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第1章 绪论 1

1.1航天器设计的研究范畴和基本内涵 1

1.2航天器系统工程和总体设计方法 3

1.2.1航天器工程 3

1.2.2航天器系统工程 5

1.2.3航天器任务分析和总体设计方法 11

1.3航天器动力学（工程）的分析研究方法 15

1.3.1现代航天器动力学的主要特征 15

1.3.2航天器动力学（工程）的基本概念、研究范畴和研究内容 16

1.3.3航天器动力学（工程）的研究方法 19

1.4我国通信卫星工程的研究进展和重要意义 24

1.4.1通信卫星工程发展应用概况 24

1.4.2通信卫星关键技术研究进展 26

1.4.3发展通信卫星工程重要意义 32

第2章 航天器轨道动力学 35

2.1引言 35

2.2航天器二体问题 36

2.2.1二体问题解析解和轨道根数 36

2.2.2二体问题的应用 38

2.3航天器轨道摄动 40

2.3.1轨道摄动方程 40

2.3.2地球非球形摄动 43

2.3.3其他摄动 44

2.4轨道转移 46

2.4.1共面圆轨道最优转移 46

2.4.2共面椭圆轨道双脉冲最优转移 48

2.4.3异面轨道转移 48

2.5 GEO航天器轨道设计 49

2.5.1 GEO转移轨道变轨策略 49

2.5.2东西和南北位置摄动与保持 50

2.6高轨星座对地覆盖设计分析 51

2.6.1高轨星座任务类型和设计要求 51

2.6.2区域和全球单重覆盖星座设计 52

2.6.3区域和全球双重覆盖星座分析 53

2.6.4预警星座导弹红外目标弹道估计与误差分析 55

第3章 航天器空间环境 62

3.1引言 62

3.1.1空间环境基本要素及影响 62

3.1.2航天器空间环境工程设计的目标和内容 63

3.2地球空间环境 64

3.2.1太阳活动 64

3.2.2地球大气层 66

3.2.3地球电离层 67

3.2.4地球磁场与磁层 68

3.2.5空间带电粒子辐射 69

3.3航天器空间环境效应 73

3.3.1空间辐射环境效应类型 73

3.3.2空间环境效应分析 75

3.4航天器空间环境效应防护设计 80

3.4.1电离总剂量效应防护设计 80

3.4.2单粒子效应防护设计 82

3.4.3表面充放电效应防护设计 83

3.4.4航天器内带电效应防护设计 85

3.5空间环境和效应在轨监测 86

3.5.1航天器在轨异常/故障与空间环境的相关性 86

3.5.2航天器内外环境及其环境效应监测 87

3.5.3典型的环境与效应监测仪器 88

第4章 航天器总体设计 91

4.1引言 91

4.2航天器总体设计任务分析 93

4.2.1用户任务要求和卫星系统主要技术指标分析 93

4.2.2航天器轨道选择和分析 96

4.2.3有效载荷技术指标分析 97

4.2.4卫星平台功能需求和主要技术指标分析 97

4.2.5卫星与大系统接口要求分析 99

4.3航天器总体方案设计 100

4.3.1有效载荷方案设计 100

4.3.2卫星平台主要分系统方案设计 101

4.3.3卫星总体参数预算 103

4.3.4卫星平台构型和承力结构方案设计 111

4.3.5卫星设备布局方案设计 115

4.3.6卫星轨道设计分析 118

4.3.7卫星接口设计 123

4.3.8总体方案系统性能分析 124

4.4航天器总体详细设计 128

4.4.1卫星主要分系统详细设计 128

4.4.2卫星总装设计 131

4.4.3卫星总体电路设计 133

4.4.4卫星环境试验设计 138

4.4.5卫星综合测试设计 144

4.4.6卫星飞行程序设计 147

4.5航天器研制技术流程 148

第5章 航天器有效载荷设计 152

5.1引言 152

5.1.1 GEO航天器有效载荷分类和特点 152

