航天器系统工程（上册 原书第4版） [Spacecraft Systems Engineering] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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〔英〕Peter Fortescue，Graham Swinerd，John Stark 编，李靖 范文杰 刘佳 程卫强 译

图书标签:

• 航天工程
• 航天器系统
• 系统工程
• 航空航天
• 工程技术
• 航天技术
• 空间技术
• 设计
• 可靠性
• 测试

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030418784

版次：4

商品编码：11568414

包装：精装

外文名称：Spacecraft Systems Engineering

开本：16开

出版时间：2014-10-01

用纸：胶版纸

页数：331

字数：418000

正文语种：中文

产品特色

编辑推荐

适读人群 ：本书适合的读者对象是有志成为航天器设计师的研究生、有航天经验的工程师和高级管理人员
　　 本书是在南安普敦大学短期课程教学笔记的基础上整
　　理而成，是航天器各专业有经验专家多年心血的结晶。该书第一版发行于１９９１
　　年，后经读者要求多次改进和再版，至今已是第四版。

内容简介

　　本书以空间任务需求为设计驱动，给出任务及轨道选择之间的关系，在分析航天
　　器的空间环境与设计约束的基础上展开航天器设计，介绍了航天器发射与运行控制
　　密切相关的运载火箭系统和地面站及控制系统，阐述了航天器的结构、机构、装配、集
　　成和测试、小卫星工程以及产品保证等内容。本书后一章是对前面各章专业知识
　　的总结，并重点介绍一种系统设计方法———并行工程设计，该章内容是全书的精髓。

内页插图

目录

译者序
第一版前言
第二版前言
第三版前言
第四版前言
缩略语

上册
1 概论
1.1 有效载荷和任务
1.2 航天器系统
1.3 展望
参考文献

2 航天器环境及其对设计的影响
2.1 概述
2.2 航天器运行前环境
2.3 航天器空间环境
2.4 空间环境对设计的影响
参考文献

3 航天器动力学
3.1 概述
3.2 轨道动力学
3.3 姿态动力学概述
3.4 特殊类型航天器姿态运动
3.5 振荡模态
3.6 结论
附录惯性矩阵

4 天体力学
4.1 概述
4.2 二体问题-质点动力学
4.3 轨道参数
4.4 轨道摄动
4.5 限制性三体问题
参考文献

5 任务分析
5.1 引言
5.2 开普勒轨道转移
5.3 任务分析
5.4 LEO极轨遥感卫星
5.5 卫星星座
5.6 地球静止轨道
5.7 大椭圆轨道
5.8 行星际任务
参考文献

6 推进系统
6.1 系统分类
6.2 化学火箭
6.3 航天器推进
6.4 电推进
参考文献

7 运载火箭
7.1 概述
7.2 运载火箭的基本性能与操作
7.3 航天器发射阶段和任务计划
7.4 Ariane5运载火箭
7.5 美国宇航员发射系统
7.6 小型运载火箭和可重复利用亚轨道器
7.7 再入地球大气层
7.8 比发射成本和可靠性
参考文献

8 航天器结构
8.1 引言
8.2 设计需求
8.3 材料选择
8.4 分析
8.5 设计验证
8.6 撞击防护
8.7 构型实例
8.8 航天结构的未来
参考文献

9 姿态控制
9.1 导言
9.2 ACS概述
9.3 航天器姿态响应
9.4 力矩与力矩器
9.5 姿态测量
9.6 ACS计算
参考文献

10 电源系统
10.1 概述
10.2 电源系统组成
10.3 主电源系统
10.4 二次电源系统:蓄电池
10.5 电源管理、分配和控制
10.6 功率预算
参考文献
索引

下册
11 航天器热控
12 通信
13 遥测、指令、数据管理与处理
14 地面段
15 航天器机构
16 航天器电磁兼容工程
17 装配、集成和验证
18 小卫星工程及其应用
19 产品保证
20 航天器系统工程

