本书主要介绍航天器结构与机构的设计与验证，包括设计与验证的基础知识及产品研制过程中的经验总结。全书共14章，分为3大部分，第一部分为航天器结构与机构设计的基础理论与共性知识，包括绪论、环境与载荷、结构材料。第二部分为航天器结构设计与验证，包括航天器结构设计、航天器承力结构设计、航天器功能结构设计、航天器结构仿真与析、航天器结构试验。第三部分为航天器机构设计，包括航天器机构设计、连接分离机构设计、展开机构设计、太阳翼结构与机构设计、航天器机构仿真分析、航天器机构试验。
1.展现了我国空间科学技术的众多原创性科研成果。
2.反映“互联网+”与航天技术的融合发展。
3.体现我国空间探索和空间应用的科技创新能力。
4.丛书由叶培建院士领衔，孙家栋、闵桂荣、王希季三位院士联袂推荐。
5.力图为研究和设计的人员提供新的设计思路和方法。
柴洪友，研究员，博士生导师，毕业于哈尔滨工业大学航天学院，现任中国空间技术研究院总体部结构与机构专业总工程师，享受国务院政府特殊津贴。长期从事航天器结构与机构的设计与验证工作。全国“五一劳动奖章”获得者，国家国防科技工业有突出贡献中青年专家。
高峰，研究员，毕业于西北工业大学固体力学专业，现任职于中国空间技术研究院总体部，主要从事航天器结构设计与验证工作，主要研究方向为复合材料力学与复合材料。
第 一部分 航天器结构与机构设计的基础理论与共性知识
第 1章 绪论 003
1.1 航天器结构与机构的基本概念 004
1.1.1 航天器结构的基本概念 004
1.1.2 航天器机构的基本概念 005
1.2 航天器结构与机构的功能 006
1.2.1 航天器结构的功能 006
1.2.2 航天器机构的功能 007
1.3 航天器结构与机构的类型 009
1.3.1 航天器结构的类型 009
1.3.2 航天器机构的类型 012
1.4 航天器结构与机构的研制 014
第 2章 环境与载荷 016
2.1 概述 017
2.2 环境 018
2.2.1 地面环境 018
2.2.2 发射环境 021
2.2.3 再入环境 023
2.2.4 近地空间环境 024
2.2.5 深空探测环境 028
2.3 载荷条件 030
2.3.1 载荷类型 030
2.3.2 载荷来源 032
2.4 载荷分析 036
2.4.1 概述 036
2.4.2 静态载荷分析 038
2.4.3 正弦振动载荷分析 041
2.4.4 随机振动载荷分析 042
2.4.5 噪声载荷分析 044
2.4.6 冲击载荷分析 046
第3章 结构材料 048
3.1 概述 049
3.2 结构材料的性能要求 050
3.2.1 基本性能要求 050
3.2.2 地面环境适应性要求 051
3.2.3 空间环境适应性要求 052
3.2.4 特殊工作环境适应性要求 054
3.3 结构材料的选择 055
3.3.1 材料选择原则 056
3.3.2 选材的分析方法 057
3.3.3 材料性能指数 058
3.3.4 对材料的性能评估 060
3.4 常用材料的应用 062
3.4.1 金属材料 062
3.4.2 复合材料 064
3.4.3 胶黏剂 064
3.5 新材料的应用 066
3.5.1 镁锂合金 066
3.5.2 金属基复合材料 066
3.5.3 碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料 067
3.5.4 形状记忆合金 067
3.5.5 可刚化材料 067
3.5.6 功能复合材料 068
第二部分 航天器结构设计与验证
第4章 航天器结构设计 071
4.1 航天器结构设计特点和原则 072
4.1.1 结构设计的特点 073
4.1.2 结构设计的原则 074
4.2 航天器结构设计技术要求 077
4.2.1 理解技术要求 077
4.2.2 功能要求 078
4.2.3 性能要求 079
4.2.4 约束条件 080
4.3 航天器结构研制流程 081
4.3.1 研制阶段划分 081
4.3.2 技术成熟度划分 082
4.3.3 典型航天器的结构研制流程 083
4.4 航天器结构的方案设计 088
4.4.1 结构构型设计 088
4.4.2 结构方案设计内容 090
4.5 航天器结构的详细设计 092
4.5.1 结构详细设计内容 092
4.5.2 结构详细设计规范 094
4.6 航天器结构设计的验证 098
4.6.1 验证定义 098
4.6.2 验证目的 099
4.6.3 验证方法 100
4.6.4 试验验证的责任 101
