本书明确了深空探测的内涵，系统地梳理了深空探测的发展历程，前瞻了无人深空探测活动的发展趋势和技术需求。针对这些难点和重点，从深空探测器设计所面临的特殊环境、总体设计、飞行轨道、科学载荷、制导导航与控制、大气减速、测控通信、热控、推进、电源、自主管理、机构、遥操作、地面试验验证等多个方面，对设计方法、设计要素、典型技术、发展展望等内容，结合探月工程和首次火星等任务的工程实践和实例做了系统的阐述和总结。
本书可作为高等院校宇航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。
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。
孙泽洲，研究员，博士生导师，航天深空探测领域专家，现任职于中国空间技术研究院总体部，“嫦娥四号”、火星探测器总设计师。主要从事深空探测项目论证、探测器总体设计等方向的研究工作。主持研制“嫦娥三号”，并成功完成我国首次月面软着陆和巡视探测。曾获国家科学技术进步奖特等奖、国防科学技术奖特等奖等多项奖励。发表核心期刊论文20余篇。
第 1章 概论 001
1.1 深空探测的意义 002
1.2 深空探测发展概况 004
1.2.1 国外深空探测发展概况 005
1.2.2 我国深空探测发展概况 006
1.2.3 深空探测的发展趋势 010
1.3 未来深空探测技术发展需求 012
1.4 展望 015
参考文献 016
第 2章 深空环境特征及其影响 017
2.1 引言 018
2.2 地球空间环境 020
2.2.1 深空探测器面临的主要地球空间环境特征 020
2.2.2 地球空间环境对深空探测器的影响 023
2.3 月球空间环境 026
2.3.1 概述 026
2.3.2 月球辐射环境及其影响 027
2.3.3 月球大气及其影响 031
2.3.4 月壤/月尘及其影响 032
2.3.5 月面地形地貌及其影响 036
2.4 火星空间环境 038
2.4.1 概述 038
2.4.2 火星辐射环境及影响 039
2.4.3 火星大气环境影响 040
2.4.4 火星尘埃环境影响 041
2.4.5 火星表面地形地貌 041
2.4.6 火星的卫星 042
2.5 木星空间环境 043
2.5.1 概述 043
2.5.2 木星强磁场环境 044
2.5.3 木星强辐射带环境 045
2.5.4 木星等离子体环境 045
2.5.5 木星大气环境 045
2.5.6 木星的卫星 046
2.6 金星空间环境 047
2.6.1 概述 047
2.6.2 金星磁场 048
2.6.3 金星大气环境 048
2.6.4 金星表面地形 049
2.7 其他行星际空间环境 051
2.7.1 行星际环境 051
2.7.2 小行星环境 051
2.7.3 彗星环境 052
2.8 展望 054
参考文献 055
第3章 总体设计技术 056
3.1 引言 057
3.2 深空探测器总体设计概述 058
3.2.1 深空探测器任务特点 058
3.2.2 系统任务分析 060
3.2.3 系统总体设计流程 062
3.3 环绕探测类任务总体设计 063
3.3.1 任务分析 063
3.3.2 技术指标分解 065
3.3.3 飞行程序设计 066
3.3.4 关键技术分析 066
3.3.5 设计验证 067
3.4 着陆探测类任务总体设计 068
3.4.1 任务分析 068
3.4.2 技术指标分解 071
3.4.3 飞行程序设计 071
3.4.4 关键技术分析 073
3.4.5 设计验证 074
3.5 巡视探测类任务总体设计 075
3.5.1 任务分析 075
3.5.2 技术指标分解 078
3.5.3 工作程序设计 079
3.5.4 关键技术分析 079
3.5.5 设计验证 080
3.6 采样返回探测类任务总体设计 081
3.6.1 任务分析 081
3.6.2 技术指标分解 087
3.6.3 飞行程序设计 088
3.6.4 关键技术分析 089
3.6.5 设计验证 093
3.7 展望 094
参考文献 095
第4章 轨道设计技术 096
4.1 引言 097
4.2 典型轨道类型 098
4.2.1 月球探测 098
4.2.2 行星探测 099
4.2.3 小行星探测 100
4.2.4 平动点任务 102
4.3 轨道设计过程概述 103
4.4 转移轨道设计 105
4.4.1 直接转移 105
4.4.2 借力飞行 113
4.4.3 深空机动 117
4.4.4 小推力转移 119
4.5 使命轨道设计 136
4.5.1 环绕探测 136
4.5.2 平动点任务 141