5.1.2 GEO航天器有效载荷设计任务和要求 152

5.1.3 GEO航天器有效载荷技术发展 153

5.2通信卫星有效载荷设计 155

5.2.1通信卫星有效载荷指标分析 156

5.2.2通信卫星天线设计 158

5.2.3通信卫星转发器设计 161

5.2.4移动通信卫星新型有效载荷设计 167

5.2.5宽带通信卫星新型有效载荷设计 172

5.2.6激光通信卫星新型有效载荷设计 176

5.3跟踪中继卫星有效载荷设计 178

5.3.1跟踪中继卫星功能任务及其系统和有效载荷组成 178

5.3.2跟踪中继卫星有效载荷主要技术指标分析 179

5.3.3跟踪中继卫星有效载荷设计 181

5.4遥感卫星有效载荷设计 183

5.4.1遥感卫星功能任务及其分类 183

5.4.2遥感卫星有效载荷主要技术指标分析 184

5.4.3遥感卫星有效载荷设计 185

第6章 航天器主要分系统设计 188

6.1引言 188

6.2航天器结构分系统设计 189

6.2.1结构分系统设计任务和要求 189

6.2.2主承力结构设计 189

6.2.3结构板及结构连接设计 190

6.2.4太阳翼机械设计 192

6.2.5结构分析及试验 194

6.3航天器热控分系统设计 195

6.3.1热控分系统设计任务和要求 195

6.3.2航天器热控技术 195

6.3.3航天器热控设计 198

6.3.4航天器热分析 200

6.3.5航天器热平衡试验 201

6.4航天器姿态与轨道控制分系统设计 203

6.4.1控制分系统设计任务和要求 203

6.4.2姿态测量系统方案设计 203

6.4.3姿控执行机构方案设计 205

6.4.4控制系统控制器设计 207

6.4.5控制系统试验验证 208

6.5航天器推进分系统设计 208

6.5.1推进分系统设计任务和要求 208

6.5.2典型推进系统 209

6.5.3推进系统方案设计 211

6.6航天器供配电分系统设计 214

6.6.1供配电分系统设计任务和要求 214

6.6.2航天器供配电技术 214

6.6.3供配电体制及电源调节方案设计 216

6.6.4太阳电池阵及蓄电池设计 217

6.6.5总体电路设计 218

6.7航天器测控分系统设计 219

6.7.1测控分系统设计任务和要求 219

6.7.2航天器测控体制和测控技术 220

6.7.3测控任务分析及测控方案设计 221

6.7.4测控链路预算及测距精度分析 222

6.8航天器数据管理分系统设计 223

6.8.1数管分系统设计任务和要求 223

6.8.2数管分系统体系结构设计和工作模式 224

6.8.3星载计算机选用和数管软件设计 225

6.8.4数管分系统的总线设计和自主管理 226

6.9航天器综合电子系统设计 227

6.9.1综合电子系统设计任务和要求 227

6.9.2综合电子系统方案设计 228

第7章 航天器总体设计优化方法 232

7.1引言 232

7.1.1航天器总体设计优化研究的目的意义 232

7.1.2航天器总体设计优化研究的主要内容 233

7.1.3航天器总体设计优化技术研究进展 234

7.2航天器总体构型设计优化方法 235

7.2.1航天器总体构型设计优化研究的进展和需求 235

7.2.2结构构型拓扑优化方法 237

7.2.3卫星桁架式结构平台总体构型设计优化算例 240

7.3航天器设备布局设计优化方法 242

7.3.1航天器设备布局设计优化研究的进展和需求 242

7.3.2构型布局设计优化子空间建模方法 243

7.3.3航天器典型布局子空间几何模板库和优化模型库建设 245

7.3.4布局优化分布式Agent算法研究及其优化算法库开发 246

7.3.5航天器构型布局设计优化软件系统设计开发 247

7.3.6 COPOSS软件系统工程算例应用仿真和初步验证 248

7.4航天器结构参数设计优化方法 252

