航天器在軌服務(wù)技術(shù)

前言

在人類歷史上，每一種新的運(yùn)輸工具的出現(xiàn)，無(wú)論是古代的馬車和帆船，還是現(xiàn)代的汽車和飛機(jī)，都會(huì)大大增強(qiáng)人類開(kāi)發(fā)利用新的空間區(qū)域的能力。但只有在具備了對(duì)這類交通工具進(jìn)行維護(hù)與補(bǔ)給的能力之后，這類運(yùn)輸工具才能夠真正發(fā)揮其最大的潛力。聯(lián)想一下古代的驛站和今天的汽車加油站／維修站對(duì)于運(yùn)輸工具的重要作用，就不難認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。世界航天技術(shù)發(fā)展半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，人類已經(jīng)向空間發(fā)射了幾千枚航天器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間的初步開(kāi)發(fā)和利用。但在這么多的航天器中，能夠進(jìn)行在軌維護(hù)與補(bǔ)給等操作的航天器屈指可數(shù)，以至于對(duì)其中的大多數(shù)航天器而言，一旦在軌出現(xiàn)遙控?zé)o法修復(fù)的故障或者是燃料耗盡等情況，則除了放棄別無(wú)選擇。因此，從歷史的發(fā)展規(guī)律來(lái)看，人們有理由相信，今天的航天器技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到成熟的地步。未來(lái)的航天器技術(shù)如何發(fā)展，這是一個(gè)非常值得今天的航天工作者思考的問(wèn)題。本書(shū)作者認(rèn)為：航天器在軌服務(wù)技術(shù)將是今后航天器技術(shù)最重要的發(fā)展方向之一。在未來(lái)，一旦對(duì)于航天器的在軌裝配、在軌維護(hù)和后勤支持等服務(wù)，能像今天對(duì)于汽車的維修與加油那樣變成常規(guī)操作，那將意味著航天器技術(shù)本身走向了成熟，人類將成為更廣闊宇宙空間的主人。航天器在軌服務(wù)技術(shù)在我國(guó)航天領(lǐng)域?qū)儆谝粋€(gè)新的研究方向。本書(shū)作者在對(duì)國(guó)內(nèi)外大量研究計(jì)劃及實(shí)例進(jìn)行歸納和總結(jié)的基礎(chǔ)上，分析了在軌服務(wù)的概念與任務(wù)，研究了有人在軌服務(wù)與自主在軌服務(wù)的特點(diǎn)；并重點(diǎn)針對(duì)自主在軌服務(wù)討論了可接受在軌服務(wù)航天器技術(shù)、服務(wù)航天器技術(shù)以及在軌服務(wù)操作技術(shù)等。作為我國(guó)第一部系統(tǒng)論述航天器在軌服務(wù)技術(shù)的學(xué)術(shù)著作，具有非常重要的意義。

內(nèi)容概要

　　航天器在軌服務(wù)技術(shù)在我國(guó)航天領(lǐng)域?qū)儆谝粋€(gè)新的研究方向。作者在對(duì)國(guó)內(nèi)外大量研究計(jì)劃及實(shí)例進(jìn)行歸納和總結(jié)的基礎(chǔ)上，分析了航天器在軌服務(wù)的概念與任務(wù)，研究了有人在軌服務(wù)和自主在軌服務(wù)的特點(diǎn)；并重點(diǎn)針對(duì)自主在軌服務(wù)，討論了可接受在軌服務(wù)航天器技術(shù)、服務(wù)航天器技術(shù)及在軌服務(wù)操作技術(shù)等。    本書(shū)是我國(guó)第一部系統(tǒng)論述航天器在軌服務(wù)技術(shù)的著作，可供從事飛行器設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員參考，也可作為高等院校飛行器設(shè)計(jì)及相關(guān)專業(yè)研究生和高年級(jí)學(xué)生的輔助教材。

