本书全面介绍了国际航天器电源领域的技术和发展现状,涵盖了整个电源系统的主要内容,包括设计、分析和使用的各个方面,以及能量转换、能量存储、功率调节、能量管理和运行操作的基础知识。这些都对工程技术人员在进行航天器电源系统设计和使用时有所帮助。同时,本书针对具体航天器列举出了一些数据和曲线的代表值或平均值,可供参考。
第1篇电源系统综述
第1章卫星概述
1.1简介
1.2卫星系统
1.2.1通信和数据处理系统
1.2.2姿态和轨道控制系统
1.2.3跟踪、 遥测和指令系统
1.2.4电源系统
1.2.5热控系统
1.2.6结构和机械系统
1.2.7推进系统
1.3地球轨道分类
1.3.1地球静止轨道
1.3.2地球同步轨道
1.3.3大椭圆轨道
1.3.4近地球轨道
1.3.5太阳同步轨道
1.4轨道力学
1.5卫星稳定法
1.5.1重力梯度
1.5.2磁稳定
1.5.3自旋稳定
1.5.4三轴稳定
1.6发射和转移轨道
1.7运行轨道
1.8地球的地影
1.8.1范例
1.9月亮的月影
1.10光通量
1.11β角
1.12航天器的质量
参考文献
第2章近地空间环境
2.1简介
2.2发射和转移轨道环境
2.3在轨环境
2.3.1失重和真空
2.3.2磁场
2.3.3流星体和空间碎片
2.3.4原子氧
2.3.5带电粒子
2.4范艾伦辐射带
2.5太阳风与太阳耀斑
2.6地磁暴
2.7核威胁
2.8总辐射量
参考文献
第3章电源系统的选择
3.1简介
3.2原电池
3.3燃料电池
3.4太阳光伏电池
3.5太阳能聚光器——动力电源系统
3.6核热电
3.7核动力或化学动力
3.8其他系统
3.8.1光伏热(TPV)
3.8.2太阳—热电
3.8.3热离子
3.8.4碱金属热电转换器
3.9技术选项比较
3.10系统电压的选择
3.11功率水平
参考文献
第4章太阳电池阵-蓄电池电源系统
4.1简介
4.1.1太阳电池阵
4.1.2电池组
4.1.3功率调节
4.2电源系统结构体系
4.2.1直接能量传输
4.2.2峰值功率跟踪
4.3全调节母线
4.3.1太阳电池阵
4.3.2太阳电池阵驱动装置
4.3.3分流器
4.3.4电池组
4.3.5功率调节单元
4.3.6功率分配单元
4.3.7母线电压控制器
4.3.8模式控制器
4.3.9蓄电池组母线
4.3.10功率和能量管理软件
4.3.11负载
4.3.12地面电源
4.4母线电压控制
4.5控制电路
4.5.1模拟控制电路
4.5.2数字控制电路
4.5.3模-数混合控制
4.6部分调节母线
4.7全调节母线与部分调节母线
4.8峰值功率跟踪
4.9功率调节系统的拓扑结构
4.10国际空间站160~120 V母线
4.11大型通信卫星母线
4.11.1100 V母线
4.11.270 V母线
4.11.350 V以下母线
4.12小卫星母线
4.13微型卫星母线
参考文献
第5章环境影响
5.1简介
5.2太阳电池阵衰减
5.3太阳电池阵的静电放电
5.4电源电子器件损伤
5.5对其他元件的影响
5.6原子氧作用下的质量损失
5.7微流星体和太空碎片撞击
5.8预测损伤
参考文献
第6章电源系统需求
6.1简介
6.2自身需求
6.3系统规范
第7章电源系统设计和迭代过程
7.1简介
7.2航天器级迭代
7.3电源系统迭代
7.3.1太阳电池迭代
7.3.2太阳电池阵迭代
7.3.3电池组迭代
7.3.4母线电压迭代
7.3.5火工品电源迭代
7.4负载功率概况
7.5太阳电池阵尺寸
7.6电池组尺寸
7.7功率流分析
7.8设计分析表
7.9最恶劣情况下的误差裕度
7.10设计过程阶段
7.11大事记:从工厂到轨道
7.12电源系统超寿命期的功能
……
序