4.6 .5 主动与被动验证 102
4.6.6 提高验证效费比 102
第5章 航天器承力结构设计 107
5.1 板式结构 108
5.1.1 概述 108
5.1.2 蜂窝夹层板的结构特性及表征 108
5.1.3 蜂窝夹层板的设计要求 112
5.1.4 蜂窝夹层板的常用材料及规格 113
5.1.5 蜂窝夹层板结构设计 115
5.1.6 蜂窝夹层板的连接设计 118
5.1.7 板式框架结构的设计 125
5.1.8 板式结构技术发展 129
5.2 杆系结构 131
5.2.1 概述 131
5.2.2 功能 132
5.2.3 设计要求 133
5.2.4 杆系结构的基本形式 134
5.2.5 杆系结构的设计 134
5.2.6 杆系结构的优化 141
5.2.7 杆系结构的应用 144
5.3 承力筒结构 149
5.3.1 承力筒结构的功能及特点 149
5.3.2 承力筒构型 150
5.3.3 强度设计 152
5.3.4 刚度设计 154
5.3.5 接口设计 154
5.3.6 筒体设计 155
5.3.7 框设计 157
5.3.8 连接设计 160
5.3.9 承力筒分析 162
5.3.10 承力筒结构技术发展 165
第6章 航天器功能结构设计 167
6.1 密封结构 168
6.1.1 概述 168
6.1.2 密封舱结构功能及形式 169
6.1.3 壳体结构设计与分析 171
6.1.4 密封接口设计 177
6.1.5 密封结构验证试验 184
6.1.6 密封结构技术发展 185
6.2 防热结构 187
6.2.1 概述 187
6.2.2 辐射防热结构 189
6.2.3 烧蚀防热结构 194
6.2.4 防热结构试验验证 198
6.2.5 防热结构的技术发展 202
6.3 高稳结构 203
6.3.1 概述 203
6.3.2 结构稳定性影响因素 204
6.3.3 高稳结构设计指标 205
6.3.4 高稳结构设计 206
6.3.5 高稳结构分析 209
6.3.6 高稳结构试验验证 213
第7章 航天器结构仿真分析 217
7.1 概述 218
7.2 结构分析模型的建立 219
7.2.1 结构理想化 219
7.2.2 有限元模型建立 220
7.2.3 有限元模型检验 222
7.3 结构静力分析 225
7.3.1 基本方程 226
7.3.2 建模要求 227
7.3.3 分析内容 229
7.3.4 结果评价 229
7.4 模态分析 231
7.4.1 基本方程 232
7.4.2 建模要求 233
7.4.3 分析内容 233
7.4.4 结果评价 234
7.5 正弦振动分析 235
7.5.1 基本方程 235
7.5.2 建模要求 237
7.5.3 分析内容 238
7.5.4 结果评价 238
7.6 随机振动分析 240
7.6.1 基本方程 240
7.6.2 简化分析 241
7.6.3 模型要求 242
7.6.4 结果评价 242
7.7 噪声响应分析 244
7.7.1 有限元/边界元法 244
7.7.2 统计能量法 245
7.7.3 方法比较 247
7.8 航天器结构分析实例 249
第8章 航天器结构试验 254
8.1 概述 255
8.2 结构试验要求 256
8.2.1 试验一般要求 256
8.2.2 试验程序 259
8.2.3 试验件合格判据 260
8.3 试验质量控制 262
8.4 静力试验 265
8.4.1 试验目的 265
8.4.2 边界条件 266
8.4.3 加载方式 266
8.4.4 载荷工况 268
8.4.5 试验预示分析 268
8.4.6 试验结果评估 269
8.5 正弦振动试验 271
8.5.1 试验目的 271
8.5.2 试验件状态 272
8.5.3 试验边界 272
8.5.4 试验条件 272
8.5.5 试验控制 273
8.5.6 试验结果评价 275
8.6 卫星结构试验验证实例 276
第三部分 航天器机构设计与验证
第9章 航天器机构设计 281
9.1 航天器机构设计的特点和原则 282
9.1.1 航天器机构设计特点 282
9.1.2 航天器机构设计原则 283
9.2 航天器机构设计的技术要求 285
9.2.1 航天器总体要求 285
9.2.2 功能及性能要求 287
9.2.3 电气与电子设计要求 289
9.2.4 材料与工艺要求 289
9.2.5 空间环境防护设计要求 289
9.2.6 力/力矩裕度设计要求 290
9.3 航天器机构的润滑设计 294