書(shū)籍目錄

第1章　緒論　1.1　航天器在軌服務(wù)技術(shù)的研究背景　1.2　航天器在軌服務(wù)的概念　1.3　航天器在軌服務(wù)體系的組成　　1.3.1　服務(wù)系統(tǒng)　　1.3.2　客戶系統(tǒng)　　1.3.3　輔助系統(tǒng)　1.4　航天器在軌服務(wù)的效益分析　1.5　航天器在軌服務(wù)技術(shù)的應(yīng)用前景第2章　在軌服務(wù)技術(shù)研究進(jìn)展　2.1　概述　2.2　美國(guó)的在軌服務(wù)技術(shù)　　2.2.1　航天飛機(jī)在軌服務(wù)任務(wù)　　2.2.2　空間遙操作機(jī)器人（STP）計(jì)劃　　2.2.3　機(jī)器人航天員計(jì)劃　　2.2.4　試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)(XSS)計(jì)劃　　2.2.5　自主交會(huì)技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星計(jì)劃　　2.2.6　軌道快車計(jì)劃　　2.2.7　部分地面試驗(yàn)計(jì)劃　2.3　日本的在軌服務(wù)技術(shù)　　2.3.1　國(guó)際空間站的日本實(shí)驗(yàn)艙及機(jī)械臂　　2.3.2　工程試驗(yàn)衛(wèi)星-7（ETS-VII）　　2.3.3　H-2轉(zhuǎn)移飛行器（HTV）　　2.3.4　軌道維護(hù)系統(tǒng)（OMS）　　2.3.5　可重構(gòu)機(jī)器人衛(wèi)星簇計(jì)劃　2.4　加拿大的在軌服務(wù)技術(shù)　　2.4.1　航天飛機(jī)空間機(jī)械臂系統(tǒng)　　2.4.2　國(guó)際空間站的活動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)　　2.4.3　發(fā)展規(guī)劃　2.5　歐洲的在軌服務(wù)技術(shù)　　2.5.1　德國(guó)的空間機(jī)械臂技術(shù)　　2.5.2　機(jī)器人技術(shù)試驗(yàn)（ROTEX）　　2.5.3　試驗(yàn)服務(wù)衛(wèi)星計(jì)劃　　2.5.4　同步衛(wèi)星軌道重置機(jī)器人計(jì)劃　　2.5.5　軌道壽命延長(zhǎng)系統(tǒng)　　2.5.6　赫耳墨斯計(jì)劃　　2.5.7　空間系統(tǒng)演示驗(yàn)證技術(shù)衛(wèi)星計(jì)劃　　2.5.8　自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器　　2.5.9　其他空間機(jī)械臂計(jì)劃第3章　航天器在軌服務(wù)的任務(wù)分析　3.1　在軌服務(wù)的典型任務(wù)　3.2　在軌服務(wù)的任務(wù)規(guī)劃　　3.2.1　服務(wù)執(zhí)行方式　　3.2.2　人-機(jī)服務(wù)方式　3.3　在軌服務(wù)任務(wù)的執(zhí)行序列第4章　航天器在軌服務(wù)的軌道動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)　4.1　在軌服務(wù)的軌道動(dòng)力學(xué)問(wèn)題　4.2　空間交會(huì)對(duì)接　　4.2.1　空間交會(huì)　　4.2.2　終端交會(huì)　4.3　在軌釋放或發(fā)射　　4.3.1　幾何關(guān)系與坐標(biāo)系　　4.3.2　被釋放航天器精確運(yùn)動(dòng)方程　　4.3.3　基于極坐標(biāo)的精確相對(duì)運(yùn)動(dòng)方程　4.4　在軌伴隨運(yùn)動(dòng)　　4.4.1　伴隨航天器與主星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系與應(yīng)用　　4.4.2　伴隨運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析　4.5　在軌機(jī)動(dòng)繞飛與接近　　4.5.1　長(zhǎng)期繞飛軌道設(shè)計(jì)　　4.5.2　接近與機(jī)動(dòng)繞飛軌道設(shè)計(jì)第5章　有人在軌服務(wù)　5.1　概述　5.2　有人在軌服務(wù)典型應(yīng)用　　5.2.1　在軌維護(hù)　　5.2.2　后勤支持　　5.2.3　在軌裝配　5.3　有人在軌服務(wù)的主要設(shè)備　　5.3.1　艙外活動(dòng)航天服與生命支持系統(tǒng)　　5.3.2　空間載人機(jī)動(dòng)裝置　　5.3.3　艙外維修工具(0)　5.4　有人在軌服務(wù)特點(diǎn)分析　　5.4.1　有人在軌服務(wù)的優(yōu)勢(shì)　　5.4.2　有人在軌服務(wù)的局限　　5.4.3　有人在軌服務(wù)的應(yīng)用范圍第6章　自主在軌服務(wù)　6.1　概述　6.2　自主在軌服務(wù)典型應(yīng)用　　6.2.1　人員遙操作在軌服務(wù)　　6.2.2　人員監(jiān)控下自主服務(wù)　　6.2.3　完全自主在軌服務(wù)　6.3　自主在軌服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)　　6.3.1　客戶系統(tǒng)　　6.3.2　服務(wù)系統(tǒng)　　6.3.3　服務(wù)操作技術(shù)　6.4　自主在軌服務(wù)特點(diǎn)分析　　6.4.1　人員遙操作在軌服務(wù)　　6.4.2　人員監(jiān)控下自主服務(wù)　　6.4.3　完全自主在軌服務(wù)第7章　可接受在軌服務(wù)航天器設(shè)計(jì)技術(shù)　7.1　概述　7.2　面向在軌服務(wù)的模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)　　7.2.1　典型實(shí)例　　