国之重器出版工程 空间技术与科学研究丛书 载人航天器技术
作者： 杨宏 编著
出版时间：2018年版
丛编项：国之重器出版工程·空间技术与科学研究丛书
内容简介
本书在我国载人航天工程实践的基础上，对载人航天器技术体系进行提炼与整理，从理论与工程相结合的视角总结归纳载人航天器工程研制经验。内容包括载人飞船、货运飞船、空间实验室、空间站、载人月球和火星探测航天器6类载人航天器的总体设计技术，以及载人交会对接、载人再入返回等10项载人航天器专项技术。另外，还对可重复使用技术、受控生保技术等载人航天器新技术探索情况进行了阐述。本书可作为高等院校宇航学院相关专业学生的教学参考书，也可供从事宇航工程、航天器总体设计及有关专业的科技人员参考。
目录
第 1章绪论001
1．1国外载人航天工程发展简介002
1．2我国载人航天工程发展历程004
1．3我国载人航天器技术体系006
第 2章载人飞船总体技术008
2．1总体设计概述009
2．1．1总体设计原则009
2．1．2总体设计任务011
2．2承载与密封系统012
2．2．1舱体结构012
2．2．2密封设计013
2．2．3舱间连接与分离设计013
2．3制导、导航与控制系统015
2．3．1任务及组成015
2．3．2工作模式018
2．4能源管理系统023
2．4．1平台能源系统023
2．4．2火工控制能源系统024
2．4．3接地设计025
2．5信息管理系统026
2．5．1数据管理子系统026
2．5．2显示子系统027
2．5．3图像子系统028
2．5．4话音子系统028
2．5．5天地通信子系统028
2．5．6交会对接通信子系统028
2．6环境控制与生命保障系统029
2．6．1功能及组成030
2．6．2供气调压技术032
2．6．3通风净化技术032
2．6．4温湿度控制技术033
2．6．5废物收集处理技术034
2．6．6水管理技术035
2．6．7压力应急及舱内航天服技术036
2．6．8密封舱防火灭火技术036
2．6．9测量控制技术037
2．6．10航天员居住设施037
2．7热控系统038
2．7．1载人飞船的热环境038
2．7．2载人飞船热控系统组成040
2．7．3被动热控子系统041
2．7．4流体回路子系统044
2．7．5主动热控子系统045
2．7．6地面调温子系统047
2．8回收着陆系统049
2．8．1系统任务049
2．8．2系统功能及工作特点049
2．8．3减速功能设计050
2．8．4着陆缓冲功能设计050
2．8．5标位功能设计051
2．9人机交互系统053
2．9．1人机交互技术053
2．9．2载人航天器人机交互系统054
2．9．3显示信息界面055
2．9．4人机控制界面055
2．9．5越限报警通报056
参考文献057
第3章货运飞船总体技术058
3．1概述059
3．2国外货运飞船发展历程060
3．2．1俄罗斯货运飞船061
3．2．2欧洲货运飞船063
3．2．3日本货运飞船064
3．2．4美国货运系统065
3．2．5国外货运飞船发展启示067
3．3“天舟”货运飞船设计技术069
3．3．1系统设计069
3．3．2功能组成071
3．3．3飞行方案071
3．4承载与密封系统074
3．4．1货物舱结构075
3．4．2推进舱结构078
3．4．3舱段连接080
3．4．4密封设计080
3．5能源与供配电系统081
3．5．1电源系统081
3．5．2配电系统082
3．6姿态与轨道控制系统085
3．6．1发动机配置与使用模式085
3．6．2姿态确定086
3．6．3姿态控制088
3．6．4轨道控制089
3．7热管理系统091
3．7．1被动热控设计092
3．7．2主动热控设计093
3．8信息传输与管理系统095
3．8．1天地测控通信096
3．8．2综合电子信息管理097
3．8．3天地一体化网络通信098
3．9载人环境控制系统101
3．9．1环境监测101
3．9．2舱压控制102
3．9．3湿度控制102
3．9．4温度和风速控制103
3．9．5有害气体控制103
3．9．6微生物控制103
3．9．7辐射控制103
3．9．8噪声控制104
3．10货物运输与保障106
3．10．1货物装载上行107
3．10．2在轨货物转移及废弃物装载112
3．10．3货物信息管理113
参考文献115
第4章空间实验室系统设计技术117
．1概述118
4．1．1空间实验室概念118
4．1．2国际空间实验室的发展120
4．1．3我国空间实验室的建设123
4．2任务分析125
4．3承载与密封系统127
4．3．1舱体承载系统与构型127
4．3．2布局区域规划129
4．3．3舱段连接129
4．3．4密封设计129
4．4姿态与轨道控制系统131
4．4．1姿态与轨道控制系统概述131
4．4．2姿态确定与控制132
4．4．3轨道控制135
4．5信息传输与控制系统136
4．5．1信息管理需求136