9.3.1 润滑设计的要求 295
9.3.2 固体润滑设计 296
9.3.3 液体润滑设计 297
9.4 航天器机构设计流程 298
9.4.1 全过程设计流程 298
9.4.2 设计阶段及设计活动描述 298
第 10章 连接分离机构设计 301
10.1 概述 302
10.2 连接与分离机构设计 304
10.2.1 连接机构设计 304
10.2.2 分离机构设计 305
10.2.3 火工装置的使用 305
10.3 连接与分离装置 306
10.3.1 火工装置 306
10.3.2 非火工装置 317
10.4 连接与分离机构分析 322
10.4.1 连接的预紧力分析 322
10.4.2 分离运动分析 324
10.5 连接与分离机构系统典型应用 326
10.5.1 部件连接与分离机构 326
10.5.2 舱段连接与分离机构 328
10.5.3 星箭连接与分离机构 330
10.6 在轨服务对接与分离机构 334
10.6.1 基本概念 334
10.6.2 在轨服务对接与分离机构设计 335
10.6.3 在轨服务对接与分离机构设计实例 336
第 11章 展开机构设计 340
11.1 概述 341
11.2 展开机构的分类与组成 342
11.2.1 展开机构分类 342
11.2.2 展开机构的组成 347
11.3 展开机构设计 348
11.3.1 展开力矩(力) 裕度 348
11.3.2 展开过程的控制 349
11.3.3 展开位置或形状的锁定 349
11.3.4 收拢功能的设计 349
11.3.5 展开锁定时的冲击载荷 350
11.3.6 机构中结构件的刚度 351
11.3.7 展开位置的测定 352
11.3.8 展开运动的分析 352
11.4 典型锁定铰链 353
11.4.1 凸轮式锁定铰链 353
11.4.2 插销式锁定铰链 354
11.4.3 精密锁定装置 356
11.5 典型展开机构 360
11.5.1 折铰式展开机构 360
11.5.2 构架式展开机构 364
11.5.3 背架式展开机构 370
11.5.4 套筒式展开机构 373
11.6 新型展开机构 376
11.6.1 新型展开机构概述 376
11.6.2 基于形状记忆材料的展开机构 376
11.7 展开机构的发展趋势 379
第 12章 太阳翼结构与机构设计 383
12.1 概述 384
12.2 产品组成 389
12.3 太阳翼结构 393
12.3.1 支撑结构 393
12.3.2 连接结构 397
12.4 太阳翼机构 399
12.4.1 压紧释放机构 400
12.4.2 展开锁定机构 403
12.4.3 展开联动机构 413
12.4.4 展开缓冲机构 415
12.4.5 展开时序控制 417
12.5 太阳翼结构与机构的试验验证 423
12.5.1 部件级试验 423
12.5.2 整翼级试验 428
12.6 新型太阳翼结构与机构 430
第 13章 航天器机构仿真分析 433
13.1 概述 434
13.2 机构仿真分析的目的与要求 436
13.2.1 机构运动学仿真分析 436
13.2.2 机构动力学仿真分析 437
13.2.3 机电一体化仿真分析 438
13.3 机构仿真分析方法 440
13.3.1 概述 440
13.3.2 机构运动学分析方法 442
13.3.3 机构动力学分析方法 444
13.3.4 机电一体化仿真分析方法 447
13.4 机构仿真分析实例 451
13.4.1 太阳翼展开过程分析 451
13.4.2 伺服跟踪机构分析 452
13.5 机构仿真分析技术发展方向 455
第 14章 航天器机构试验 457
14.1 绪论 458
14.2 机构试验矩阵 460
14.2.1 试验方案 461
14.2.2 试验矩阵 461
14.2.3 试验设备和工装 463
14.3 功能和性能试验 464
14.3.1 机构状态检查 465
14.3.2 典型功能和性能试验矩阵 466
14.3.3 典型机构的功能和性能试验 468
14.4 展开试验 471
14.4.1 展开试验的目的 471
14.4.2 重力补偿的方法 472
14.4.3 典型展开试验 476
14.5 环境试验 479
14.5.1 环境试验设计 480
14.5.2 力学环境试验 481
14.5.3 热环境试验 484
参考文献 486
索引 491
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