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第1章 概论1

1.1 深空探测的意义2

1.2 深空探测发展概况4

1.2.1 国外深空探测发展概况5

1.2.2 我国深空探测发展概况6

1.2.3 深空探测的发展趋势10

1.3 未来深空探测技术发展需求12

1.4 展望15

参考文献16

第2章 深空环境特征及其影响17

2.1 引言18

2.2 地球空间环境20

2.2.1 深空探测器面临的主要地球空间环境特征20

2.2.2 地球空间环境对深空探测器的影响23

2.3 月球空间环境26

2.3.1 概述26

2.3.2 月球辐射环境及其影响27

2.3.3 月球大气及其影响31

2.3.4 月壤／月尘及其影响32

2.3.5 月面地形地貌及其影响36

2.4 火星空间环境38

2.4.1 概述38

2.4.2 火星辐射环境及影响39

2.4.3 火星大气环境影响40

2.4.4 火星尘埃环境影响41

2.4.5 火星表面地形地貌41

2.4.6 火星的卫星42

2.5 木星空间环境43

2.5.1 概述43

2.5.2 木星强磁场环境44

2.5.3 木星强辐射带环境45

2.5.4 木星等离子体环境45

2.5.5 木星大气环境45

2.5.6 木星的卫星46

2.6 金星空间环境47

2.6.1 概述47

2.6.2 金星磁场48

2.6.3 金星大气环境48

2.6.4 金星表面地形49

2.7 其他行星际空间环境51

2.7.1 行星际环境51

2.7.2 小行星环境51

2.7.3 彗星环境52

2.8 展望54

参考文献55

第3章 总体设计技术56

3.1 引言57

3.2 深空探测器总体设计概述58

3.2.1 深空探测器任务特点58

3.2.2 系统任务分析60

3.2.3 系统总体设计流程62

3.3 环绕探测类任务总体设计63

3.3.1 任务分析63

3.3.2 技术指标分解65

3.3.3 飞行程序设计66

3.3.4 关键技术分析66

3.3.5 设计验证67

3.4 着陆探测类任务总体设计68

3.4.1 任务分析68

3.4.2 技术指标分解71

3.4.3 飞行程序设计71

3.4.4 关键技术分析73

3.4.5 设计验证74

3.5 巡视探测类任务总体设计75

3.5.1 任务分析75

3.5.2 技术指标分解78

3.5.3 工作程序设计79

3.5.4 关键技术分析79

3.5.5 设计验证80

3.6 采样返回探测类任务总体设计81

3.6.1 任务分析81

3.6.2 技术指标分解87

3.6.3 飞行程序设计88

3.6.4 关键技术分析89

3.6.5 设计验证93

3.7 展望94

参考文献95

第4章 轨道设计技术96

4.1 引言97

4.2 典型轨道类型98

4.2.1 月球探测98

4.2.2 行星探测99

4.2.3 小行星探测100

4.2.4 平动点任务102

4.3 轨道设计过程概述103

4.4 转移轨道设计105

4.4.1 直接转移105

4.4.2 借力飞行113

4.4.3 深空机动117

4.4.4 小推力转移119

4.5 使命轨道设计136

4.5.1 环绕探测136

4.5.2 平动点任务141

4.5.3 交会对接147

4.6 轨控策略设计153

4.7 展望155

参考文献156

第5章 有效载荷技术159

5.1 引言160

5.2 深空探测研究的主要科学问题162

5.2.1 从系统角度看深空探测的科学问题162

5.2.2 我国月球和火星探测的科学目标与有效载荷配置165

5.3 形貌获取技术172

5.3.1 科学探测任务172

5.3.2 立体像对获取技术172

5.3.3 彩色CMOS器件173

5.3.4 相机系统设计174

5.3.5 自动曝光技术176

5.3.6 定标与地面验证试验178

5.4 元素成分鉴别技术179

5.4.1 科学探测任务179

5.4.2 元素成分鉴别原理179

5.4.3 激发源的选取策略180

5.4.4 传感器的选取与设计技术181

5.4.5 系统设计183

5.4.6 定标与地面验证试验185

5.5 月基天文观测技术186

5.5.1 科学探测任务186

5.5.2 谱段和观测天区选择187

5.5.3 望远镜设计187

5.5.4 杂散光抑制187

5.5.5 定标与地面验证试验188

5.6 展望189

参考文献190

第6章 制导导航控制技术192

6.1 引言193

6.2 轨道控制技术194

6.2.1 深空探测器轨道控制特点194

6.2.2 大冲量轨道控制策略195

6.2.3 精确轨道控制200

6.2.4 轨道控制系统设计205

6.3 天体进入与着陆GNC技术209

6.3.1 天体进入与着陆GNC技术特点209

6.3.2 大气进入控制210

6.3.3 动力下降控制211

6.3.4 障碍识别与规避212

6.3.5 天体进入与着陆GNC系统设计213

6.4 天体表面巡视GNC技术219

6.4.1 巡视器GNC特点219

6.4.2 环境感知220

6.4.3 位姿确定与估计222

6.4.4 路径规划223

6.4.5 运动控制225

6.4.6 天体表面巡视GNC系统设计227

6.5 展望232

参考文献233

第7章 大气减速技术234

7.1 引言235

7.2 气动力与气动热分析238

7.2.1 空气动力学基本概念238

7.2.2 大气进入气动问题研究243

7.2.3 大气进入气动分析与预测247

7.3 气动热防护设计258

7.3.1 热防护技术基础理论258

7.3.2 大气进入热防护技术263

7.3.3 大气进入热防护设计267

7.4 大气进入制导与控制设计275

7.4.1 大气进入制导控制技术275

7.4.2 大气进入轨道设计277

7.4.3 大气进入制导与控制设计282

7.5 降落伞减速设计284

7.5.1 降落伞减速概述284

7.5.2 大气进入降落伞技术287