精彩书摘

７　运载火箭
７．１　概　　述
　　对于地球上很多活动而言，尽管基础设施对运输起着明显重要的作用，地球表
面运输很少出现像航天器（或有效载荷）从地表运送至轨道（和再返回）所遭遇的困
难，即使有也是很少。航天器设计本身就会带来相当大的技术挑战，在发射过程中
涉及的技术问题往往会放大问题的复杂性，增加很多在任务和设计上额外的限制。
运载火箭能为用户提供服务的程度，反过来也影响到运载火箭的发展，然而大部分
用户需求还没有得到解决。
用户最关心的和航天器设计有关的是运载火箭对任务的限制。限制主要是有
效载荷的重量和尺寸，但也包括发射地点和发射窗口的选择，以及发射环境（机械
和电方面，见第２章和第８章）及安全和可靠性方面的考虑（见第１９章）。
在本章中，首先寻求建立决定运载火箭设计和性能的基本原理，以这种方式对
有效载荷和任务进行限定；其次，概括给出主要供选择的运载火箭的关键特性，正
如欧洲和美国所展示的，最有名的是Ａｒｉａｎｅ５和Ａｒｅｓ１，以及正在发展壮大的小
运载火箭。还简单介绍了用户团体主要关心的几个问题，如发射费用、操作灵活性
和可靠性，最后展望未来运载火箭的能力。

前言/序言

探索航天器设计与实现的宏大叙事 本书并非《航天器系统工程（上册 原书第4版）》的续篇、前传或替代品，而是对航天器设计、建造、测试与运行的宏观视角进行一次全新的、深入的探讨。它聚焦于使航天任务从概念走向现实所必需的跨学科融合、严谨的流程管理和前瞻性的技术预判。 本书旨在为读者描绘一幅完整的航天器系统生命周期的路线图，重点剖析在资源受限、环境极端和目标明确的约束下，如何构建一个可靠、高效且可操作的航天平台。 --- 第一部分：任务定义与概念形成——从需求到蓝图的飞跃 在任何成功的航天任务背后，都潜藏着对“为什么”和“如何做”的精确回答。本部分深入剖析了任务定义阶段的复杂性，强调了需求工程在整个系统生命周期中的决定性作用。 1. 需求获取与分析的艺术： 我们探讨了如何从高层级的用户需求（如科学目标、商业利益或国家战略）中，逐步向下分解出精确的系统需求、子系统需求和组件级规范。重点讨论了需求的冲突管理、可追溯性矩阵的构建，以及如何识别和量化“不确定性裕度”。书中的案例分析将展示，模糊的需求描述如何导致后期严重的工程返工。 2. 概念设计的多目标优化： 概念设计阶段并非单一的最佳解的寻找，而是在性能、质量、功耗、成本和风险这五大相互制约的变量间寻求帕累托最优解。本章详细阐述了多学科设计优化（MDO）的基础方法论，包括参数化建模、性能指标的量化评估，以及如何利用仿真工具包进行快速迭代评估。我们还将审视“是否值得做”的决策过程，即任务可行性分析（TFA）的核心要素。 3. 任务环境与约束建模： 航天器所处的环境是极端且动态的。本节详细解析了地球近地轨道（LEO）、地球同步轨道（GEO）以及深空环境的物理特性（辐射、热流、微流星体与轨道碎片）。重点关注如何将这些环境模型转化为对硬件设计（如材料选择、屏蔽设计和热控策略）的硬性约束，而非仅仅是经验法则。 --- 第二部分：系统架构设计与集成——模块化的力量 航天器是一个高度复杂的集成体，其可靠性取决于各个功能模块的协同工作。本部分聚焦于如何构建稳健的系统架构，确保各专业领域的接口清晰、数据流顺畅。 1. 结构、热控与电源系统的耦合分析： 我们超越了传统上将结构、热控和电源视为独立子系统的做法，转而探讨它们之间的强耦合关系。例如，结构负载如何影响热沉的设计，电池的充放电策略如何制约电源管理单元的布局，以及在结构振动测试中如何验证热控系统的热路径完整性。内容涵盖先进复合材料在轻量化结构中的应用，以及下一代高效率太阳能电池阵列的并网技术。 2. 姿态、轨道与控制（AOCS）系统的设计哲学： AOCS是航天器的“神经系统”。