7.4.1结构参数设计优化的一般方法 252

7.4.2结构参数二级多点逼近优化的理论与算法 253

7.4.3结构参数设计优化的敏度分析 255

7.4.4多结构工况综合设计优化 257

7.4.5航天器结构参数优化软件程序实现和算例验证 258

7.4.6 SPOSS软件系统的典型算例验证 260

7.5航天器总体参数多学科设计优化理论方法 265

7.5.1 MDO的定义内涵、研究范畴、实施方法及应用研究 265

7.5.2 MDO理论方法一般描述 266

7.5.3 MDO计算环境及框架及其典型软件 273

7.5.4航天器总体参数多学科优化算例 274

第8章 航天器结构动力学与力学环境 286

8.1引言 286

8.2航天器结构动力学 287

8.2.1结构动力学分析的目的和任务 287

8.2.2多自由度线性系统自由振动 287

8.2.3多自由度线性系统振动响应的模态展开 290

8.2.4多自由度系统模态有效质量 292

8.2.5子结构模态综合方法 294

8.3航天器结构动力模型修正 300

8.3.1结构动力模型修正的目的、任务和方法 300

8.3.2结构动力模型的灵敏度分析 301

8.3.3结构动力模型的自由度缩聚 302

8.3.4结构动力模型的修正算法 304

8.3.5模型修正方法的有效性检验 308

8.4航天器力学环境预示 309

8.4.1力学环境预示的目的和任务 309

8.4.2力学环境预示的主要方法 310

8.4.3力学环境预示的理论模型 311

8.4.4力学环境预示的工程应用 314

8.5航天器结构力学环境试验 316

8.5.1结构力学环境试验目的和任务 316

8.5.2振动力学环境试验 317

8.5.3噪声力学环境试验 320

8.5.4冲击力学环境试验 321

第9章 航天器柔性耦合动力学 325

9.1引言 325

9.1.1柔性航天器动力学问题的基本概念 325

9.1.2柔性航天器动力学研究的目的任务和主要内容 327

9.1.3我国柔性航天器动力学研究进展和工程应用 328

9.2带柔性附件类航天器动力学建模 329

9.2.1中心刚体加（单级）柔性附件类航天器动力学建模 329

9.2.2中心刚体加（两级）复合柔性附件类航天器动力学建模 332

9.2.3典型工程算例分析仿真 337

9.3带大型可展开天线变构型航天器动力学建模 340

9.3.1天线展开过程系统运动工况、模化方法和质点位置矢量描述 340

9.3.2系统质点速度表达式以及系统动能、势能 341

9.3.3天线展开过程变构型航天器柔性耦合动力学模型 342

9.3.4典型工程算例分析仿真 344

9.4柔性航天器动力学模型降阶方法 348

9.4.1惯性完备性准则降阶方法 348

9.4.2模态价值分析降阶方法 349

9.4.3系统内平衡降阶方法 349

9.4.4子系统内平衡降阶方法 351

9.4.5平衡降阶模型到原模态空间的反映射变换方法 355

9.5柔性航天器动力学分析软件开发和工程算例仿真 360

9.5.1新版DASFA分析软件设计开发 360

9.5.2新版DASFA分析软件各类模块开发和系统集成测试 360

9.5.3 GEO新型航天器柔性动力学分析的工程算例应用仿真 362

第10章 航天器液体晃动动力学 368

10.1引言 368

10.1.1 GEO充液航天器主要特点 368

10.1.2航天器液体晃动问题分类 368

10.1.3航天器液体晃动分析方法 369

10.1.4我国航天器液体晃动问题研究进展 370

10.2航天器充液储箱中流动运动描述 371

10.2.1充液储箱中液体的运动特性和基本假设 371

10.2.2充液储箱中流体运动学方程 372

10.2.3充液储箱中流体动力学方程 373

10.2.4充液储箱中流体运动边界条件 376

10.3充液航天器无旋液体晃动动力学方程 377

