本書圍繞航天器系統設計主題，基于型號研制流程，梳理了系統設計方法，重點從任務分析、總體方案設計、外部接口設計、構形及總裝設計、試驗驗證等航天器研制中的關鍵環節進行了詳細闡述，同時對型號研制過程中必要的軌道設計、環境因素影響、可靠性設計保證、動力學分析等內容進行了概述，此外對提升系統設計效能的數字化環境及方法進行了綜述。
本書適合有志成為航天設計師的研究生、有航天工程經驗的工程師及高級管理人員參考和閱讀。
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。
張慶君，博士，研究員，博士生導師。歷任中國空間技術研究院總體部載人飛船總體室主任、載人飛船副總設計師、“資源一號”系列衛星總設計師、“海洋二號”衛星總設計師和“高分三號”衛星總設計師。長期從事航天器總體設計、衛星遙感等技術研究工作，參與了“神舟一號”至“神舟六號”飛船的研制和飛行試驗，主持研制并成功發射了“資源一號”02B衛星、“資源一號”02C衛星、“資源一號”03/04衛星、“海洋二號”衛星和“高分三號”衛星等多顆遙感衛星。獲得國家科技進步獎特等獎、國家發明獎一等獎、國防科技進步獎一等獎等多項獎勵，2009年入選“新世紀百千萬人才”國家級人選，2014年入選國家“創新人才推進計劃”中青年科技創新領軍人才。
劉杰，博士，中國空間技術研究院研究員。歷任中國空間技術研究院總體部微波遙感衛星總體研究室主任和環境與態勢感知監測總體室主任。長期從事航天器系統設計和衛星遙感技術的研究工作，曾擔任“海洋二號”衛星總體副主任設計師、“高分三號”衛星總體主任設計師及多項系統級型號論證和設計的技術負責人。
第 1章 緒論001
1.1 航天器系統工程的定義003
1.2 航天器系統工程的發展006
1.3 航天工程系統010
1.4 航天器系統012
1.5 航天器系統設計的概念016
1.5.1 系統設計思維的基本觀念016
1.5.2 航天器系統設計的內涵021
1.5.3 航天器系統設計的基本原則023
1.6 航天器系統設計的特殊要求025
第 2章 航天器系統設計方法及流程029
2.1 航天器系統設計方法030
2.1.1 系統設計程序030
2.1.2 系統設計通用框架035
2.2 航天器系統研制階段037
2.3 航天器系統通用設計流程040
2.3.1 概念性論證階段流程040
2.3.2 方案設計階段流程044
2.3.3 初樣研制階段流程049
2.3.4 正樣研制階段流程055
2.4 航天器總體設計標準體系060
2.5 航天器總體設計工具軟件體系062
第3章 航天器環境影響分析064
3.1 航天器地面環境及影響065
3.1.1 地面自然環境065
3.1.2 地面制造環境066
3.1.3 地面操作環境066
3.1.4 地面貯存環境066
3.1.5 地面運輸環境067
3.2 航天器發射環境及影響069
3.2.1 發射過程中的力學環境069
3.2.2 發射過程中其他環境071
3.3 航天器在軌運行環境及影響073
3.3.1 在軌空間環境073
3.3.2 在軌熱環境085
3.3.3 在軌力學環境087
3.4 航天器空間環境效應及防護設計093
3.4.1 空間環境影響093
3.4.2 空間帶電粒子的輻射效應094
3.4.3 大氣與真空環境防護設計要求097
3.4.4 太陽紫外輻射防護設計要求097
3.4.5 帶電粒子輻射防護設計要求098
第4章 航天器軌道設計基礎104
4.1 任務空間幾何分析105
4.1.1 球面三角基礎知識105
4.1.2 地面站跟蹤弧段計算106
4.1.3 光照條件計算108
4.1.4 發射窗口分析111
4.2 軌道動力學基礎114
4.2.1 二體問題114
4.2.2 軌道攝動116
4.2.3 軌道機動118
4.2.4 多體問題119
4.3 繞地運行軌道設計124
4.3.1 航天器軌道的分類124
4.3.2 單航天器常用軌道設計125
4.3.3 星座設計127
4.4 深空探測軌道設計131
4.4.1 深空探測軌道設計過程131
4.4.2 月球探測軌道設計132
4.4.3 行星探測軌道設計133
4.5 軌道控制與保持137
4.5.1 單航天器軌道控制與保持137
4.5.2 星座站位保持144
4.5.3 碰撞規避145
4.5.4 離軌控制146
4.6 推進劑預算148
4.6.1 軌道機動速度分析148
4.6.2 推進劑預算分析150
第5章 航天器系統任務分析153
5.1 航天任務的特點和基本分析方法154
5.1.1 航天任務的分類及目標154
5.1.2 航天任務分析的基本方法156
