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第1章　绪论1

1.1　概述1

1.2　我国开展月球探测的意义2

1.3　国外月球探测发展历程4

1.3.1 国外早期的月球探测活动4

1.3.2　国外近期和未来的月球探测活动13

1.4　太阳系17

1.5　航天系统工程22

1.6　月球探测器的分类和系统组成29

1.6.1　月球探测器的分类29

1.6.2　月球探测器的系统组成31

1.7　月球探测器的研制阶段33

1.7.1　概念性研究阶段33

1.7.2　可行性论证阶段33

1.7.3　方案确定阶段34

1.7.4　工程研制阶段35

1.7.5　发射前准备阶段36

1.7.6　运营和管理阶段37

参考文献37

第2章　月球环境38

2.1　概述38

2.2　月球热环境38

2.2.1　太阳直接辐射39

2.2.2　月球反照40

2.2.3　月面辐射40

2.3　月球大气41

2.4　带电粒子辐射42

2.4.1　太阳宇宙线（SCR,Solar Cosmic Ray）42

2.4.2　银河宇宙线（GCR,Galactic Cosmic Ray）43

2.4.3　太阳风（Solar Wind）44

2.4.4　太阳扰动对月球探测器的影响44

2.5　微流星体51

2.5.1 NASA TN D-2747模型51

2.5.2 NASA-CR-68189模型51

2.5.3 NASA SP-8013模型51

2.5.4　微流星体质量—密度分布52

2.6　引力场52

2.7　月球地形53

2.7.1　月面地貌分布图53

2.7.2　月球地形特点53

2.7.3　月面撞击坑统计模型56

2.7.4　月面石块统计模型57

2.8　月尘环境59

2.8.1　粒度分布59

2.8.2　颗粒形态59

2.8.3　月壤密度59

2.8.4　相对密度60

2.8.5　孔隙度60

2.8.6　压缩性60

2.8.7　抗剪性和承载力61

参考文献62

第3章　月球基本概况和月球探测的科学目标63

3.1　月球基本概况63

3.1.1　月球的运动63

3.1.2　月球的地形地貌65

3.1.3　月球上的水66

3.1.4　月壤68

3.1.5　月球的物质成分72

3.1.6　月球内部结构79

3.1.7　月球的起源与演化80

3.2　中国月球探测科学目标83

3.2.1　月球探测与研究的关键科学问题83

3.2.2　我国月球探测的总体规划84

3.2.3　我国绕月探测工程科学目标84

参考文献88

第4章　月球探测器总体设计89

4.1　概述89

4.2　月球探测器总体设计的一般原则90

4.3　月球探测工程的顶层设计91

4.3.1　月球探测工程的任务目标确定92

4.3.2　任务需求分析93

4.3.3　工程的具体实施步骤规划94

4.3.4　工程各大系统总体初步可行性方案研究95

4.3.5　工程的技术继承性与衔接性分析96

4.4　月球探测器总体性能指标的确定和分配96

4.5　月球探测器构形设计101

4.5.1　月球探测器构形设计的一般原则102

4.5.2　月球探测器构形设计过程103

4.5.3　月球探测器外形选择105

4.5.4　月球探测器总体布局106

4.5.5　月球探测器的质量分配118

4.5.6　质量特性分析120

4.6　月球探测的飞行过程123

4.6.1　绕月探测的飞行过程123

4.6.2 着陆探测的飞行程序127

4.6.3 返回探测的飞行程序130

参考文献131

第5章　月球探测器轨道设计133

5.1　概述133

5.1.1　月球的基本物理参数133

5.1.2　月球的轨道134

5.2　月球探测器地月转移轨道设计135

5.2.1　二体问题近似135

5.2.2　圆锥截线拼接法138

5.2.3　地月转移轨道的精确求解142

5.2.4　如何将探测器送入地月转移轨道145

5.2.5　地月转移轨道的测量与中途修正146

5.2.6　发射机会和发射窗口147

5.3　月球卫星的轨道设计150

5.4　月球探测器软着陆轨道设计152

5.4.1　月球软着陆方式152

5.4.2　月球软着陆过程153

5.4.3　制动段轨道设计154

5.4.4　接近段轨道设计158

5.4.5　着陆段轨道设计159

5.4.6　软着陆下降轨道的技术要求160

5.5　月球探测器返回轨道设计161

5.5.1　月球探测器返回轨道设计方法161

5.5.2　月球探测器返回轨道设计理论165

参考文献174

第6章　月球探测器结构与机构系统177

6.1　概述177

6.1.1 着陆器结构177

6.1.2 软着陆机构179

6.2　月球着陆器结构设计181

