航天器设计与新概念航天器

钱学森说过，他是艺术与科学相结合的受益者。科学与艺术是两个互相独立的领域，但科学能够对客观事物和规律进行解释，而艺术能够营造一种环境和气氛，从而形成寄托情感的中国航天文化。基于此，本书内容也是知识与艺术的融合。 
航天器设计是一项多学科、多专业交叉与综合的系统工程技术，在航天器研制和应用中占有重要地位。本书能够让广大读者在学习航天器设计知识的同时，了解星际探索新概念、开拓视野、提升自主创新的信心！  
本书主要包括航天器设计的基本知识点、星际空间的新概念航天器两大部分。特别指出，本书叙述的航天器设计和新概念航天器的内容，是站在系统工程的角度，涉及的技术属于宏观层面的知识。本书的通俗性主要体现在三个方面：①对于复杂的技术问题，尽量避免用抽象的数学公式表述；②对于星际探索概念与方案表述，采用科学思想与人文艺术相互结合的方法；③全书力争图文并茂，便于各个年级学生和各个专业的学生理解。 
本书作者结合工作实践经历和体会，跟踪国际航天强国的相关技术，探索性地组织编写了这本通俗性的教材。本书由闻新组织和编写，张静华负责统稿，王戬、刘嘉乐以及选修“新概念航天器”课程的部分同学参与了第3章和第8章的编写和校对工作。 
本书的出版得到了南京航空航天大学英才培育计划经费的支撑，得到了中国空间技术研究院北京空间飞行器总体设计部和中国航天科工集团有限公司同仁的支持，以及中国航天报社同仁的协助；本书在编写过程中，编著者在北京理工大学珠海学院开展了一些教学实践探索工作，在此表示深深的感谢。由于在编写过程中没有比较成熟的模式可以借鉴，书中不妥之处恳请读者批评指正，欢迎提出宝贵意见。 

编著者 
2023年6月于珠海 

《航天器设计与新概念航天器》集科学知识与工程管理于一体，能够让广大读者在学习航天器设计知识的同时，了解星际探索新概念、开拓视野、提升自主创新的信心！本书的内容包括航天器总体设计的艺术，空间环境对人类航天活动的影响，航天器控制技术，航天器系统工程，小卫星应用模式，模块化卫星，国际最新星际探索的创新概念和奇妙案例，包括金星探测器、帆式航天器、木卫二机器人、可重构组合式立方体卫星、变形金刚机器人以及潜在的小行星探测概念设计，等等。本书不仅适合作为学生通识课程的教材，也适合作为启发学生创作竞赛作品的指导用书，更适合各行各业渴望了解航天知识和宇宙奥秘的人士阅读。

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第1章 概述 002 
1.1 航天器设计与航天器设计师 003 
1.1.1 航天器设计的概念 003 
1.1.2 航天器设计师的特征 004 
1.2 航天器载荷与任务 005 
1.2.1 载荷的种类 005 
1.2.2 载荷的作用 007 
1.3 航天系统 007 

第2章 航天器总体工程师的要求 011 
2.1 总体工程师需要具备的能力 012 
2.2 如何成为一名合格的总体工程师 013 
2.3 复杂系统设计对总体工程师的要求 016 
2.4 总体工程师的历练 018 

第3章 卫星拟人化 020 

第4章 航天器的轨道与 
星下点轨迹 026 
4.1 太空飞行与大气层内飞行的区别 027 
4.2 开普勒定律和宇宙速度 027 
4.2.1 开普勒定律 027 
4.2.2 三大宇宙速度 028 
4.3 图解航天器轨道知识 029 
4.3.1 轨道六根数 030 
4.3.2 轨道计算案例 035 
4.4 航天器星下点轨迹知识 038 

