本書明確了深空探測的內涵，系統地梳理了深空探測的發展歷程，前瞻了無人深空探測活動的發展趨勢和技術需求。針對這些難點和重點，從深空探測器設計所面臨的特殊環境、總體設計、飛行軌道、科學載荷、制導導航與控制、大氣減速、測控通信、熱控、推進、電源、自主管理、機構、遙操作、地面試驗驗證等多個方面，對設計方法、設計要素、典型技術、發展展望等內容，結合探月工程和首次火星等任務的工程實踐和實例做了系統的闡述和總結。
本書可作為高等院校宇航相關專業學生的教學參考書，也可供從事宇航工程、航天器總體設計及有關專業的科技人員參考。
1.展現了我國空間科學技術的眾多原創性科研成果。
2.反映“互聯網+”與航天技術的融合發展。
3.體現我國空間探索和空間應用的科技創新能力。
4.叢書由葉培建院士領銜，孫家棟、閔桂榮、王希季三位院士聯袂推薦。
5.力圖為研究和設計的人員提供新的設計思路和方法。
孫澤洲，研究員，博士生導師，航天深空探測領域專家，現任職于中國空間技術研究院總體部，“嫦娥四號”、火星探測器總設計師。主要從事深空探測項目論證、探測器總體設計等方向的研究工作。主持研制“嫦娥三號”，并成功完成我國首次月面軟著陸和巡視探測。曾獲國家科學技術進步獎特等獎、國防科學技術獎特等獎等多項獎勵。發表核心期刊論文20余篇。
第 1章 概論 001
1.1 深空探測的意義 002
1.2 深空探測發展概況 004
1.2.1 國外深空探測發展概況 005
1.2.2 我國深空探測發展概況 006
1.2.3 深空探測的發展趨勢 010
1.3 未來深空探測技術發展需求 012
1.4 展望 015
參考文獻 016
第 2章 深空環境特征及其影響 017
2.1 引言 018
2.2 地球空間環境 020
2.2.1 深空探測器面臨的主要地球空間環境特征 020
2.2.2 地球空間環境對深空探測器的影響 023
2.3 月球空間環境 026
2.3.1 概述 026
2.3.2 月球輻射環境及其影響 027
2.3.3 月球大氣及其影響 031
2.3.4 月壤/月塵及其影響 032
2.3.5 月面地形地貌及其影響 036
2.4 火星空間環境 038
2.4.1 概述 038
2.4.2 火星輻射環境及影響 039
2.4.3 火星大氣環境影響 040
2.4.4 火星塵埃環境影響 041
2.4.5 火星表面地形地貌 041
2.4.6 火星的衛星 042
2.5 木星空間環境 043
2.5.1 概述 043
2.5.2 木星強磁場環境 044
2.5.3 木星強輻射帶環境 045
2.5.4 木星等離子體環境 045
2.5.5 木星大氣環境 045
2.5.6 木星的衛星 046
2.6 金星空間環境 047
2.6.1 概述 047
2.6.2 金星磁場 048
2.6.3 金星大氣環境 048
2.6.4 金星表面地形 049
2.7 其他行星際空間環境 051
2.7.1 行星際環境 051
2.7.2 小行星環境 051
2.7.3 彗星環境 052
2.8 展望 054
參考文獻 055
第3章 總體設計技術 056
3.1 引言 057
3.2 深空探測器總體設計概述 058
3.2.1 深空探測器任務特點 058
3.2.2 系統任務分析 060
3.2.3 系統總體設計流程 062
3.3 環繞探測類任務總體設計 063
3.3.1 任務分析 063
3.3.2 技術指標分解 065
3.3.3 飛行程序設計 066
3.3.4 關鍵技術分析 066
3.3.5 設計驗證 067
3.4 著陸探測類任務總體設計 068
3.4.1 任務分析 068
3.4.2 技術指標分解 071
3.4.3 飛行程序設計 071
3.4.4 關鍵技術分析 073
3.4.5 設計驗證 074
3.5 巡視探測類任務總體設計 075
3.5.1 任務分析 075
3.5.2 技術指標分解 078
3.5.3 工作程序設計 079
3.5.4 關鍵技術分析 079
3.5.5 設計驗證 080
3.6 采樣返回探測類任務總體設計 081
3.6.1 任務分析 081
3.6.2 技術指標分解 087
3.6.3 飛行程序設計 088
3.6.4 關鍵技術分析 089
3.6.5 設計驗證 093
3.7 展望 094
參考文獻 095
第4章 軌道設計技術 096
4.1 引言 097
4.2 典型軌道類型 098
4.2.1 月球探測 098
4.2.2 行星探測 099
4.2.3 小行星探測 100
4.2.4 平動點任務 102
4.3 軌道設計過程概述 103
4.4 轉移軌道設計 105
4.4.1 直接轉移 105
4.4.2 借力飛行 113
4.4.3 深空機動 117
4.4.4 小推力轉移 119
4.5 使命軌道設計 136