本章侧重于先进的导航、制导与控制（GNC）算法的实现。内容包括星敏感器、惯性测量单元（IMU）的数据融合技术、先进的滤波算法（如扩展卡尔曼滤波在非线性系统中的应用），以及对推力器冗余配置和脉冲控制精度要求的详细讨论。特别地，我们分析了对地观测任务中高精度指向控制系统的设计挑战。 3. 有效载荷与平台接口的标准化管理： 有效载荷往往是任务的“王冠”，但其集成难度巨大。本节详细阐述了如何建立清晰的机械、电气和数据接口控制文件（ICD）。通过案例分析，揭示了数据总线架构（如SpaceWire或MIL-STD-1553B）的选择依据，以及如何设计一个灵活的接口，以应对有效载荷供应商提供的硬件与预设模型之间的细微差异。 --- 第三部分：制造、测试与验证——向零缺陷迈进 系统工程的价值在很大程度上体现在对风险的量化管理和对产品质量的严格控制上。本部分聚焦于如何将设计转化为可飞行的实体，并确保其在地面测试中能够重现或预测空间环境下的性能。 1. 制造过程控制与供应链管理： 我们将目光投向航天级元器件的选型、采购与可追溯性管理。详细讨论了关键部件的失效率建模（如基于MIL-HDBK-217F或FIDES方法），以及供应商质量保证（SQA）的程序设计。本章强调了“一次性成功”的制造理念，包括对洁净室环境的控制和对关键焊接、粘接工序的无损检测标准。 2. 综合环境测试的动态模拟： 环境测试是验证系统鲁棒性的关键环节。本书详细剖析了真空热试验（Thermal Vacuum Test, TVAC）的设计与执行，包括对热真空室的校准、热平衡测试（Thermal Balance）与热性能测试（Thermal Cycling）的差异与目的。此外，还涵盖了声振动测试、随机振动测试的设计，以及如何根据发射载荷分析报告（LRA）来设定合理的测试裕度。 3. 软件与系统集成验证： 现代航天器高度依赖嵌入式软件和机上计算机。本部分侧重于软件在环（Software-in-the-Loop, SIL）和硬件在环（Hardware-in-the-Loop, HIL）测试平台的构建。我们探讨了故障注入测试（Fault Injection Testing）在验证容错与冗余切换逻辑中的重要性，以及如何确保机上飞行软件的实时性与确定性。 --- 第四部分：运行、维护与退役——生命周期的闭环管理 航天器的生命周期并未在发射时结束。本部分关注飞行操作阶段的挑战，以及对航天器长期健康状态的监测与维护。 1. 轨道运行与地面支持系统： 我们深入探讨了地面测控站（TT&C）网络的构建、遥测数据的实时处理流程，以及轨道维持（Orbit Maintenance）所需的燃料预算管理。详细分析了在轨异常处理（Anomaly Resolution）的标准流程，包括数据包的优先级划分、故障诊断树的部署和地面指令的安全性审查。 2. 航天器健康管理（PHM）与寿命预测： 如何从遥测数据中预知潜在的失效？本章介绍了基于模型的状态监测技术，包括对关键部件（如电池、推进剂压力和姿态传感器）性能退化的基线比较。讨论了如何根据实际运行数据来修正寿命预测模型，从而延长任务的有效工作时间。 3. 可持续性与退役策略： 随着太空活动的增加，空间碎片问题日益突出。本书的最后一部分强调了可持续性的系统设计，包括如何提前规划避免碰撞的机动（Conjunction Analysis），以及如何设计符合国际标准（如限制25年内离轨）的退役方案，无论是主动离轨还是被动衰减。 --- 总结：系统思维的持续演进 本书提供了一个全面、系统的框架，它要求工程师和项目经理必须具备跨领域的广阔视野和对流程的绝对尊重。它强调的不是单一技术的突破，而是如何将这些技术以一种工程化、可验证的方式有机地整合起来，以应对人类探索未知宇宙的宏伟目标。它是一本关于“如何把不可能变为可能”的严谨指南。