1957年,苏联发射了第一颗人造卫星并成功进入低地球轨道。随后的几十年中,美国发射了大量的地球轨道卫星用于空间探索计划。第一枚商用地球同步轨道卫星——国际通信卫星1号(SputnikⅠ)于1965年成功入轨。之后的1969年,NASA的阿波罗11号(Apollo11)成为第一艘登上月球的载人航天器。此后,许多国家都相继成功地开展了大大小小的空间计划。2003年,太空迎来了第一位游客,同年,中国首次实现了载人航天飞行,成为继俄罗斯和美国之后的第三个将人送上太空的国家。2004年,美国总统布什宣布了新的太空行动计划,拟于2015年重返月球,随后奔向火星。同年,中国和印度分别宣布将计划于2010年发射无人航天器登陆月球。在商用方面,目前的全球通信技术的发展已经使得卫星成为国家基础建设中不可缺少的重要部分。当今世界,已经有很多国家都拥有发射卫星和操控卫星的能力。
过去,美国政府为空间产业的发展提供了大量经费,而通信卫星却受控于非政府的市场化运作方式。20世纪90年代,个人通信系统的发展、遥感范围的扩充以及允许出售遥感数据都可视为空间产业发展的里程碑。在2000年的国际通信卫星市场中,28颗卫星的成本是120亿美元,其中约有50%份额流向一些美国公司,此外还有发射保险费用以及约占发射和卫星成本7%~15%的一年内轨道修正费用。据美国航天部门称,2003年的发射次数为90次,2012年预计为150次。这些计划象征着商用市场的进一步扩大。产业的发展推动着技术的发展。随之而来新的商业机会也会迅速出现,未来航天工业也会依托这些商业得到发展。
预计在2012~2015年期间发射的美国空军第三代GPS很可能是今后20年内最大的防御卫星计划之一。它将拥有30颗卫星,估计耗资50亿美元。新的大规模商用卫星,如欧洲的伽利略(Galileo)导航计划将有多个国家参与,其中极有可能会航天器电源系统包括中国。一些科学任务也继续为我们提供新的宇宙知识。仅在2001年的春天,夏威夷的凯克(Keck)望远镜、法国的普罗旺斯天文台(Haute-ProvenceObservatory)和智利的欧洲南方天文台(EuropeanSouthernObservatory)共发现了11颗新行星,从而使人类发现的其他恒星系中的行星总数达100颗之多。最近,科学家们发现了一个同我们的太阳系非常相似的恒星系。仅在我们所处的太阳系,就发现了39颗木星卫星、30颗土星卫星,同时还发现了火星表面以下储藏着大量的冰。
商用和科学卫星在当今世界都占据着重要的地位,因而优化它们的技术性能并最终提高投资者的回报便显得尤为重要。卫星上都有着特定的资源——科学卫星上的仪器设备和通信卫星上的带宽,它们都需要电源。由此,本书重点针对科学、商用、国防等各应用领域的地球轨道、太阳系、深空探测等各类航天器电源系统的设计、性能和应用进行讨论。
航天器电源系统的设计随着系统元器件的发展和进步得到了快速发展。本书提供了渐进而深入的电源系统的数据和设计过程,以满足低成本、轻质量的航天器任务要求。2002年卫星的平均发射费用低地球轨道为10000美元/kg,地球同步轨道为50000美元/kg。因此,电源系统的质量大小是设计时需要考虑的一个重要因素,电源设计时卫星任一部件细微的改变,都会对卫星整体造成某种不利影响,因此设计必须做到整体优化,以减小这些不利因素的影响。同时,工程技术人员应尽可能地应用最新的技术。卫星系统犹如一张蜘蛛网,牵一发而动全身,电源系统中的一个元器件的很小变化也可能会对卫星总体性能产生影响。所以,即使是针对传统的卫星最优设计,电源系统工程师所要考虑的问题也不仅仅是太阳电池阵和蓄电池。考虑到1998~2002年期间所发射的商用地球同步轨道卫星中,有1/4都存在电源问题,这些在轨运行问题产生的保险索赔额占据了60%的产业保险索赔额,卫星的电源设计就显得更加重要。
本书作者是航天器电源系统行业的一位公认专家。本书能为航天工程技术人员和管理人员提供包括航天器电源设计、研发、测试以及使用的可信赖的信息,所提供的详细资料还有助于工程技术人员在这一快速发展的行业范畴内保持领先地位。
亚得里(Yardley)
于宾夕法尼亚州