4.5.1 環繞探測 136
4.5.2 平動點任務 141
4.5.3 交會對接 147
4.6 軌控策略設計 153
4.7 展望 155
參考文獻 156
第5章 有效載荷技術 159
5.1 引言 160
5.2 深空探測研究的主要科學問題 162
5.2.1 從系統角度看深空探測的科學問題 162
5.2.2 我國月球和火星探測的科學目標與有效載荷配置 165
5.3 形貌獲取技術 172
5.3.1 科學探測任務 172
5.3.2 立體像對獲取技術 172
5.3.3 彩色CMOS器件 173
5.3.4 相機系統設計 174
5.3.5 自動曝光技術 176
5.3.6 定標與地面驗證試驗 178
5.4 元素成分鑒別技術 179
5.4.1 科學探測任務 179
5.4.2 元素成分鑒別原理 179
5.4.3 激發源的選取策略 180
5.4.4 傳感器的選取與設計技術 181
5.4.5 系統設計 183
5.4.6 定標與地面驗證試驗 185
5.5 月基天文觀測技術 186
5.5.1 科學探測任務 186
5.5.2 譜段和觀測天區選擇 187
5.5.3 望遠鏡設計 187
5.5.4 雜散光抑制 187
5.5.5 定標與地面驗證試驗 188
5.6 展望 189
參考文獻 190
第6章 制導導航控制技術 192
6.1 引言 193
6.2 軌道控制技術 194
6.2.1 深空探測器軌道控制特點 194
6.2.2 大沖量軌道控制策略 195
6.2.3 精確軌道控制 200
6.2.4 軌道控制系統設計 205
6.3 天體進入與著陸GNC技術 209
6.3.1 天體進入與著陸GNC技術特點 209
6.3.2 大氣進入控制 210
6.3.3 動力下降控制 211
6.3.4 障礙識別與規避 212
6.3.5 天體進入與著陸GNC系統設計 213
6.4 天體表面巡視GNC技術 219
6.4.1 巡視器GNC特點 219
6.4.2 環境感知 220
6.4.3 位姿確定與估計 222
6.4.4 路徑規劃 223
6.4.5 運動控制 225
6.4.6 天體表面巡視GNC系統設計 227
6.5 展望 232
參考文獻 233
第7章 大氣減速技術 234
7.1 引言 235
7.2 氣動力與氣動熱分析 238
7.2.1 空氣動力學基本概念 238
7.2.2 大氣進入氣動問題研究 243
7.2.3 大氣進入氣動分析與預測 247
7.3 氣動熱防護設計 258
7.3.1 熱防護技術基礎理論 258
7.3.2 大氣進入熱防護技術 263
7.3.3 大氣進入熱防護設計 267
7.4 大氣進入制導與控制設計 275
7.4.1 大氣進入制導控制技術 275
7.4.2 大氣進入軌道設計 277
7.4.3 大氣進入制導與控制設計 282
7.5 降落傘減速設計 284
7.5.1 降落傘減速概述 284
7.5.2 大氣進入降落傘技術 287
7.5.3 深空探測器降落傘設計 290
7.5.4 降落傘設計仿真分析 303
7.6 展望 305
參考文獻 306
第8章 測控通信技術 307
8.1 引言 308
8.2 深空無線電測量技術 310
8.2.1 深空測距 310
8.2.2 深空測速 312
8.2.3 深空測角 315
8.3 深空射頻系統技術 320
8.3.1 射頻調制 320
8.3.2 高靈敏度接收 321
8.3.3 高EIRP發射 322
8.3.4 激光通信 323
8.4 深空遙測遙控和數據通信技術 325
8.4.1 數據格式 325
8.4.2 信道編碼 328
8.5 深空測控通信系統設計 331
8.5.1 任務分析 331
8.5.2 系統方案 338
8.5.3 仿真與驗證 342
8.6 展望 345
參考文獻 347
第9章 熱控技術 349
9.1 引言 350
9.2 深空熱環境特點 351
9.2.1 水星熱環境 352
9.2.2 金星熱環境 353
9.2.3 月球熱環境 354
9.2.4 火星熱環境 355
9.2.5 外行星熱環境 357
9.3 熱控關鍵技術 359
9.3.1 重力輔助兩相流體回路技術 359
9.3.2 水升華器技術 361
9.3.3 可變熱導熱管技術 364
9.3.4 氣凝膠技術 365
9.4 深空探測器熱控系統設計 369
9.4.1 國內外典型深空探測器熱控系統簡介 369
9.4.2 熱設計的基本原則 375
9.4.3 熱設計 376
9.4.4 熱分析 379
9.4.5 地面模擬試驗 384
9.5 展望 389
參考文獻 391
第 10章 推進技術 393
10.1 引言 394
10.2 推進系統分類 395