10.3.1储箱部分充液航天器运动方程 377

10.3.2储箱全充无旋流体的航天器运动方程 378

10.4充液航天器储箱级液体晃动建模分析 380

10.4.1小幅晃动等效力学模型建模 380

10.4.2大幅晃动质心面等效力学模型分析 384

10.4.3液体晃动流体动力学仿真技术 386

10.4.4储箱级液体晃动仿真算例 388

10.5三轴稳定航天器全星级液体晃动建模分析 389

10.5.1充液航天器单摆等效法液体晃动动力学方程 389

10.5.2充液航天器质心面等效法液体晃动动力学方程 391

10.6充液航天器储箱级液体晃动实验验证 395

10.6.1晃动实验相似理论和充液系统等效模型 395

10.6.2充液系统晃动参数辨识模型和计算方法 397

10.6.3充液储箱液体晃动实验系统 400

第11章 航天器多体动力学 403

11.1引言 403

11.1.1航天器多体动力学研究的目的任务和重要意义 403

11.1.2航天器多体动力学研究范畴和主要内容 403

11.1.3航天器多体动力学研究进展和工程应用 404

11.2多体机构系统动力学建模的模化方法 405

11.2.1物理模型的基本定义 405

11.2.2多体系统拓扑结构 406

11.2.3多体系统铰链约束处理方法 407

11.2.4多体系统中驱动机构各类等效力学模型和柔性体变形的模化方法 413

11.3航天器多刚体系统动力学方程 416

11.3.1多刚体系统运动学方程 416

11.3.2多刚体系统单体动力学方程 417

11.3.3树状多刚体系统 418

11.3.4闭环多刚体系统动力学方程 419

11.4航天器柔性多体系统动力学方程 420

11.4.1柔性多体系统运动学方程 420

11.4.2柔性多体系统动力学方程 422

11.4.3多体系统动力学方程数值积分方法 423

11.5航天器多体机构动力学分析仿真软件系统设计开发 426

11.5.1多体机构动力学分析仿真的任务需求 426

11.5.2新版NE-DASMUS软件框架结构和程序流程设计 426

11.5.3新版NE-DASMUS软件功能模块和接口程序开发及模块级测试 427

11.5.4新版NE-DASMUS软件系统集成测试和考核验证 427

11.6航天器多体机构动力学典型工程算例分析仿真 428

11.6.1星载大型太阳阵多体展开动力学分析与仿真 428

11.6.2星载大型桁架式天线多体机构展开动力学与控制分析和仿真 430

第12章 航天器热致微振动动力学 442

12.1引言 442

12.1.1航天器热致微振动研究的工程背景和目的意义 442

12.1.2星载柔性附件热致微振动基本概念和作用机理 443

12.1.3航天器热致微振动动力学研究任务和主要内容 443

12.2星载柔性附件在轨外热流分析和温度场计算 444

12.2.1空间外热流作用分析 444

12.2.2星载柔性附件在轨温度场有限元建模求解 447

12.2.3商用软件分析系统 448

12.3星载柔性附件在轨温度场单元热荷载建模 450

12.3.1热弹性单元热荷载表达式 450

12.3.2典型结构单元热荷载矩阵 451

12.4部件级星载柔性附件热致微振动建模 454

12.4.1柔性附件热致运动方程理论模型 455

12.4.2柔性附件热致静/动态变形判定条件及常用软件分析环境 455

12.5全星级航天器热致微振动耦合动力学建模 456

12.5.1计及热荷载作用的航天器动能和势能建模 457

12.5.2柔性航天器热致微振动耦合动力学综合建模 458

12.5.3航天器热致微振动耦合动力学分析仿真软件设计开发 459

12.6航天器热致微振动响应分析算例 461

12.6.1实施步骤 461

12.6.2柔性附件热致静态变形的工程算例 461

12.6.3柔性附件热致动态变形及星体颤振响应分析算例 463

