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第一章　载人航天技术发展概况1

1.1 概述1

1.1.1 载人航天技术的含义1

1.1.2　发展载人航天的意义1

目录1

1.1.3　载人空间站航天系统的内容2

1.1.4　载人航天器的组成3

1.2 载人航天发展概况3

1.2.1　载人航天技术的发展阶段4

1.2.2　载人航天器的发展5

1.3 载人航天的未来发展9

1.3.1　“国际空间站”的建成与运营9

1.3.2　载人行星探测11

参考文献11

2.2.1　载人飞船系统12

2.2.2　运载火箭系统12

第二章 载人航天系统与航天器总体设计12

2.2　载人飞船航天系统12

2.1 概述12

2.2.3　航天员系统15

2.2.4　发射场系统15

2.2.5　着陆场系统16

2.2.6　测控与通信系统16

2.2.7　应用系统18

2.3　载人飞船总体设计18

2.3.1　载人飞船的设计依据18

2.3.2　飞船总体设计的一般原则20

2.3.3　飞船的构型和总体布局及总体参数21

2.3.4　飞船总体指标的确定与分配27

2.3.6　飞船的气动力设计28

2.3.5　飞船的分系统配置28

2.3.7　飞船的轨道设计和飞行程序29

参考文献34

第三章　载人航天器轨道动力学35

3.1 概述35

3.2　轨道动力学基础35

3.3　地月转移轨道37

3.3.1　概述37

3.3.2　限制性四体问题37

3.3.3　限制性三体问题38

3.4　相对运动方程39

3.4.1 坐标系39

3.4.2　物理量符号定义40

3.4.3　绝对空间的相对加速度41

3.4.4　轨道坐标系角速度及角加速度41

3.4.5　相对运动方程42

3.4.6　线性化相对运动方程的解43

3.4.7　非线性相对运动方程的解43

3.5　空间交会策略47

3.5.1 目标航天器轨道47

3.5.2　脉冲推力轨道交会48

3.5.3　小推力轨道交会49

3.6　返回运动方程51

3.6.1 概述51

3.6.2　坐标系与气动力分量51

3.6.3　一般返回运动方程54

3.6.4　配平攻角飞行的运动方程58

3.7　绳系系统动力学59

3.7.1 载人航天器与绳系系统59

3.7.2　绳系系统动力学特性59

3.7.3　绳系系统的运动61

3.7.4　绳系系统的控制63

3.7.5　绳系系统运动方程66

参考文献69

第四章　航天员71

4.1 概述71

4.2　人在航天中的任务和作用72

4.3　航天员分类73

4.4　航天员选拔训练73

4.4.1　航天员选拔73

4.4.2　航天员训练75

4.5　航天员医学监督与医学保障79

4.5.1　航天员医学监督80

4.5.2　航天员医学保障80

4.6.1 失重生理效应与防护82

4.6　航天环境医学82

4.6.2 空间辐射的医学效应与防护87

4.6.3　航天器工程设计的医学要求88

4.7　航天工效学95

4.7.1　人体测量学数据95

4.7.2　人在空间的效能96

4.7.3　航天器结构98

4.7.4　显示器99

4.7.5　人控系统100

4.7.6 照明100

4.7.7　警告和报警101

4.8　航天员个人装备101

4.8.1　航天服101

4.8.2　个人救生物品104

4.9　航天员营养与食品105

4.9.1　航天员营养保障105

4.9.2　航天食品106

4.10　航天员选训中心108

4.10.1 任务108

4.10.2 主要设施108

4.9.3　食品和饮水的卫生保障108

参考文献111

第五章 载人航天器环境控制与生命保障系统112

5.1 概述112

5.1.1 环控生保系统在载人航天技术中的地位和意义112

5.1.2　环控生保系统的功能和基本组成113

5.1.3　环控生保系统的界面关系和设计约束条件114

5.1.4　环控生保技术中的微重力问题研究116

5.1.5　系统的可靠性研究118

5.1.6　载人航天器环控生保系统的分类119

5.2 贮存式（非再生式）环控生保系统120