5.1.3 航天任務設計的約束158
5.2 航天器系統任務的分析流程161
5.2.1 航天器系統任務的分析流程及內容161
5.2.2 典型對地遙感航天器系統任務分析示例170
5.3 方案的初步設想173
5.3.1 航天任務軌道的初步選擇173
5.3.2 有效載荷的初步設想174
5.3.3 平臺分系統的初步設想175
5.4 總體性能指標的分析和綜合182
第6章 航天器系統方案設計185
6.1 任務剖面分析186
6.2 系統總體設計188
6.2.1 航天器能源流總體設計188
6.2.2 航天器信息流總體設計191
6.2.3 電磁兼容總體設計201
6.2.4 好用易用性設計204
6.2.5 航天器通用質量特性設計207
6.3 分系統總體設計213
6.3.1 控制分系統213
6.3.2 推進分系統216
6.3.3 測控分系統218
6.3.4 熱控分系統223
6.3.5 電源分系統226
6.4 單機總體設計235
6.4.1 設計與建造規范235
6.4.2 接口數據單設計237
6.4.3 接口控制文件設計239
6.5 飛行程序設計240
6.5.1 飛行程序相關定義240
6.5.2 約束條件與支撐條件241
6.5.3 飛行程序編制原則及內容242
6.5.4 測控條件分析243
6.5.5 飛行程序編制過程243
第7章 航天器外部系統接口設計及驗證245
7.1 與運載火箭的接口設計及驗證246
7.1.1 運載火箭概況246
7.1.2 與運載火箭的接口設計247
7.1.3 與運載火箭的接口驗證253
7.2 與測控系統的接口設計及驗證254
7.2.1 測控系統概況254
7.2.2 測控大系統的接口設計256
7.2.3 測控大系統的接口驗證257
7.3 與地面接收系統的接口設計及驗證259
7.3.1 地面接收系統概況259
7.3.2 星地微波鏈路的接口設計260
7.3.3 星地微波鏈路的接口驗證261
7.3.4 星地激光鏈路的接口設計261
7.3.5 星地激光鏈路的接口驗證262
7.4 與發射場的接口設計及驗證264
7.4.1 發射場系統概況264
7.4.2 與發射場的接口設計265
7.4.3 與發射場的接口驗證266
第8章 航天器構形及總裝設計267
8.1 任務和要求269
8.1.1 設計任務269
8.1.2 構形及總裝設計的作用271
8.1.3 構形設計的要求271
8.2 構形設計準則和設計內容276
8.2.1 構形設計準則276
8.2.2 構形設計內容277
8.3 布局設計準則和設計內容288
8.3.1 布局設計準則288
8.3.2 布局設計內容290
8.4 接口設計294
8.4.1 與運載火箭的接口設計294
8.4.2 與載荷的接口設計295
8.4.3 與平臺的接口設計297
8.5 構形和布局分析300
8.5.1 大系統相容性分析300
8.5.2 任務適應性分析302
8.6 總裝設計準則與總裝方案設計308
8.6.1 總裝設計準則308
8.6.2 總裝方案設計309
8.7 總裝設計內容311
8.7.1 總裝安裝設計311
8.7.2 精度測量設計319
8.7.3 地面機械支持設備設計321
8.7.4 總裝技術流程設計323
8.8 總裝測試與驗證327
8.8.1 管路系統檢漏327
8.8.2 總裝精度測試329
8.8.3 質量特性測試及配平330
第9章 航天器動力學分析332
9.1 柔性航天器耦合動力學分析334
9.1.1 柔性航天器耦合動力學分析的目的及流程334
9.1.2 柔性航天器耦合動力學建模方法336
9.1.3 柔性航天器動力學方程模型降階方法339
9.2 充液航天器液體晃動分析342
9.2.1 充液航天器液體晃動分析的目的及流程342
9.2.2 充液航天器液體晃動分析方法343
9.3 空間機構多體動力學分析348
9.3.1 空間機構多體動力學分析的目的及流程348
9.3.2 單鏈空間機構多體動力學分析方法350
9.4 航天器羽流效應分析354
9.4.1 羽流效應分析的目的及流程354
9.4.2 羽流效應分析方法355
9.4.3 羽流效應分析過程356
9.5 航天器微振動分析與評估361
9.5.1 航天器微振動分析的目的及流程361
9.5.2 微振動分析建模方法362
9.5.3 微振動性能評估方法371
第 10章 航天器可靠性設計374
10.1 可靠性設計與分析376
10.1.1 可靠性基本理論376
10.1.2 可靠性要求與分配378
10.1.3 可靠性建模與預計383
10.1.4 裕度設計386