7.2.2　航天器模塊化設(shè)計(jì)方法　　7.2.3　航天器模塊劃分及體系結(jié)構(gòu)　　7.2.4　模塊化標(biāo)準(zhǔn)接口與模塊集成　7.3　ORU模塊設(shè)計(jì)技術(shù)　　7.3.1　典型實(shí)例　　7.3.2　航天器模塊在軌可替換性分析　　7.3.3　ORU模塊體系結(jié)構(gòu)　7.4　先進(jìn)星務(wù)管理技術(shù)　　7.4.1　典型實(shí)例　　7.4.2　健康管理系統(tǒng)總體框架　　7.4.3　星務(wù)系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)　　7.4.4　星務(wù)系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)第8章　服務(wù)航天器設(shè)計(jì)技術(shù)　8.1　概述　8.2　服務(wù)航天器典型實(shí)例　　8.2.1　微小服務(wù)衛(wèi)星　　8.2.2　空間機(jī)器人　8.3　總體設(shè)計(jì)與布局　8.4　機(jī)械臂技術(shù)　　8.4.1　機(jī)械臂設(shè)計(jì)　　8.4.2　遙操作技術(shù)　　8.4.3　多臂控制技術(shù)　　8.4.4　機(jī)電一體化仿真技術(shù)　　8.4.5　地面實(shí)驗(yàn)技術(shù)　8.5　先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)　　8.5.1　冷氣推進(jìn)　　8.5.2　單組元推進(jìn)　　8.5.3　雙組元統(tǒng)一推進(jìn)　　8.5.4　電推進(jìn)　　8.5.5　核動(dòng)力推進(jìn)第9章　在軌服務(wù)操作技術(shù)　9.1　概述　9.2　交會(huì)對(duì)接技術(shù)　　9.2.1　交會(huì)對(duì)接測(cè)量技術(shù)　　9.2.2　面向在軌服務(wù)的對(duì)接機(jī)構(gòu)技術(shù)　9.3　在軌模塊更換技術(shù)　　9.3.1　典型實(shí)例　　9.3.2　模塊備份與重啟技術(shù)　　9.3.3　模塊拆卸、處理和更換技術(shù)　　9.3.4　模塊自主檢測(cè)與識(shí)別技術(shù)　9.4　在軌加注技術(shù)　　9.4.1　典型實(shí)例　　9.4.2　在軌加注方式　　9.4.3　直接傳輸加注關(guān)鍵技術(shù)　　9.4.4　模塊更換加注關(guān)鍵技術(shù)第10章　航天器在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展展望　10.1　在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展的路線圖　10.2　在軌服務(wù)體系的發(fā)展規(guī)劃　10.3　在軌服務(wù)技術(shù)的研究途徑　　10.3.1　先期概念研究　　10.3.2　地面仿真、測(cè)試與演示試驗(yàn)　　10.3.3　飛行試驗(yàn)　10.4　對(duì)我國(guó)在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展的啟示參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 緒論1.1 航天器在軌服務(wù)技術(shù)的研究背景隨著對(duì)空間研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用能力的不斷提高，各國(guó)相繼研制并發(fā)射了大量面向各種任務(wù)要求的航天器，航天器的結(jié)構(gòu)、組成日趨復(fù)雜，性能、技術(shù)水平不斷提高。在這種情況下，如何保證航天器在復(fù)雜的空間環(huán)境中更加持久、穩(wěn)定、高質(zhì)量地在軌運(yùn)行，已成為目前航天技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的重要問(wèn)題?，F(xiàn)有的航天器大多設(shè)計(jì)為一次性使用，航天器能否在軌正常工作主要取決于其發(fā)射前在地面上采取的一系列提高可靠性的措施，如采用冗余設(shè)計(jì)、盡可能采用成熟部件及成熟技術(shù)等。但由于航天器設(shè)計(jì)、制造等自身因素以及空間環(huán)境的影響，航天器在軌運(yùn)行的過(guò)程中，各種故障及意外情況仍無(wú)法完全避免；隨著技術(shù)的進(jìn)步，航天器上的儀器設(shè)備可能變得陳舊落后，無(wú)法達(dá)到理想性能；同時(shí)，航天器的規(guī)模擴(kuò)大受到當(dāng)前發(fā)射運(yùn)載器的極大約束；航天器壽命也受到其可攜帶推進(jìn)劑總量的限制。為了解決上述問(wèn)題，對(duì)在軌服務(wù)提出了需求，具體包括：1）部分航天器發(fā)射入軌后可能會(huì)出現(xiàn)部件失效、軌道偏離、燃料耗盡等問(wèn)題，如果通過(guò)地面遙控不能恢復(fù)運(yùn)行，則航天器報(bào)廢，損失巨大。由此提出了對(duì)其進(jìn)行在軌維修、燃料加注以及輔助機(jī)動(dòng)進(jìn)入預(yù)定軌道的需求，使其恢復(fù)正常運(yùn)行，挽回?fù)p失。2）部分航天器在完成預(yù)定任務(wù)或達(dá)到壽命終期時(shí)其主要結(jié)構(gòu)和部件仍能正常運(yùn)行，由此提出了通過(guò)部分組件更換或燃料加注使其壽命延長(zhǎng)，或通過(guò)載荷替換使其具有執(zhí)行其他任務(wù)能力的需求。

編輯推薦

《航天器在軌服務(wù)技術(shù)》由中國(guó)宇航出版社出版。

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