6.2.1　结构方案设计181

6.2.2 结构详细设计186

6.2.3　桁架式结构设计189

6.3　月球着陆器结构分析与验证192

6.3.1　月球着陆器结构分析192

6.3.2　结构设计的验证方法197

6.3.3　结构静强度的验证199

6.3.4　结构动力特性的验证200

6.4　软着陆机构设计201

6.4.1 着陆腿的数量、构型与几何参数设计201

6.4.2　缓冲方法的确定203

6.4.3 缓冲器设计209

6.4.4　其他组件方案确定211

6.5　软着陆机构试验211

6.5.1　静力试验211

6.5.2　冲击试验212

6.5.3　缓冲器性能试验213

6.5.4　展开试验213

6.5.5　单个着陆腿的缓冲试验213

6.5.6　着陆腿组合缓冲性能试验214

参考文献214

第7章　月球探测器热控系统216

7.1　概述216

7.2　航天器热控系统设计基础216

7.2.1　环境条件的影响216

7.2.2　航天器在宇宙空间的热平衡分析218

7.2.3　热控设计的基本依据和主要原则220

7.2.4　热控措施的选择221

7.3　常用的热控材料和装置221

7.3.1　热控涂层222

7.3.2　多层隔热材料223

7.3.3　热管224

7.3.4　电加热器225

7.3.5　无源主动式热控装置226

7.3.6　流体循环换热装置228

7.3.7　热辐射器229

7.3.8 同位素温差热源在热控设计方案中的应用229

7.4　热分析计算231

7.4.1　外热流计算232

7.4.2　航天器温度计算233

7.5　热平衡试验234

7.5.1　空间热环境的模拟234

7.5.2　热控试验星237

7.5.3　试验工况237

7.6　月球探测卫星热控措施简介237

7.6.1　散热面设计和星表面多层设计237

7.6.2　卫星内部热控设计238

7.6.3　热管设计238

7.6.4　温度传感器设计238

7.6.5 电加热器238

7.6.6　加热控制器238

7.7　月球着陆探测器热控措施简介239

参考文献241

第8章 月球探测器制导、导航和控制（GNC）系统243

8.1　概述243

8.1.1　月球探测器的飞行方式243

8.1.2　月球探测器GNC系统任务244

8.1.3　月球探测器GNC系统的特点247

8.1.4　月球探测器GNC系统的设计内容247

8.1.5 GNC系统部件252

8.2　月球探测器的轨道控制技术253

8.2.1　轨道控制概述253

8.2.2　导航255

8.2.3　轨道预报误差分析255

8.2.4　逃逸轨道控制256

8.2.5　转移轨道控制258

8.2.6　进入段轨道控制262

8.3　月球卫星的制导、导航和控制系统268

8.3.1　工作轨道和入轨过程268

8.3.2 GNC系统功能269

8.3.3 GNC系统组成269

8.3.4 GNC系统工作模式271

8.4　月球软着陆探测器的制导、导航和控制系统272

8.4.1　任务概貌272

8.4.2　功能要求273

8.4.3 GNC系统组成274

8.4.4　系统工作模式和方案设计275

参考文献282

第9章　月球探测器推进系统283

9.1　概述283

9.1.1　航天器推进系统简介283

9.1.2　着陆器对推进系统的需求284

9.2　推进系统基本原理285

9.2.1　概述285

9.2.2　火箭的结构286

9.2.3　推进系统的分类287

9.2.4　固体火箭发动机288

9.2.5　液体推进系统289

9.2.6　电推进系统290

9.2.7　空间帆推进技术295

9.2.8　磁层推进技术297

9.3　国外典型着陆器推进系统299

9.3.1　美国月球勘测者探测器（Surveyor）299

9.3.2 Apollo着陆器300

9.3.3　前苏联Luna系列月球探测器301

9.3.4　通用月球着陆者CLL（Common Lunar Lander）303

9.3.5　美国月球前哨站FLO（First Lunar Outpost）304

9.3.6　乘员探索飞行器CEV（Crew Exploration Vehicle）计划305

参考文献308

第10章　月球探测器电源系统310

10.1　概述310

10.2　电源系统设计的要求310

10.2.1 电源系统设计的基本要求310

10.2.2　月球探测器的特殊要求311

10.3　太阳电池阵／蓄电池组联合电源314

10.3.1　太阳阵314

10.3.2　贮能装置320

10.3.3　电源控制设备330

10.3.4　几种典型的电源系统拓扑结构336

10.4　放射性同位素温差发电器342