当我看到《国家出版基金项目:航天器电源系统》这本书时,我的脑海中立刻浮现出那些在太空中孤独航行的探测器,以及那些在轨道上运行的空间站。这些庞大而复杂的机械体,如果没有一个强大而可靠的“心脏”,就无法完成它们各自的使命。这本书的标题,直接点明了核心的技术主题,让我对能够深入了解航天器电源系统的工作原理充满了期待。我一直对那些看似微不足道却至关重要的技术细节感到着迷。比如,在极端温度变化的环境下,电源元件如何保持其稳定性?在宇宙射线轰击下,电子元器件又如何做到防护?书中是否会介绍各种不同类型电源系统的优缺点,以及在不同任务场景下的选型考量?我希望这本书能够提供详尽的案例分析,例如,分析“旅行者”号探测器的放射性同位素热电机(RTG)为何能提供如此持久的能量,或者国际空间站的太阳能电池板是如何设计才能最大化地捕获太阳能。
评分作为一个对科技进步怀有高度热情的人,我对《国家出版基金项目:航天器电源系统》这本书的关注,更多地来自于它所代表的技术前沿性。航天器的电源系统,不仅仅是提供能量的装置,更是决定着航天任务的持续时间、探测能力、甚至探索范围的关键。想象一下,如果一个前往冥王星的探测器,其电源只能维持几年,那么它将永远无法完成漫长的旅程;如果一个载人空间站的电源系统不够稳定,那么宇航员的生命安全将时刻受到威胁。因此,这本书所涵盖的内容,必然涉及到最尖端的能源转换、存储和管理技术。我非常期待能够了解最新的固态电池技术在航天领域的应用前景,以及下一代核反应堆在深空探测任务中的潜力。书中是否会探讨能量收集和再生的创新方法,比如利用航天器自身运动的能量?这些都是我非常感兴趣的方面,因为它们直接关系到人类未来探索宇宙的边界。
评分这本《国家出版基金项目:航天器电源系统》的书名一出来,就激起了我内心深处对浩瀚宇宙的无限遐想,以及对人类探索未知最前沿科技的敬意。作为一名业余的航空航天爱好者,我一直对那些能够支撑宇航员在太空中生存、让探测器远赴星辰大海的“心脏”——电源系统——充满了好奇。想象一下,在真空、极寒、强辐射的恶劣环境中,任何一点微小的能源供应中断,都可能意味着整个任务的失败,甚至宇航员的生命安全。这本书的标题,就像一把钥匙,似乎能打开我一直以来对航天器能源奥秘的求知之门。我尤其期待书中能够深入浅出地阐述各种电源技术的原理,比如太阳能帆板是如何捕捉微弱的太阳光能并转化为电能的?核动力系统又是在怎样的严谨设计下,才能在太空中安全可靠地运行,为远距离探测任务提供源源不断的动力?微型化、高效化、长寿命,这些是航天器电源系统必须面对的挑战,我想这本书肯定会对这些难题给出一个令人信服的解答。
评分《国家出版基金项目:航天器电源系统》这个书名,像一个闪耀着智慧光芒的灯塔,指引着我对航天科技深处奥秘的探索。作为一名业余爱好者,我深知航天器电源系统的重要性,它好比是航天器的生命线,关乎着每一次发射的成功、每一次太空行走的保障、每一次遥远探测任务的实现。我对于书中可能包含的各种前沿技术充满了好奇,例如,书中是否会深入解析高效的太阳能电池材料,如钙钛矿或多结电池,它们是如何被应用于航天器上的?对于深空探测任务,是否会重点介绍放射性同位素热电发生器(RTG)的工作原理及其在极远距离任务中的无可替代性?我更希望书中能够探讨电源系统的可靠性设计和冗余机制,因为在太空中,任何一个小的故障都可能导致灾难性的后果,因此,多重备份和故障诊断技术必然是重中之重。
评分《国家出版基金项目:航天器电源系统》这个书名,如同一扇通往太空科技殿堂的大门,向我展示了航天器得以在遥远而严酷的环境中运转的终极秘密。我一直对那些能够驱动人类文明走向宇宙的力量感到着迷,而电源系统无疑是其中最为基础也最为关键的一环。我希望这本书能详尽地阐述各种电源技术的原理和发展历程,例如,从最基础的太阳能电池板的材料选择和效率提升,到更先进的热电转换技术,再到为深空探测任务提供动力的核动力系统。书中是否会深入探讨电源系统在面对太空辐射、极端温度、真空环境等挑战时所采取的防护和冗余设计?我也非常想了解,工程师们是如何在有限的体积和重量内,设计出既高效又持久的电源解决方案的。
