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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