4．5．2信息系统137
4．6能源与供配电系统142
4．6．1供电系统143
4．6．2配电系统145
4．7热环境控制系统147
4．7．1热环境控制系统组成148
4．7．2通风系统148
4．7．3流体回路系统149
4．7．4主动电加热150
4．7．5被动热控制151
4．8载人环境控制系统152
4．8．1舱压控制系统152
4．8．2净化通风系统153
4．8．3大气温湿度控制系统154
4．8．4人区风速控制系统155
4．8．5噪声控制155
4．9驻留支持系统156
4．9．1适居性156
4．9．2在轨工作160
4．9．3在轨生活162
4．9．4在轨健康163
4．10推进剂在轨补加系统164
4．10．1补加系统原理164
4．10．2补加系统组成164
4．10．3补加工作流程165
参考文献167
第5章空间站系统设计技术168
5．1概述169
5．1．1空间站的发展历程169
5．1．2空间站的用途173
5．1．3我国空间站发展规划174
5．2空间站任务特点175
5．2．1在轨稳定载人飞行175
5．2．2组装与建造176
5．2．3维护与维修177
5．2．4空间科学与技术应用177
5．3构型与布局设计179
5．3．1构型与布局任务179
5．3．2构型设计180
5．3．3布局设计186
5．4控制与推进系统189
5．4．1控制与推进系统简介189
5．4．2“和平号”空间站控制与推进系统190
5．4．3国际空间站控制与推进系统192
5．4．4控制与推进系统架构194
5．5组装建造系统197
5．5．1组装建造系统简介197
5．5．2“和平号”空间站组装建造198
5．5．3国际空间站组装建造200
5．5．4舱体转位技术202
5．6信息管理系统206
5．6．1信息管理系统简介206
5．6．2国际空间站信息管理系统207
5．6．3信息管理系统架构210
5．7能源系统213
5．7．1能源系统简介213
5．7．2国际空间站能源系统213
5．7．3空间站能源系统设计217
5．8热管理系统219
5．8．1热管理系统简介219
5．8．2热量收集技术219
5．8．3热量传输技术220
5．8．4空间站热管理系统架构222
5．9载人环境系统224
5．9．1载人环境系统简介224
5．9．2舱压控制技术226
5．9．3温湿度控制技术227
5．9．4有害气体净化技术228
5．9．5通风流场控制技术230
5．10应用保障系统232
5．10．1应用保障系统简介232
5．10．2应用保障系统架构233
5．11航天员保障系统238
5．11．1航天员保障系统简介238
5．11．2心理保障技术239
5．11．3医监医保保障技术242
5．11．4休息娱乐保障技术243
5．12运营管理系统246
5．12．1空间站运营管理系统简介246
5．12．2空间站在轨健康管理技术247
5．12．3空间站乘组驻留与轮换技术249
5．12．4空间站货运与补给技术250
参考文献252
第6章载人月球及火星探测技术254
6．1载人月球探测256
6．1．1任务与功能分析256
6．1．2载人登月飞船264
6．1．3载人月面着陆器269
6．1．4月球轨道空间站274
6．1．5月球基地278
6．2载人火星探测290
6．2．1载人火星基地295
6．2．2关键技术分析298
6．3载人深空探测国际合作探讨303
参考文献305
第7章载人交会对接技术307
7．1概述308
7．1．1交会对接技术分类308
7．1．2交会对接系统组成310
7．1．3交会对接技术发展历史与现状311
7．1．4交会对接技术发展趋势322
7．2交会对接发射窗口323
7．2．1发射窗口约束条件323
7．2．2发射窗口设计325
7．3交会对接飞行轨道327
7．3．1目标飞行器轨道设计327
7．3．2追踪飞行器轨道设计328
7．4交会对接相对导航、制导与控制技术330
7．4．1交会对接相对导航330
7．4．2自主控制段制导与控制330
7．4．3撤离段制导与控制331
7．4．4避撞安全方案设计331
7．4．5手动控制交会对接332
7．5对接机构技术333
7．5．1对接机构的组成333
7．5．2对接机构分类334
参考文献336
第8章载人再入返回技术338
8．1地球大气层再入方式341
8．1．1弹道式再入341
8．1．2弹道升力式再入（半弹道式）342
8．1．3升力式再入342
8．2气动外形设计345
8．2．1气动外形技术特点345
8．2．2国外典型气动外形设计347
8．3热防护结构设计349
8．3．1防热结构设计过程351
8．3．2国外热防护结构设计352
8．4制导、导航与控制356
8．4．1制导、导航与控制简介356
8．4．2制导方法及分类357
8．5黑障通信359
8．5．1黑障机理研究359
8．5．2减轻黑障的技术途径361
8．6地面试验验证技术369