7.5.3 深空探测器降落伞设计290

7.5.4 降落伞设计仿真分析303

7.6 展望305

参考文献306

第8章 测控通信技术307

8.1 引言308

8.2 深空无线电测量技术310

8.2.1 深空测距310

8.2.2 深空测速312

8.2.3 深空测角315

8.3 深空射频系统技术320

8.3.1 射频调制320

8.3.2 高灵敏度接收321

8.3.3 高EIRP发射322

8.3.4 激光通信323

8.4 深空遥测遥控和数据通信技术325

8.4.1 数据格式325

8.4.2 信道编码328

8.5 深空测控通信系统设计331

8.5.1 任务分析331

8.5.2 系统方案338

8.5.3 仿真与验证342

8.6 展望345

参考文献347

第9章 热控技术349

9.1 引言350

9.2 深空热环境特点351

9.2.1 水星热环境352

9.2.2 金星热环境353

9.2.3 月球热环境354

9.2.4 火星热环境355

9.2.5 外行星热环境357

9.3 热控关键技术359

9.3.1 重力辅助两相流体回路技术359

9.3.2 水升华器技术361

9.3.3 可变热导热管技术364

9.3.4 气凝胶技术365

9.4 深空探测器热控系统设计369

9.4.1 国内外典型深空探测器热控系统简介369

9.4.2 热设计的基本原则375

9.4.3 热设计376

9.4.4 热分析379

9.4.5 地面模拟试验384

9.5 展望389

参考文献391

第10章 推进技术393

10.1 引言394

10.2 推进系统分类395

10.2.1 冷气推进395

10.2.2 化学推进396

10.2.3 电推进406

10.2.4 新概念推进411

10.3 深空探测推进系统设计与验证415

10.3.1 任务分析415

10.3.2 推进系统选型419

10.3.3 方案设计420

10.4 展望430

参考文献432

第11章 电源技术434

11.1 引言435

11.2 太阳电池技术436

11.2.1 光谱匹配436

11.2.2 防尘技术439

11.3 MPPT技术441

11.3.1 MPPT基本原理441

11.3.2 MPPT实现方式442

11.3.3 MPPT拓扑结构444

11.4 锂离子蓄电池技术446

11.4.1 锂离子蓄电池概述446

11.4.2 锂离子电池的耐低温技术447

11.5 空间核电源452

11.5.1 空间核电源概述452

11.5.2 RTG技术453

11.5.3 核反应堆电源456

11.6 深空电源系统设计462

11.6.1 任务分析462

11.6.2 太阳电池阵设计467

11.6.3 蓄电池组设计469

11.6.4 电源控制器设计471

11.6.5 电源系统设计示例471

11.7 展望477

参考文献479

第12章 自主管理技术482

12.1 引言483

12.2 自主管理技术概述484

12.2.1 自主运行体系结构485

12.2.2 体系结构及其组件485

12.2.3 故障检测和诊断488

12.2.4 规划和调度491

12.3 深空探测器自主管理技术496

12.3.1 火星车自主能力发展历程497

12.3.2 火星车自主管理技术需求分析498

12.3.3 火星车自主管理实现方案框架505

12.3.4 火星车自主任务规划507

12.4 展望511

参考文献512

第13章 机构技术514

13.1 引言515

13.2 着陆缓冲机构516

13.2.1 着陆缓冲机构的功能及组成特点517

13.2.2 着陆缓冲机构设计与验证519

13.3 巡视器转移机构529

13.3.1 巡视器转移机构的功能及组成特点530

13.3.2 巡视器转移机构设计与验证532

13.4 巡视器移动机构539

13.4.1 巡视器移动机构的功能及组成特点539

13.4.2 巡视器移动机构设计与验证541

13.5 取样机构554

13.5.1 样品取样机构的功能及组成特点554

13.5.2 样品取样机构设计与验证557

13.6 展望567

参考文献568

第14章 遥操作技术569

14.1 引言570

14.2 巡视器的遥操作572

14.2.1 遥操作与遥科学573

14.2.2 空间环境下遥操作的特点573

14.2.3 空间环境下遥操作的分类574

14.2.4 地外天体表面巡视器遥操作574

14.3 国外巡视器遥操作技术发展情况576

14.3.1 苏联月面巡视器“月球车”的遥操作576

14.3.2 美国载人月面巡视器LRV的遥操作577

14.3.3 美国火星巡视器“索杰纳”的遥操作577

14.3.4 美国火星巡视器MER的遥操作578

14.3.5 美国火星巡视器MSL的遥操作581

14.4 巡视探测器遥操作系统任务分析582

14.5 遥操作系统关键技术584

14.5.1 绝对定位与相对定位技术584

14.5.2 图像信息融合技术585

14.5.3 任务规划588

14.5.4 路径规划590

14.5.5 机械臂规划590

14.6 遥操作系统实现与实施593

14.6.1 系统功能与组成593

14.6.2 系统框架594

14.6.3 操作实施流程595

14.6.4 控制指令生成系统597

14.6.5 数字仿真系统597

14.6.6 物理仿真系统597

14.7 展望599

参考文献600

第15章 地面试验验证技术602

15.1 引言603

15.2 技术发展现状604

15.2.1 气动减速环节试验技术604

15.2.2 动力减速环节试验技术612

15.2.3 软着陆环节验证技术614

15.2.4 起飞环节验证技术618

15.3 需求分析621

15.3.1 试验规划原则621

15.3.2 验证试验需求621

15.4 试验验证技术625

15.4.1 气动减速环节试验技术625

15.4.2 动力减速、软着陆及起飞环节验证技术633

15.5 展望653

参考文献654

索引656