5.2.2　气体贮存122

5.2.1 舱压体制122

5.2.3　供气调压技术123

5.2.4　座舱大气净化技术125

5.2.5　座舱温湿度控制技术127

5.2.6　废物收集处理技术130

5.2.7　座舱内环境应急及舱内航天服技术134

5.2.8　水管理技术135

5.2.9　座舱火烟检测与防火灭火技术135

5.2.10　测量控制技术138

5.2.11　航天员居住设施139

5.3 物理化学再生式环控生保系统139

5.3.1　物理化学再生式环控生保系统基本概念139

5.3.2　氧的再生技术141

5.3.3　水的再生技术146

5.4.1 受控生态生保系统的基本概念149

5.4　受控生态生保系统149

5.4.2　受控生态生保系统研究的主要问题150

5.5　出舱活动环控生保系统151

5.5.1　舱外航天服151

5.5.2　携带式环控生保系统152

5.5.3 出舱活动的测量、通信、控制及机动能力153

参考文献154

第六章　载人航天器结构与机构系统155

6.1　概述155

6.1.1　舱体结构的设计155

6.1.2　次级结构设计155

6.1.3　舱段连接设计155

6.1.4　机构设计155

6.2　载人航天器结构与机构系统的设计条件156

6.2.1 总体对结构与机构系统的要求156

6.2.4　总装对结构设计的要求157

6.2.2　环境与载荷条件157

6.2.3　其它系统对结构设计的要求157

6.3　结构与机构系统的设计过程158

6.3.1　可行性论证阶段158

6.3.2　方案设计阶段158

6.3.3　详细设计阶段159

6.4　设计思想与准则159

6.4.1　提高可靠性措施160

6.4.2　制定结构与机构的设计规范160

6.5　载荷与强度分析160

6.5.1 载荷160

6.5.2　强度条件163

6.6　舱体结构试验165

6.6.3　结构动力学试验166

6.6.2　结构静强度考核试验166

6.6.1 生产试验166

6.7　舱段壳体结构的分类与结构形式167

6.7.1　壳体结构的基本构件167

6.7.2　壳体结构172

6.7.3　载人航天器的密封舱174

6.8　载人航天器的机构和装置182

6.8.1　连接、解锁与分离装置182

6.8.2　舱门机构186

6.8.3　空间对接装置186

参考文献187

第七章　载人航天器防热结构189

7.1 返回时的气动加热189

7.1.1　再入气动加热的严重性189

7.1.2　克服气动热的途径190

7.2 防热结构及其类型191

7.2.1 热容吸热式防热结构192

7.2.2　辐射防热结构195

7.2.3　烧蚀防热结构201

7.3　防热结构试验205

7.3.1　材料筛选试验205

7.3.2　热结构匹配试验207

7.3.3　防热结构再入气动加热模拟试验209

参考文献212

第八章 载人航天器制导、导航与控制（GNC）系统214

8.1 概述214

8.1.1　基本概念和定义214

8.1.2　载人飞船GNC技术发展概况215

8.2 载人飞船GNC系统的任务、设计原则及组成216

8.2.1 载人飞船GNC系统的任务216

8.2.2　载人飞船GNC系统的设计原则216

8.2.3　载人飞船GNC系统的组成217

8.3.1 飞船姿态运动方程222

8.3 载人飞船轨道运行段三轴姿态确定和控制222

8.3.2　载人飞船姿态确定227

8.3.3　载人飞船姿态控制律设计234

8.3.4　载人飞船的全姿态捕获技术239

8.3.5　建立飞船离轨制动发动机点火姿态241

8.4 载人飞船的空间导航方法242

8.4.1　载人飞船空间导航的任务242

8.4.2　载人飞船捷联式惯性导航方法242

8.4.3　捷联矩阵的算法244

8.4.4　导航计算步骤246

8.5 载人飞船再入大气层控制技术250

8.5.1　概述250

8.4.5　捷联惯性导航的误差250

8.5.2　再入大气层的控制技术251

参考文献259

第九章　载人航天器热控制系统261

9.1　航天器空间环境261