8．6．1风洞试验技术简介369
8．6．2高超声速风洞介绍369
8．7技术发展趋势373
参考文献374
第9章载人着陆回收技术375
9．1着陆回收过程377
9．1．1气动减速377
9．1．2着陆/着水缓冲378
9．1．3标位装置379
9．2“神舟”载人飞船着陆回收系统设计381
9．2．1“神舟”载人飞船着陆回收工作特点和设计原则381
9．2．2飞船着陆回收系统的组成382
9．2．3飞船着陆回收系统的工作程序383
9．2．4备份降落伞装置383
9．2．5飞船着陆时反推发动机的工作方式383
9．3国外典型着陆回收技术概况分析385
9．3．1国外典型着陆回收技术概况385
9．3．2典型着陆回收设计方案比较分析390
9．4大型群伞技术398
9．4．1伞衣面积399
9．4．2多级开伞措施399
9．4．3降落伞的打开方式400
9．4．4多伞同步充气技术401
9．4．5群伞减速系统仿真技术403
9．5可控翼伞技术404
9．5．1大型翼伞的收口、包装技术404
9．5．2翼伞结构设计及载荷分析的仿真技术405
9．5．3伺服控制技术405
9．5．4归航飞行动力学仿真技术405
9．5．5归航路径控制技术405
9．5．6逆风着陆技术405
9．5．7雀降技术406
9．6大载重缓冲气囊技术407
9．6．1气囊充气展开过程研究407
9．6．2缓冲过程数值仿真技术407
9．6．3着陆缓冲过程控制技术408
9．7着陆支撑机构技术409
9．7．1着陆支撑机构轻质化技术409
9．7．2着陆支撑机构减震技术409
9．7．3着陆支撑机构展开技术410
9．7．4着陆支撑机构热防护技术410
9．8水上溅落回收技术411
9．9着陆回收大型试验技术412
9．9．1空投试验技术412
9．9．2大型地面试验技术413
9．10技术发展趋势414
参考文献416
第 10章应急救生技术417
10．1应急救生技术概述418
10．2发射段大气层内救生轨道设计422
10．2．1“阿波罗”飞船的救生轨道设计422
10．2．2“神舟”载人飞船待发段及发射段的应急救生425
10．2．3零高度逃逸指标分析426
10．3发射段大气层外救生轨道设计429
10．4运行段应急救生方案431
10．4．1运行段应急返回着陆区431
10．4．2着陆场的气象保障431
10．4．3提前或推迟返回方案432
10．4．4弹道式再入返回方案432
10．4．5自主应急返回方案433
10．4．6手控半自动返回方案434
10．5自逃逸方案介绍435
10．5．1逃逸系统构型436
10．5．2中止和飞行的工作程序436
10．5．3逃逸系统方案437
10．5．4返回舱自逃逸方案比较分析439
10．6应急救生方案验证441
10．6．1零高度逃逸救生飞行试验441
10．6．2逃逸救生仿真试验441
参考文献443
第 11章推进剂在轨补加技术444
11．1在轨补加技术的概念和内涵445
11．2补加技术发展概况446
11．2．1俄罗斯446
11．2．2美国449
11．2．3加拿大453
11．2．4日本454
11．2．5中国455
11．3在轨补加技术的分类457
11．3．1直接加注方式457
11．3．2推进模块更换方式459
11．4在轨补加技术的基本原理461
11．5在轨补加系统的组成和基本方案463
11．5．1补加系统配置463
11．5．2补加系统方案464
11．5．3补加流程466
11．5．4补加飞控实施468
11．6补加地面验证470
11．6．1地面试验分类470
11．6．2系统级试验工作要点471
参考文献473
第 12章组合体管理与控制技术474
12．1概述475
12．2组合体管理与控制技术原理476
12．2．1组合体姿态轨道控制技术476
12．2．2组合体载人环境控制技术477
12．2．3组合体能源管理技术477
12．2．4组合体信息管理技术478
12．3组合体管理与控制技术验证479
12．3．1地面验证技术479
12．3．2在轨验证482
参考文献485
第 13章载人航天器维修性技术486
13．1概述487
13．1．1维修性概念487
13．1．2维修性设计的必要性487
13．1．3载人航天器在轨维修的特点488
13．1．4维修性设计与系统设计的关系488
13．1．5维修性与可靠性的关系490
13．1．6维修性与安全性的关系490
13．2工程研制各阶段维修性工作491
13．3维修性要求493
13．3．1维修性定性要求493
13．3．2维修性定量要求494
13．3．3确定维修性要求的过程495
13．4维修性模型496
13．5维修性分配498
13．6维修性预计499
13．7维修性分析500
13．8维修性设计505
13．8．1维修性设计原则505
13．8．2识别维修需求505
13．8．3制定维修策略507
13．8．4ORU确定方法508
13．8．5标准化、通用化、模块化设计508