4.5.3 交会对接 147
4.6 轨控策略设计 153
4.7 展望 155
参考文献 156
第5章 有效载荷技术 159
5.1 引言 160
5.2 深空探测研究的主要科学问题 162
5.2.1 从系统角度看深空探测的科学问题 162
5.2.2 我国月球和火星探测的科学目标与有效载荷配置 165
5.3 形貌获取技术 172
5.3.1 科学探测任务 172
5.3.2 立体像对获取技术 172
5.3.3 彩色CMOS器件 173
5.3.4 相机系统设计 174
5.3.5 自动曝光技术 176
5.3.6 定标与地面验证试验 178
5.4 元素成分鉴别技术 179
5.4.1 科学探测任务 179
5.4.2 元素成分鉴别原理 179
5.4.3 激发源的选取策略 180
5.4.4 传感器的选取与设计技术 181
5.4.5 系统设计 183
5.4.6 定标与地面验证试验 185
5.5 月基天文观测技术 186
5.5.1 科学探测任务 186
5.5.2 谱段和观测天区选择 187
5.5.3 望远镜设计 187
5.5.4 杂散光抑制 187
5.5.5 定标与地面验证试验 188
5.6 展望 189
参考文献 190
第6章 制导导航控制技术 192
6.1 引言 193
6.2 轨道控制技术 194
6.2.1 深空探测器轨道控制特点 194
6.2.2 大冲量轨道控制策略 195
6.2.3 精确轨道控制 200
6.2.4 轨道控制系统设计 205
6.3 天体进入与着陆GNC技术 209
6.3.1 天体进入与着陆GNC技术特点 209
6.3.2 大气进入控制 210
6.3.3 动力下降控制 211
6.3.4 障碍识别与规避 212
6.3.5 天体进入与着陆GNC系统设计 213
6.4 天体表面巡视GNC技术 219
6.4.1 巡视器GNC特点 219
6.4.2 环境感知 220
6.4.3 位姿确定与估计 222
6.4.4 路径规划 223
6.4.5 运动控制 225
6.4.6 天体表面巡视GNC系统设计 227
6.5 展望 232
参考文献 233
第7章 大气减速技术 234
7.1 引言 235
7.2 气动力与气动热分析 238
7.2.1 空气动力学基本概念 238
7.2.2 大气进入气动问题研究 243
7.2.3 大气进入气动分析与预测 247
7.3 气动热防护设计 258
7.3.1 热防护技术基础理论 258
7.3.2 大气进入热防护技术 263
7.3.3 大气进入热防护设计 267
7.4 大气进入制导与控制设计 275
7.4.1 大气进入制导控制技术 275
7.4.2 大气进入轨道设计 277
7.4.3 大气进入制导与控制设计 282
7.5 降落伞减速设计 284
7.5.1 降落伞减速概述 284
7.5.2 大气进入降落伞技术 287
7.5.3 深空探测器降落伞设计 290
7.5.4 降落伞设计仿真分析 303
7.6 展望 305
参考文献 306
第8章 测控通信技术 307
8.1 引言 308
8.2 深空无线电测量技术 310
8.2.1 深空测距 310
8.2.2 深空测速 312
8.2.3 深空测角 315
8.3 深空射频系统技术 320
8.3.1 射频调制 320
8.3.2 高灵敏度接收 321
8.3.3 高EIRP发射 322
8.3.4 激光通信 323
8.4 深空遥测遥控和数据通信技术 325
8.4.1 数据格式 325
8.4.2 信道编码 328
8.5 深空测控通信系统设计 331
8.5.1 任务分析 331
8.5.2 系统方案 338
8.5.3 仿真与验证 342
8.6 展望 345
参考文献 347
第9章 热控技术 349
9.1 引言 350
9.2 深空热环境特点 351
9.2.1 水星热环境 352
9.2.2 金星热环境 353
9.2.3 月球热环境 354
9.2.4 火星热环境 355
9.2.5 外行星热环境 357
9.3 热控关键技术 359
9.3.1 重力辅助两相流体回路技术 359
9.3.2 水升华器技术 361
9.3.3 可变热导热管技术 364
9.3.4 气凝胶技术 365
9.4 深空探测器热控系统设计 369
9.4.1 国内外典型深空探测器热控系统简介 369
9.4.2 热设计的基本原则 375
9.4.3 热设计 376
9.4.4 热分析 379
9.4.5 地面模拟试验 384
9.5 展望 389
参考文献 391
第 10章 推进技术 393
10.1 引言 394
10.2 推进系统分类 395
10.2.1 冷气推进 395
10.2.2 化学推进 396