9.1.1 宇宙真空和深黑低温261

9.1.2　微重力262

9.1.3　空间外热流263

9.2　航天器热控系统所应用的基本换热公式263

9.2.1 导热公式264

9.2.2 对流公式264

9.2.3　辐射公式265

9.3　载人航天器热控系统的任务265

9.6　载人航天器对热设计的特殊要求266

9.7　载人航天器的热平衡计算266

9.4　总体对热控系统的要求266

9.5　热控系统的工作内容266

9.8　载人航天器热控系统组成267

9.8.1　热设计与热计算子系统268

9.8.2　被动热控子系统268

9.8.3　液体冷却回路子系统269

9.8.4　主动热控子系统271

9.8.5　测控与地面调温子系统275

9.8.6　真空热试验子系统276

9.9　载人航天器热试验277

9.9.1　热平衡试验277

9.9.2　热真空试验292

9.9.3　返回着陆升温试验293

9.9.4　地面调温试验293

参考文献294

10.2.1 电源系统的组成295

10.2　一般电源系统描述295

第十章　载人航天器电源系统295

10.1　名词术语295

10.2.2 电能源与贮能装置296

10.2.3　配电系统297

10.3　电源系统的职能298

10.3.1　一般技术要求298

10.3.2　系统级职能298

10.4 电源系统的系统级设计299

10.4.1 电源系统选择与设计原则299

10.4.2 电源系统系统级设计过程300

10.4.3　载人航天器电源系统设计特点301

10.5　太阳光电电源系统302

10.5.1 概述302

10.5.2　太阳电池阵303

10.5.3　太阳电池特性304

10.5.4　蓄电池组305

10.5.5　太阳电池阵控制306

10.5.6　母线电压调节308

10.5.7　发射时间与太阳入射角309

10.6　燃料电池与再生式燃料电池309

10.6.1　概述309

10.6.2　燃料电池反应原理309

10.6.3　再生式燃料电池310

10.7　太阳动力发电系统311

10.7.1 概述311

10.7.2　聚能器311

10.7.3　接收器311

10.7.4　能源转换设备312

10.8.1　核能的空间应用313

10.8.2　核电源系统组成313

10.8　空间核电源313

10.9　空间系绳发电系统314

10.9.1　概述314

10.9.2　发电与贮能315

10.9.3　飞行试验316

10.10　“阿波罗”飞船电源系统317

10.10.1　电源系统概述317

10.10.2　燃料电池系统317

10.10.3　蓄电池系统320

10.10.4　配电系统321

10.11　“天空实验室”电源系统323

10.11.1　燃料电池-蓄电池系统323

10.11.2　太阳电池阵-蓄电池系统324

10.13.1　电源系统需求326

10.13　空间站电源系统设计326

10.12.3　辅助发电装置326

10.12.2　燃料电池与蓄电池组326

10.12.1　概述326

10.12　航天飞机轨道器电源系统326

10.13.2　概念研究与方案选择327

10.13.3　混合电源系统328

10.14　苏联载人航天器电源系统330

10.14.1 “联盟”号飞船电源系统330

10.14.2　“礼炮”号与“和平”号空间站电源系统330

参考文献331

第十一章　载人航天器测控与通信系统332

11.1　概述332

11.2　美俄载人航天测控与通信系统332

11.2.1 美国载人航天测控与通信系统332

11.2.2　俄罗斯载人航天测控与通信系统339

11.3　测控与通信的基本原理339

11.3.1　跟踪测轨340

11.3.2　遥测343

11.3.3　遥控344

11.3.4 图像信息传输344

11.3.5　天地话音传输345

11.3.6　信道设计345

11.4　载人航天测控与通信系统工程设计中的几个问题347

11.4.1 电磁兼容性问题347

11.4.2 空间环境适应性设计问题347

11.4.3　可靠性与安全性设计问题347