10.1.5 降額設計387
10.1.6 容錯設計388
10.1.7 故障模式及影響分析390
10.1.8 故障樹分析392
10.1.9 事件樹分析396
10.1.10 概率風險評價399
10.1.11 潛在電路分析403
10.1.12 最壞情況分析406
10.1.13 中斷分析408
10.1.14 可靠性數學仿真方法410
10.1.15 可靠性評估413
10.2 安全性設計與分析417
10.2.1 航天器產品通用安全性設計方法418
10.2.2 危險源識別及危險分析方法422
10.2.3 安全性驗證與評價424
10.3 維修性設計與分析427
10.3.1 概述427
10.3.2 硬件產品維修性設計準則428
10.3.3 在軌可維護性設計435
10.4 測試性設計與分析437
10.4.1 固有測試性設計437
10.4.2 故障診斷策略設計438
10.4.3 嵌入式診斷設計439
10.5 保障性設計與規劃441
10.5.1 保障性設計441
10.5.2 保障規劃442
第 11章 航天器系統試驗及驗證444
11.1 航天器系統驗證方法及與分析的聯系446
11.1.1 試驗驗證的方法446
11.1.2 分析與試驗驗證的關系447
11.2 一般航天器試驗驗證要求448
11.3 試驗矩陣設計451
11.3.1 航天器系統鑒定試驗矩陣設計451
11.3.2 分系統鑒定試驗矩陣設計456
11.3.3 組件鑒定試驗矩陣設計458
11.3.4 航天器系統驗收試驗464
11.3.5 分系統驗收試驗465
11.3.6 組件驗收試驗467
11.4 結構設計試驗驗證469
11.4.1 結構設計驗證方法469
11.4.2 結構靜強度的驗證471
11.4.3 結構動力特性的驗證474
11.5 熱設計試驗驗證480
11.5.1 熱設計驗證方法480
11.5.2 真空熱試驗481
11.6 電性能試驗驗證484
11.6.1 電性能測試的任務及目的484
11.6.2 電性能測試試驗485
11.7 EMC試驗驗證490
11.7.1 單機設備EMC試驗驗證490
11.7.2 系統級EMC試驗驗證492
11.8 磁試驗驗證494
11.8.1 磁試驗目的494
11.8.2 磁試驗測試方法495
11.8.3 航天器磁補償495
第 12章 航天器系統數字化設計及研制497
12.1 數字化設計技術499
12.1.1 數字樣機技術499
12.1.2 基于模型的定義技術500
12.1.3 多學科設計優化技術501
12.1.4 產品全生命周期管理技術502
12.2 航天器數字化研制模式503
12.2.1 航天器數字化研制模式的特點503
12.2.2 航天器系統數字化設計的重點505
12.2.3 航天器總體—結構—熱控協同設計模式511
12.2.4 航天器設計—工藝協同模式512
12.3 基于模型的航天器三維協同設計515
12.3.1 航天器三維設計的發展歷程515
12.3.2 航天器三維模型的分類與構建通用要求516
12.3.3 航天器的總體—結構—熱控三維協同設計518
12.3.4 面向制造總裝的三維模型構建522
12.4 基于單機接口數據的航天器協同設計524
12.4.1 IDS的作用及演化524
12.4.2 IDS在熱控設計中的應用526
12.4.3 IDS在電纜網設計中的應用526
12.4.4 IDS在測控信息流設計中的應用527
12.5 基于模型的多學科設計優化529
12.5.1 MB-MDO的內涵530
12.5.2 基于MB-MDO的航天器研制過程530
12.5.3 MB-MDO的主要研究內容531
12.5.4 支撐MB-MDO的工具軟件533
12.6 航天器全生命周期數據管理與技術狀態管理534
12.6.1 航天器型號全生命周期數據管理534
12.6.2 基于PLM的航天器技術狀態管理技術539
12.6.3 基于AVIDM的航天器型號全生命周期數據管理541
12.7 航天器協同設計環境545
12.7.1 航天器協同設計環境與并行工程方法545
12.7.2 航天器協同設計環境的基本要素546
12.7.3 航天器協同設計環境的應用548
12.8 航天器數字化研制發展與展望552
12.8.1 前沿數字化技術應用552
12.8.2 基于模型的系統工程554
12.8.3 基于模型的企業555
第 13章 航天器系統的發展及展望557
參考文獻560
索引567
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