13．8．6供电和信息隔离设计510
13．8．7可维修接口设计510
13．8．8设备更换和维修后的标定511
13．8．9不工作状态（在轨储存备件和备份）的维修性设计511
13．8．10维修工具设计512
13．8．11维修工作模式设计515
13．9维修性验证517
13．9．1虚拟仿真验证517
13．9．2地面模拟试验验证519
13．9．3在轨飞行验证520
13．10维修性信息521
13．11国际空间站维修性522
13．12维修案例524
参考文献527
第 14章空间机械臂应用技术528
14．1空间机械臂应用简介529
14．1．1空间机械臂发展历史529
14．1．2机械臂应用现状530
14．2空间机械臂应用设计基础538
14．2．1机械臂运动学538
14．2．2机械臂动力学539
14．2．3感知与控制技术540
14．2．4空间环境适应技术543
14．2．5天地协同控制与示教技术544
14．3空间机械臂应用设计与验证546
14．3．1空间机械臂应用任务546
14．3．2空间机械臂应用设计约束548
14．3．3机械臂应用设计要素551
14．3．4空间机械臂应用系统构成552
14．3．5机械臂操作控制模式设计556
14．3．6空间机械臂应用验证558
14．4空间机械臂典型应用案例559
14．5空间机械臂应用技术发展展望562
参考文献563
第 15章载人环境控制与生命保障技术565
15．1环境控制与生命保障技术范畴566
15．2环境控制与生命保障技术简述569
15．2．1供气调压技术569
15．2．2通风流场控制技术570
15．2．3大气温湿度控制技术570
15．2．4大气净化技术570
15．2．5水管理技术571
15．2．6大小便收集技术571
15．2．7火灾监测与灭火技术571
15．2．8微生物控制技术571
15．2．9辐射防护技术572
15．2．10噪声防护技术572
15．2．11废弃物管理技术572
15．2．12出舱活动环境控制技术572
15．3中短期驻留载人航天器环境控制与生命保障技术573
15．3．1中短期驻留载人航天器环控生保系统组成573
15．3．2供气调压574
15．3．3通风流场575
15．3．4空气成分576
15．3．5温湿度578
15．3．6水管理579
15．3．7烟火监测及灭火580
15．3．8废弃物580
15．3．9微生物582
15．3．10出舱活动环境支持与生命保障技术583
15．4长期驻留载人航天器环境控制与生命保障技术587
15．4．1长期驻留载人航天器的特点587
15．4．2长期驻留载人航天器环控生保技术588
15．5载人环境控制与生命保障系统地面验证技术599
15．5．1单项环境功能验证试验599
15．5．2载人环境系统试验600
15．6未来环境控制与生命保障技术展望603
参考文献604
第 16章出舱活动技术605
16．1出舱活动技术概述606
16．1．1出舱活动任务607
16．1．2出舱功能设计概述613
16．2气闸舱系统设计614
16．2．1气闸舱系统设计要素614
16．2．2气闸舱空间、布局设计615
16．2．3泄复压系统设计615
16．3舱外服支持接口设计要素618
16．4舱外活动支持方式与设施设计620
16．4．1设计要素620
16．4．2舱外活动支持方式与设施设计621
16．5舱外活动舱载支持系统624
16．5．1设计要素624
16．5．2视频监视系统设计625
16．5．3通信系统设计625
16．5．4照明系统设计625
16．6出舱活动程序设计626
16．6．1出舱前准备阶段626
16．6．2出舱过闸阶段628
16．6．3舱外活动阶段628
16．6．4返回过闸阶段628
16．6．5返回状态恢复阶段628
16．7出舱活动安全性设计629
16．8出舱活动技术的掌握630
16．8．1仿真分析630
16．8．2水槽训练631
16．8．3在轨训练632
参考文献633
第 17章载人航天新技术探索634
17．1可重复使用技术635
17．1．1可重复使用技术发展概况635
17．1．2可重复使用关键技术636
17．2在轨货物下行技术639
17．2．1半刚性机械展开下行技术640
17．2．2充气展开式下行技术642
17．3新型推进技术645
17．3．1低温推进技术645
17．3．2核能推进646
17．4受控生保技术648
17．4．1国内外研究进展648
17．4．2存在的问题及未来研究方向653
17．5载人航天新材料技术654
17．5．1轻质材料654
17．5．2柔性材料655
17．5．3耐极端环境材料655
17．5．4特殊材料656
17．6载人航天器数字化研制技术657
17．6．1载人航天器系统仿真技术657
17．6．2载人航天器三维数字化设计660
17．6．3载人航天器自动化测试662
参考文献665
英文缩略语666
索引669