第5章 航天器姿态控制 041 
5.1 ACS的主要任务及功能 042 
5.2 ACS 的工作原理 044 
5.3 姿态控制的技术手段 046 
5.3.1 被动式 046 
5.3.2 主动式 047 
5.3.3 混合式  047 
5.3.4 三轴稳定 048 
5.4 姿态控制系统的部件 048 
5.4.1 力矩控制闭环回路 048 
5.4.2 推进器 048 
5.4.3 磁力矩器 049 
5.4.4 反作用轮 050 

第6章 航天器系统工程 052 
6.1 航天器基本设计方法 053 
6.2 航天器的设计过程 055 
6.3 航天器工程：最终设计极限 057 
6.4 航天器总体实例 058 
6.5 推进子系统 061 
6.5.1 轨道转移 061 
6.5.2 轨道和姿态控制 062 
6.5.3 航天器推进技术 063 
6.6 电源子系统 065 
6.7 通信子系统 069 
6.8 星上数据管理系统 074 
6.9 热控子系统 075 
6.10 结构子系统 080 

第7章 小卫星及其编队 083 
7.1 小卫星技术 084 
7.1.1 现代小卫星的分类及发展模式 084 
7.1.2 现代小卫星发展的若干问题分析 085 
7.2 编队飞行与应用 088 
7.3 模块化分离卫星 089 
7.3.1 模块化分离卫星的产生和目的 090 
7.3.2 模块化分离卫星的研制计划和技术特征分析 091 
7.4 未来NASA的群卫星系统分析与展望 093 
7.4.1 群智能技术 093 
7.4.2 群卫星系统 094 
7.4.3 ANTS系统的载荷配置及体系结构 096 
7.5 天基镜群 097 
7.5.1 基于航天器群建立的“天基镜群” 097 
7.5.2 “天基镜群”的性能分析 099 
7.5.3 应用价值分析 100 
7.6 微小航天器 100 
7.6.1 未来航天器及其应用 100 
7.6.2 未来深空探索任务的瓶颈之一 102 
7.6.3 基于仿生的微型推进器 102 
7.6.4 微射流电推进器的工作原理 103 
7.6.5 微推进器的应用 104 

第8章 星际探索新视野与新概念航天器 106 
8.1 用机器人为航天员减负 107 
8.2 火星熔岩洞穴的小型探索者 108 
8.3 操控火星飞机有多难 109 
8.4 太阳帆的轻量化原子平面电源 111 
8.5 卫星“皮肤”——量子点 113 
8.6 “刺猬”漫游者 114 
8.7 探索土星卫星的变形机器人 116 
8.8 BREEZE太空飞船 118 
8.9 长寿命金星表面任务的能量传送 119 
8.10 智能宇航服  120 
8.11 全像天文望远镜系统 121 
8.12 微型探针 122 
8.13 SPEAR 探测器 123 
8.14 开伞索解缆动力系统 124 
8.15 采用激光推进系统的微型探测器 124 
8.16 探测太阳附近微中子的小型探测器 125 
8.17 超材料新型太阳帆 125 
8.18 小型三角形游泳机器 126 
8.19 月面太阳能传输与发电的新概念——“御光器” 127 
8.20 用于探索土卫六的旋翼着陆器 129 
8.21 适合“猎鹰”9号发射的模拟重力舱 131 

参考文献 134

《航天器设计与新概念航天器》集科学知识与工程管理于一体，能够让广大读者在学习航天器设计知识的同时，了解星际探索新概念、开拓视野、提升自主创新的信心！本书的内容包括航天器总体设计的艺术，空间环境对人类航天活动的影响，航天器控制技术，航天器系统工程，小卫星应用模式，模块化卫星，国际最新星际探索的创新概念和奇妙案例，包括金星探测器、帆式航天器、木卫二机器人、可重构组合式立方体卫星、变形金刚机器人以及潜在的小行星探测概念设计，等等。本书不仅适合作为学生通识课程的教材，也适合作为启发学生创作竞赛作品的指导用书，更适合各行各业渴望了解航天知识和宇宙奥秘的人士阅读。

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