10.2.3 电推进 406
10.2.4 新概念推进 411
10.3 深空探测推进系统设计与验证 415
10.3.1 任务分析 415
10.3.2 推进系统选型 419
10.3.3 方案设计 420
10.4 展望 430
参考文献 432
第 11章 电源技术 434
11.1 引言 435
11.2 太阳电池技术 436
11.2.1 光谱匹配 436
11.2.2 防尘技术 439
11.3 MPPT技术 441
11.3.1 MPPT基本原理 441
11.3.2 MPPT实现方式 442
11.3.3 MPPT拓扑结构 444
11.4 锂离子蓄电池技术 446
11.4.1 锂离子蓄电池概述 446
11.4.2 锂离子电池的耐低温技术 447
11.5 空间核电源 452
11.5.1 空间核电源概述 452
11.5.2 RTG技术 453
11.5.3 核反应堆电源 456
11.6 深空电源系统设计 462
11.6.1 任务分析 462
11.6.2 太阳电池阵设计 467
11.6.3 蓄电池组设计 469
11.6.4 电源控制器设计 471
11.6.5 电源系统设计示例 471
11.7 展望 477
参考文献 479
第 12章 自主管理技术 482
12.1 引言 483
12.2 自主管理技术概述 484
12.2.1 自主运行体系结构 485
12.2.2 体系结构及其组件 485
12.2.3 故障检测和诊断 488
12.2.4 规划和调度 491
12.3 深空探测器自主管理技术 496
12.3.1 火星车自主能力发展历程 497
12.3.2 火星车自主管理技术需求分析 498
12.3.3 火星车自主管理实现方案框架 505
12.3.4 火星车自主任务规划 507
12.4 展望 511
参考文献 512
第 13章 机构技术 514
13.1 引言 515
13.2 着陆缓冲机构 516
13.2.1 着陆缓冲机构的功能及组成特点 517
13.2.2 着陆缓冲机构设计与验证 519
13.3 巡视器转移机构 529
13.3.1 巡视器转移机构的功能及组成特点 530
13.3.2 巡视器转移机构设计与验证 532
13.4 巡视器移动机构 539
13.4.1 巡视器移动机构的功能及组成特点 539
13.4.2 巡视器移动机构设计与验证 541
13.5 取样机构 554
13.5.1 样品取样机构的功能及组成特点 554
13.5.2 样品取样机构设计与验证 557
13.6 展望 567
参考文献 568
第 14章 遥操作技术 569
14.1 引言 570
14.2 巡视器的遥操作 572
14.2.1 遥操作与遥科学 573
14.2.2 空间环境下遥操作的特点 573
14.2.3 空间环境下遥操作的分类 574
14.2.4 地外天体表面巡视器遥操作 574
14.3 国外巡视器遥操作技术发展情况 576
14.3.1 苏联月面巡视器“月球车”的遥操作 576
14.3.2 美国载人月面巡视器LRV的遥操作 577
14.3.3 美国火星巡视器“索杰纳”的遥操作 577
14.3.4 美国火星巡视器MER的遥操作 578
14.3.5 美国火星巡视器MSL的遥操作 581
14.4 巡视探测器遥操作系统任务分析 582
14.5 遥操作系统关键技术 584
14.5.1 绝对定位与相对定位技术 584
14.5.2 图像信息融合技术 585
14.5.3 任务规划 588
14.5.4 路径规划 590
14.5.5 机械臂规划 590
14.6 遥操作系统实现与实施 593
14.6.1 系统功能与组成 593
14.6.2 系统框架 594
14.6.3 操作实施流程 595
14.6.4 控制指令生成系统 597
14.6.5 数字仿真系统 597
14.6.6 物理仿真系统 597
14.7 展望 599
参考文献 600
第 15章 地面试验验证技术 602
15.1 引言 603
15.2 技术发展现状 604
15.2.1 气动减速环节试验技术 604
15.2.2 动力减速环节试验技术 612
15.2.3 软着陆环节验证技术 614
15.2.4 起飞环节验证技术 618
15.3 需求分析 621
15.3.1 试验规划原则 621
15.3.2 验证试验需求 621
15.4 试验验证技术 625
15.4.1 气动减速环节试验技术 625
15.4.2 动力减速、软着陆及起飞环节验证技术 633
15.5 展望 653
参考文献 654
索引 656
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