11.5　分包遥测和分包遥控347

11.5.1 开放系统互连模型347

11.5.2　分包遥测遥控概念354

11.5.3　分包遥测标准356

11.5.4　分包遥控标准361

11.6　高级在轨系统369

参考文献375

第十二章 载人航天器数据管理系统376

12.1　概述376

12.2　航天器数据管理系统的主要功能和设计特点378

12.2.1　航天器数据管理系统的主要功能378

12.2.2　航天器数据管理系统的设计特点379

12.3　航天器数据管理系统接口379

12.3.1　遥测通道接口380

12.3.2　遥控通道接口380

12.3.3　数据总线接口381

12.4　航天器数据管理系统的体系结构382

12.4.1　集中式体系结构382

12.4.2　分布式体系结构383

12.5.1 遥控单元TCU和指令译码单元CDU386

12.5　航天器数据管理系统部件介绍386

12.5.2 中央单元CTU387

12.5.3　远端RT390

12.5.4　数据总线DB391

12.6　航天器数据管理系统功能设计概述392

12.6.1　遥控设计和遥测设计392

12.6.2　航天器管理功能设计393

12.6.3　数管系统内务管理设计395

12.7 航天器数据管理系统软件396

12.7.1　航天器数据管理系统软件概述396

12.7.2　数管系统软件举例397

12.7.3　数管系统软件开发的步骤399

12.7.4　数管系统软件的产品保证计划399

12.7.5　数管系统软件的在轨维护401

参考文献402

13.2 载人航天器典型推进系统403

第十三章　载人航天器推进系统403

13.1 载人航天器推进系统的主要功能403

13.2.1　冷气推进系统404

13.2.2　单组元推进系统405

13.2.3　双组元推进系统408

13.2.4　电推进系统422

13.3 载人航天器推进系统设计426

13.3.1　推进系统的方案选择426

13.3.2　推进系统关键部件的选择和参数确定428

13.3.3　推进系统研制中的特殊要求429

13.4　推进技术展望431

13.4.1　长寿命、高可靠性推进系统431

13.4.2　能量更高的推进剂432

13.4.3　新发动机、推力器及其新材料和工艺434

参考文献434

14.2　载人航天器中的仪表436

14.2.1 大气数据系统的几个仪表436

第十四章　载人航天器仪表照明系统436

14.1 概述436

14.2.2　竖直刻度仪表439

14.2.3　伺服仪表与带式仪表440

14.2.4　数字仪表440

14.2.5　组合指令指示器441

14.2.6　“T”形布局仪表板442

14.2.7　阴极射线管仪表442

14.2.8　彩色液晶平板显示仪443

14.3　典型载人飞船和空间站仪表445

14.3.1　飞船各系统需监测与显示的参数445

14.3.2　“联盟”号飞船仪表446

14.4.1 航天飞机座舱布置和仪表板448

14.4　航天飞机仪表448

14.3.3　“阿波罗”飞船指挥舱仪表448

14.4.2　平视显示仪449

14.4.3 仪表显示与电视组合的光纤头盔显示器452

14.4.4　航天飞机注意及警告系统452

14.5 照明系统452

14.5.1　功用与种类452

14.5.2 基本要求452

14.5.3　仪表照明453

14.5.4　公用照明453

14.5.5 备用照明453

14.6　载人航天器仪表展望453

14.6.1 飞行器仪表的发展简况453

14.6.2 彩色液晶平板显示仪与场发射平板显示器454

14.6.4　带自然语言输出的仪表455

14.6.3　触敏显示屏455

14.6.5　智能仪表457

14.7　载人航天器仪表总体设计458

参考文献459

第十五章 载人航天器应急救生系统460

15.1　概述460

15.1.1　载人航天应急救生460

15.1.2　发射段救生方式461

15.2　“联盟TM”飞船的应急救生系统463

15.2.1　应急救生系统的任务463

