘科学家们在克服材料学和燃烧稳定性瓶颈时的挣扎与突破，那种对知识产权和专利文献的细致考证，远超我的预期，让人感受到这不是一本快餐式的科普读物，而是倾注了作者数十年心血的结晶。

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这本书的叙事节奏掌握得非常好，它不像某些技术书籍那样堆砌术语，而是采用了非常高明的“问题导向”叙事结构。我印象最深的是关于轨道力学那章，作者并没有一开始就抛出复杂的拉格朗日点理论，而是通过一个极具画面感的场景——想象一颗卫星如何在地球引力的束缚下寻求一个稳定的“家”——来引导读者进入主题。这种循序渐进的方式，让我在不知不觉中理解了角动量守恒和霍曼转移轨道的精妙之处。更令人惊喜的是，书中穿插了许多作者自己手绘的草图，这些图画并非完美的CAD图纸，而是带有手写注释和思考轨迹的速写，仿佛作者正坐在我身旁，耐心地为我讲解每一个参数背后的物理意义。这种人情味十足的表达，极大地降低了阅读门槛，使我这个非专业人士也能窥见航天工程中那种“精确的艺术”的魅力所在。

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这本书的排版和插图风格，给我带来了非常独特的阅读体验。它没有采用那种冰冷的、纯粹黑白印刷的风格，而是大量运用了高质量的全彩印刷，特别是对火箭内部推进剂流道和喷管膨胀过程的剖面图，色彩的过渡和细节的呈现都极为考究，仿佛是直接从高精度的模拟软件中截取出来的艺术品。更为巧妙的是，作者在每一章的末尾都设置了一个名为“工程师的困惑”的小栏目，里面提出了一些在实际工程中极其棘手、但教科书上往往一笔带过的矛盾点，比如“可靠性与冗余度的成本平衡”。这使得阅读过程不再是被动的接受信息，而更像是一场与作者在专业前沿的深度对话，让人在合上书本后，脑海中仍旧回荡着关于未来航天技术挑战的思考。

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我必须承认，这本书在某些专业深度的呈现上，达到了令人叹为观止的程度。尤其是在谈及多级火箭分离过程中的热力学耦合效应分析时，作者所引用的数学模型和仿真方法，明显是基于最新的研究成果。我特别留意了其中关于“级间段结构完整性在超高速飞行中的动态响应”那一节，它不仅仅停留在理论层面，还结合了近些年几次重大发射任务失败案例的公开数据进行反向工程分析，逻辑链条严密得令人透不过气。它不是简单地罗列公式，而是深入探讨了这些公式背后的物理限制和工程妥协。对于希望深入了解火箭结构设计与动力学载荷之间微妙平衡的工程师读者而言，这本书提供了远超预期的高价值信息，它迫使你停下来，重新审视那些你自以为已经掌握的经典理论。

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阅读这本书的过程中，我体会到了一种强烈的时间跨度感。作者对于历史资料的引用非常广泛，从冷战时期美苏太空竞赛的早期设想，到当代商业航天公司的快速迭代模式，都有着细致入微的对比分析。它探讨的不是“如何发射”，而是“为什么选择这样的方式发射”。书中有一段关于材料选择的讨论，详细对比了铝锂合金和碳纤维复合材料在不同温区下的性能衰减曲线，并追溯了这些材料最初被引入航天领域的决策过程。这种对“历史必然性”的挖掘，让我对现代航天器的每一个设计选择都有了更深一层的理解——每一个看似理所当然的部件，背后都凝结着无数次失败的教训和权衡。它不仅仅是一本技术书，更像是一部关于人类工程智慧的编年史。

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