评分这本书的书名《国家出版基金项目:航天器电源系统》,一下子就吸引了我,因为它触及了航天科技中最核心、最基础也最令人着迷的部分。航天器的每一次远航,每一次精确的变轨,每一次对遥远星系的观测,都离不开一个稳定而强大的能源供给。我一直对那些能够将太阳光转化为电能的巨大的太阳能帆板,以及那些为深空探测任务提供源源动力的小型核反应堆充满了好奇。我希望这本书能够深入浅出地解读这些复杂的技术,比如,太阳能电池板的材料是如何选择的,它们在太空中是如何工作的,又如何抵御宇宙射线的影响?而对于核动力系统,书中是否会详细介绍其安全性设计和能量转化机制?更重要的是,我期待这本书能够展现出工程师们在克服空间环境的严酷考验、实现能源的高效利用和长久供给方面所付出的努力和智慧。
评分《国家出版基金项目:航天器电源系统》这个书名,立刻点燃了我对航天科技核心技术的浓厚兴趣。航天器,这个人类科技的集大成者,其长途跋涉、精准作业的背后,无不依赖着一个强大的“能量心脏”。作为一名对太空探索充满向往的普通读者,我对这些能量是如何产生、如何储存、如何分配的充满了好奇。我非常期待书中能够详尽地解析各种电源技术,例如,太阳能帆板在不同角度和光照强度下如何调整姿态以最大化能量捕获?微型化、高比能的锂离子电池在航天器内部扮演着怎样的角色?对于那些需要长时间运行的深空探测器,书中是否会重点阐述放射性同位素热电发生器(RTG)的独特优势和安全设计?我希望这本书能够像一位经验丰富的导师,带领我逐一解开这些令人着迷的科学谜团。
评分拿到这本《国家出版基金项目:航天器电源系统》后,我迫不及待地翻开了它,期待着一场知识的盛宴。书名本身就带着一种庄重感和权威性,国家出版基金项目的背书,意味着其内容的严谨性和学术价值。我对航天器电源系统的了解,之前主要停留在一些科普读物和纪录片所呈现的宏观概念,比如早期航天器依靠电池,后来发展到太阳能,再到一些更先进的核动力。但究竟这些系统是如何运作的,其中的技术细节有多么复杂,我一直知之甚少。这本书的出现,恰好填补了这一空白。我希望它能像一位经验丰富的工程师,带领我一步步解析航天器电源系统的演进历程,从最初的简单化学电池,到光伏发电阵列的不断优化,再到热电转换、斯特林循环发电机等更尖端的技术。每一项技术背后,都凝聚着无数科学家的智慧和汗水,是人类对物理学、化学、材料学等领域深刻理解的结晶。
评分当我看到《国家出版基金项目:航天器电源系统》这本书名时,我的思绪便立刻飘向了浩瀚的宇宙,那些闪耀着人类智慧光芒的航天器,在太空中孤独而坚定地执行着一项项艰巨的任务。而支撑这一切的,正是它们体内那套至关重要的“能量心脏”——电源系统。这本书的标题,预示着它将深入解析这一核心技术,这让我充满期待。我希望书中能够详细介绍各种不同类型的电源技术,比如,早期航天器可能依赖于化学电池,而现在,太阳能光伏发电技术是如何不断革新,以适应更复杂的任务需求?对于那些需要穿越漫长星际的探测器,比如前往外太阳系的探测器,书中是否会重点介绍放射性同位素热电发生器(RTG)的工作原理及其在极端条件下的可靠性?我期待这本书能够用通俗易懂的语言,揭示航天器电源系统的设计哲学和技术突破。
评分当我浏览到《国家出版基金项目:航天器电源系统》这本书时,心中涌起一股强烈的求知欲。航天器,这些承载着人类梦想与探索的使者,其运行的背后,离不开一个稳定、高效、可靠的能源供应系统。书名本身就透露出一种高度的专业性和重要性,让我对即将获得的知识充满期待。我想象着书中会详细介绍各种供能方式,从最初的电池供能,到成熟的太阳能光伏发电,再到更具挑战性的核动力系统。我尤其想了解,在不同的轨道高度、不同的行星环境、不同的任务需求下,航天器会选择哪种电源系统,以及为什么。书中是否会深入探讨各种电源技术的材料科学、热力学原理、电磁兼容性等核心问题?我希望能从中获得对这些复杂技术的深刻理解,不仅仅是“是什么”,更是“为什么”和“如何”的解答。
评分书很不错,译者一个单位的,支持一下。
评分很好,速度很快。。。。
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评分很实用的工具书!慢慢读!
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