12.6.4柔性航天器热致静/动态变形仿真总结 465

第13章 航天器动力学与控制总体仿真 468

13.1引言 468

13.1.1 GEO航天器控制系统设计的技术要求 468

13.1.2航天器动力学与控制仿真的目的意义 468

13.1.3航天器动力学与控制仿真研究的内容和进展 469

13.2航天器非线性控制系统设计理论与方法 470

13.2.1非线性控制系统设计的一般方法 470

13.2.2非线性控制系统描述函数设计方法 470

13.2.3非线性控制系统线性化设计方法 475

13.2.4变结构控制系统分析设计方法 479

13.3三轴稳定航天器姿态动力学仿真模型 481

13.3.1控制对象动力学仿真模型 481

13.3.2控制系统姿态敏感器仿真模型 485

13.3.3控制系统执行机构仿真模型 487

13.3.4环境扰动力矩仿真模型 489

13.4三轴稳定航天器控制设计 490

13.4.1三轴喷气控制设计 490

13.4.2偏置动量控制设计 492

13.4.3零动量控制设计 494

13.5全轨道三轴稳定GEO航天器稳定性分析和动力学仿真 495

13.5.1航天器飞行程序、工作模式、输人参数和仿真要求 495

13.5.2全三轴稳定GEO航天器频域稳定性分析 496

13.5.3全三轴稳定GEO航天器时域动力学仿真 499

13.6跟踪中继卫星（TDRS）复合控制方案设计与控制仿真 503

13.6.1 TDRS卫星两级复合控制的技术特点 503

13.6.2 TDRS卫星复合控制系统方案初步设计 503

13.6.3 TDRS卫星单址天线指令控制系统设计 506

13.6.4 TDRS卫星非线性控制稳定性分析与复合控制仿真 508

第14章 航天器总体方案设计分析优化范例 512

14.1引言 512

14.2卫星总体方案初步设计 512

14.2.1卫星任务分析和主要技术指标 512

14.2.2有效载荷方案设计 514

14.2.3卫星平台组成及其部分适应性改造 517

14.2.4卫星构型布局方案设计 519

14.2.5卫星总体和分系统主要技术指标 520

14.3卫星设备布局设计优化 524

14.3.1布局优化子空间建模 524

14.3.2设备布局优化方案 524

14.3.3设备布局优化方案分析 525

14.4卫星结构参数设计优化 526

14.5卫星主要力学参数分析 530

14.6卫星转移轨道和飞行程序分析设计 535

14.7卫星大系统接口设计 538

14.8卫星主要技术指标符合情况 538

14.9卫星研制技术流程 540

第15章 航天器可靠性设计和故障对策 542

15.1引言 542

15.2可靠性理论模型 543

15.2.1常用可靠性参数的数学描述方法 543

15.2.2常用的典型可靠性模型 546

15.3可靠性设计分析的一般方法 546

15.3.1可靠性预计 546

15.3.2可靠性分配 546

15.3.3冗余设计 548

15.3.4故障模式及影响分析（FMEA） 549

15.3.5故障树分析（FTA） 551

15.3.6概率风险评估（PRA） 552

15.3.7关键特性参数识别与控制 553

15.4航天产品可靠性设计 554

15.4.1电子产品可靠性设计 554

15.4.2机械产品可靠性设计 558

15.4.3软件产品可靠性设计 560

15.5可靠性设计验证与评估 561

15.5.1产品环境应力筛选 561

15.5.2产品可靠性验证试验 563

15.5.3可靠性评估 565

15.6航天器在轨故障识别与对策 567

15.6.1在轨故障的分类 567

15.6.2在轨故障的识别 568

15.6.3在轨故障的处理对策 569

15.6.4故障检测、隔离和恢复技术（FDIR） 569

15.7东四卫星平台的可靠性设计 570

缩略词表 574