评分☆☆☆☆☆

这本书的体量着实令人印象深刻，那种厚重感拿在手上，就好像握着一把打开通往太空大门的钥匙。我注意到，装帧和纸张的选择也十分考究，即便是高强度的翻阅和查阅，也不会轻易出现磨损，这对于需要经常在案头翻阅的技术手册来说至关重要。这种物理上的扎实，无形中也传递出内容上的“实在”。我更关心的是，在如此庞大的篇幅中，作者是如何平衡理论深度与实际应用之间的关系的。一本优秀的系统工程书籍，不应该只停留在数学公式的堆砌上，更应该展示出工程决策是如何在现实约束下做出的取舍。我期待它能在概念的阐述上，多引入一些真实的案例分析或历史性的挑战描述，哪怕只是一个简单的脚注，也能极大地增强阅读的代入感和理解的直观性。

评分☆☆☆☆☆

最吸引我的是其对系统工程方法论的系统性梳理。在航天这样一个高风险、高投入的领域，如何从最初的需求定义，到设计、集成、测试和验证的每一个环节都保持全局观，是成败的关键。我观察到，该书在章节的组织上，似乎遵循了一条清晰的、自上而下的工程逻辑链条。这种结构上的严谨性，本身就是对系统思维的最佳诠释。我特别关注那些关于接口管理、风险评估和可靠性工程的部分，因为在实际项目中，这些“软”的工程管理环节往往比核心技术的实现更为棘手。如果这本书能够提供一套成熟的、可操作的框架来指导这些流程，那它就不仅仅是一本知识汇编，而是一套实战指南，能显著提升项目管理的成熟度和可预见性。

评分☆☆☆☆☆

坦率地说，这本书的语言风格初读起来是比较“内敛”的，它更倾向于用精确、严谨的学术语言来构建知识体系，这对于需要建立扎实理论基础的读者来说是优势，但对于刚从本科阶段过渡到研究生或初入行业的新手来说，可能需要更多的耐心去消化吸收。我发现，要想真正跟上作者的思路，可能需要同步参考一些基础的物理或控制理论的补充材料。这种知识的密度，就像是一块高度压缩的晶体，能量巨大，但需要合适的工具才能将其激活。我希望，后续的阅读中，作者能在关键的转折点，提供一些更形象的比喻或者流程图示，帮助大脑快速建立起复杂的系统间相互作用的网络模型。它不是一本可以随意浏览的书，更像是一份需要被“攻克”的航天领域圣经。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版设计，虽然整体上体现出专业性，但也有一些细节值得注意。例如，公式的编号和交叉引用是否清晰无误，图表的质量和分辨率是否足够高，这些直接影响到读者在需要快速定位特定信息时的效率。在技术书籍中，视觉信息的准确性和易读性是至关重要的辅助因素。我希望，在如此权威的版本中，能保证所有技术插图的精确度和信息密度能够完美匹配文字的深度。一本好的工具书，需要让读者在最短的时间内，从浩瀚的文本中精准捕获所需的数据点或模型结构。每一次翻页和查阅，都应该是一种高效的知识获取体验，而非被低质量的视觉呈现所拖累，这才是对读者时间和智力投入的最高尊重。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计简直是点睛之笔，那种深邃的蓝色调，配上简洁有力的标题字体，一下子就把人带入了浩瀚无垠的宇宙空间。光是看着封面，就能感受到一种扑面而来的专业气息和对未知的敬畏感。我特地去查了查，这个版本似乎是经过了多次修订和升级的，可见其内容的权威性和时效性。虽然我还没来得及深究每一个章节的细节，但从目录的编排来看，就能预感到这绝对是一本结构严谨、逻辑清晰的“硬核”教材或参考书。它不像有些技术书籍那样枯燥乏味，那种设计感和排版上的用心，让人在翻阅时心情舒畅，即便面对复杂的工程概念，也能保持阅读的耐心。它给我的第一印象是：这是一本为严肃的航天从业者和高年级学生量身打造的“工具箱”，而非泛泛而谈的科普读物，其视觉呈现已经为接下来的深度学习做好了铺垫。

评分☆☆☆☆☆

系统工程图书，质量不错，概念比较全

评分☆☆☆☆☆

可以可以可以可以可以。

评分☆☆☆☆☆

很好！

评分☆☆☆☆☆

正版，工具书，经典之作！

评分☆☆☆☆☆

东西不错，用着挺好的。感觉物有所值。

评分☆☆☆☆☆

很好！

评分☆☆☆☆☆

不错的书，值得一读。

评分☆☆☆☆☆

我也曾经经历过婚姻最初的磨合期，经历过总是吵架，觉得对方的想法不可思议。与一直隐忍的梅根不同的是，脾气火爆的自己，总会大吵大闹，一直到问题解决，否则坚决不睡觉。某个周六上午，心情甚好的我早起出去买菜，准备做个丰盛的午餐。忙活了一个上午之后，当四菜一汤摆上桌子的时候，先生还没有起床。火冒三丈的我我觉得，我一大早做饭，你不帮忙就算了，饭都上桌了还不起床，你以为我是你妈么？可老公跟我说：“其实我不需要你早起给我做饭，不需要你这么辛苦，这也并不是你擅长的，我们可以出去吃。我想要的，不过是醒来的时候，看见你在我身边，我伸手就可以抱住你。”那一刻我突然明白，婚姻付出的再多，都不如恰好是对方想要的爱。

评分☆☆☆☆☆

书真不错，每本都有塑封的，送货也快