15.2.2 系统设计中主要考虑的因素463

15.2.3　系统组成464

15.2.4 中止飞行及应急救生系统工作模式466

15.3　“阿波罗”飞船的逃逸救生系统469

15.3.1 概述469

15.3.2　逃逸系统的设计要求470

15.3.3 中止飞行程序471

15.3.4 发动机472

15.3.5　鸭式翼系统476

15.3.6　程序装置系统477

15.3.7　飞行动力学分析478

15.3.8　结构478

15.3.9　风洞试验479

参考文献480

第十六章 载人航天器回收与着陆系统481

16.1 概述481

16.2　着陆系统的任务483

16.3　着陆系统工作特点和设计原则484

16.4.3　执行机构485

16.4.2　着陆缓冲装置485

16.4.1　减速装置485

16.4　着陆系统的组成485

16.4.4　控制装置486

16.4.5　伞舱结构486

16.4.6　标位装置486

16.4.7　漂浮装置487

16.4.8　扶正装置487

16.5 减速装置487

16.5.1　降落伞系统的组成488

16.5.2　稳定下降速度488

16.5.3　常用的降落伞伞型489

16.5.4　降落伞系统的设计493

16.5.5　开伞冲击载荷和伞衣收口技术495

16.6　着陆缓冲装置499

16.6.1　着陆分析499

16.6.3　缓冲气囊500

16.6.2　压溃或压碎型缓冲装置500

16.6.4　着陆反推火箭发动机501

16.7　着陆程序的控制502

16.7.1　基本设计要求502

16.7.2　着陆控制方法和控制仪器502

16.7.3　载人飞船着陆程序控制实例503

参考文献506

第十七章　载人航天器地面电测试与故障模拟507

17.1 载人航天器电测试目的及意义507

17.2　载人航天器电测试方法和手段507

17.2.1　可测试性分析和设计507

17.2.2　电测试方案508

17.3　载人航天器电测试系统简介510

17.3.1　地面电测试系统510

17.3.2　电测试系统软件513

17.3.3 电测试系统的安全性和可靠性515

17.4　载人航天器研制过程的地面电测试515

17.4.1 电测试阶段划分515

17.4.2　电测试级别517

17.5　载人航天器故障模拟519

17.5.1　问题的提出519

17.5.2　故障模拟的手段519

17.5.3　故障模拟方法522

17.5.4　地面故障诊断系统523

参考文献526

第十八章　载人航天器地面试验527

18.1 概述527

18.1.1　地面试验的重要性527

18.1.2　力学环境527

18.1.3　空间环境528

18.1.4　航天产品等级与试验分类529

18.2.1　载人航天器结构特点530

18.2　力学环境模拟试验530

18.2.2　试验条件531

18.2.3　试验方法533

18.2.4　试验设备538

18.2.5　试验数据处理543

18.3　真空热环境试验544

18.3.1 载人航天器真空热试验的特点545

18.3.2　试验条件545

18.3.3　试验方法546

18.3.4　试验设备548

18.3.5 载人真空热环境试验及其设施550

参考文献555

19.1　概述556

19.1.1 载人航天器可靠性工作的重要意义556

第十九章　载人航天器的可靠性556

19.1.2　可靠性与安全性的关系557

19.1.3　工程研制与生产阶段可靠性主要工作项目557

19.2　可靠性设计与分析558

19.2.1　载人航天器可靠性设计分析工作特点558

19.2.2　可靠性、安全性定性设计分析技术559

19.2.3　可靠性、安全性定量设计分析技术566

19.2.4　可靠性、安全性综合设计与分析575

19.2.5　软件可靠性576

19.3　可靠性试验技术578

19.3.1　载人航天器可靠性试验的特点578

19.3.2　环境应力筛选579

19.3.3　可靠性增长和增长试验581

19.3.4　可靠性鉴定与验收试验584

19.3.5　可靠性试验的综合利用586

参考文献587