10.2.1 冷氣推進 395
10.2.2 化學推進 396
10.2.3 電推進 406
10.2.4 新概念推進 411
10.3 深空探測推進系統設計與驗證 415
10.3.1 任務分析 415
10.3.2 推進系統選型 419
10.3.3 方案設計 420
10.4 展望 430
參考文獻 432
第 11章 電源技術 434
11.1 引言 435
11.2 太陽電池技術 436
11.2.1 光譜匹配 436
11.2.2 防塵技術 439
11.3 MPPT技術 441
11.3.1 MPPT基本原理 441
11.3.2 MPPT實現方式 442
11.3.3 MPPT拓撲結構 444
11.4 鋰離子蓄電池技術 446
11.4.1 鋰離子蓄電池概述 446
11.4.2 鋰離子電池的耐低溫技術 447
11.5 空間核電源 452
11.5.1 空間核電源概述 452
11.5.2 RTG技術 453
11.5.3 核反應堆電源 456
11.6 深空電源系統設計 462
11.6.1 任務分析 462
11.6.2 太陽電池陣設計 467
11.6.3 蓄電池組設計 469
11.6.4 電源控制器設計 471
11.6.5 電源系統設計示例 471
11.7 展望 477
參考文獻 479
第 12章 自主管理技術 482
12.1 引言 483
12.2 自主管理技術概述 484
12.2.1 自主運行體系結構 485
12.2.2 體系結構及其組件 485
12.2.3 故障檢測和診斷 488
12.2.4 規劃和調度 491
12.3 深空探測器自主管理技術 496
12.3.1 火星車自主能力發展歷程 497
12.3.2 火星車自主管理技術需求分析 498
12.3.3 火星車自主管理實現方案框架 505
12.3.4 火星車自主任務規劃 507
12.4 展望 511
參考文獻 512
第 13章 機構技術 514
13.1 引言 515
13.2 著陸緩沖機構 516
13.2.1 著陸緩沖機構的功能及組成特點 517
13.2.2 著陸緩沖機構設計與驗證 519
13.3 巡視器轉移機構 529
13.3.1 巡視器轉移機構的功能及組成特點 530
13.3.2 巡視器轉移機構設計與驗證 532
13.4 巡視器移動機構 539
13.4.1 巡視器移動機構的功能及組成特點 539
13.4.2 巡視器移動機構設計與驗證 541
13.5 取樣機構 554
13.5.1 樣品取樣機構的功能及組成特點 554
13.5.2 樣品取樣機構設計與驗證 557
13.6 展望 567
參考文獻 568
第 14章 遙操作技術 569
14.1 引言 570
14.2 巡視器的遙操作 572
14.2.1 遙操作與遙科學 573
14.2.2 空間環境下遙操作的特點 573
14.2.3 空間環境下遙操作的分類 574
14.2.4 地外天體表面巡視器遙操作 574
14.3 國外巡視器遙操作技術發展情況 576
14.3.1 蘇聯月面巡視器“月球車”的遙操作 576
14.3.2 美國載人月面巡視器LRV的遙操作 577
14.3.3 美國火星巡視器“索杰納”的遙操作 577
14.3.4 美國火星巡視器MER的遙操作 578
14.3.5 美國火星巡視器MSL的遙操作 581
14.4 巡視探測器遙操作系統任務分析 582
14.5 遙操作系統關鍵技術 584
14.5.1 絕對定位與相對定位技術 584
14.5.2 圖像信息融合技術 585
14.5.3 任務規劃 588
14.5.4 路徑規劃 590
14.5.5 機械臂規劃 590
14.6 遙操作系統實現與實施 593
14.6.1 系統功能與組成 593
14.6.2 系統框架 594
14.6.3 操作實施流程 595
14.6.4 控制指令生成系統 597
14.6.5 數字仿真系統 597
14.6.6 物理仿真系統 597
14.7 展望 599
參考文獻 600
第 15章 地面試驗驗證技術 602
15.1 引言 603
15.2 技術發展現狀 604
15.2.1 氣動減速環節試驗技術 604
15.2.2 動力減速環節試驗技術 612
15.2.3 軟著陸環節驗證技術 614
15.2.4 起飛環節驗證技術 618
15.3 需求分析 621
15.3.1 試驗規劃原則 621
15.3.2 驗證試驗需求 621
15.4 試驗驗證技術 625
15.4.1 氣動減速環節試驗技術 625
15.4.2 動力減速、軟著陸及起飛環節驗證技術 633
15.5 展望 653
參考文獻 654
索引 656
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