10.4.1　概述342

10.4.2　放射性同位素热源342

10.4.3　热源盒344

10.4.4　温差电换能器345

10.4.5　热辐射器347

10.4.6　放射性同位素温差发电器的进展348

10.4.7　空间核电源的安全351

参考文献351

第11章　月球探测器跟踪通信系统353

11.1　概述353

11.2　测控（TT＆C）技术354

11.2.1 角跟踪和测角技术354

11.2.2　测速技术357

11.2.3　测距技术360

11.2.4　遥测362

11.2.5　遥控367

11.3　通信技术371

11.3.1　光机扫描成像遥感器372

11.3.2　推扫式扫描成像遥感器372

11.3.3　画幅式成像遥感器373

11.4　调制和解调体制374

11.4.1　残余载波调制体制（TT＆C）374

11.4.2　抑制载波调制体制（高速数据率通信／数传）376

11.4.3　调制体制和误码率（BER）、信噪比（SNR）和占用带宽（Bc）之间的关系376

11.5　月球探测C＆T的空间段380

11.5.1　阿波罗（Apollo）计划的跟踪、遥测、遥控和通信系统381

11.5.2　美国克莱门汀（Clementine）月球探测器所采用的通信测控技术384

11.5.3　美国月球勘探者号（Lunar Procpector,LP）采用的C＆T技术385

11.5.4　前苏联／俄罗斯月球探测所用的TT＆C技术空间段388

11.5.5 日本探月计划极月轨道器（LPO）采用的C＆T技术391

11.5.6 日本Selene（月神号）的C＆T技术392

11.5.7　欧空局月球探测拟采用的C＆T技术393

11.6　月球探测C＆T的地面段393

11.6.1 美国NASA的深空网（DSN）394

11.6.2　俄罗斯的深空网397

11.6.3 日本的深空站398

11.6.4　德国的深空站400

11.7　月球探测C＆T运行模式特点400

11.7.1　主动段400

11.7.2　停泊轨道段400

11.7.3　地月转移轨道段400

11.7.4　环月轨道段401

11.7.5　制动月面着陆段402

11.7.6　着陆固定勘测或移动勘测段——建立月球站402

参考文献402

第12章　月球探测器综合电子系统404

12.1　概述404

12.2　深空探测器综合电子系统的主要功能和设计特点405

12.2.1 主要功能406

12.2.2　设计特点407

12.3　深空探测器综合电子系统体系结构和分层模型407

12.3.1　集中式体系结构408

12.3.2　分布式体系结构409

12.3.3　分层模型411

12.4　深空探测器综合电子系统计算机技术应用418

12.4.1　嵌入式系统418

12.4.2　总线技术421

12.4.3　大容量存储技术425

12.4.4 COTS器件应用426

12.5　深空探测器综合电子系统功能设计427

12.5.1　遥控遥测功能设计427

12.5.2　时钟管理设计427

12.5.3　深空探测器程序控制功能设计428

12.5.4　数据处理功能设计429

12.5.5 自主控制功能设计429

12.5.6　综合电子系统内务管理设计430

12.5.7　其他功能431

12.6　深空探测器综合电子系统软件432

12.6.1　概述432

12.6.2　软件设计特点432

12.6.3　软件在轨维护433

12.7　综合电子系统集成设计和测试435

12.7.1　航天器系统功能和信息流分析435

12.7.2　电子系统硬件综合设计平台435

12.7.3　星载软件开发、测试、评测、配置项管理和软硬件协同仿真平台的建设436

12.7.4　航天器电子系统信息数据库建设436

12.7.5　航天器电子系统故障检测验证437

参考文献437

第13章　月球探测器可靠性设计438

13.1　概述438

13.2　航天器可靠性的指标确定、分配和可靠性预计440

13.2.1　航天器的可靠性指标440

13.2.2　可靠性指标分配441

13.2.3　可靠性预计441

13.3　航天器故障预想442

13.3.1　故障模式及其影响分析442

13.3.2　故障树分析（FTA）444

13.4　航天器可靠性评估（Bayes方法）451

13.4.1　指数寿命型系统可靠度451

13.4.2　成败型系统可靠度454

13.4.3　正态分布下的性能可靠度456

13.4.4 威布尔分布的性能可靠度近似解457

13.4.5 系统可靠性评估示例461

13.5　软件可靠性简述462

13.5.1　软件的特点463

13.5.2　软件的可靠性验证试验463

13.5.3　软件的无失效考核交付试验463

13.5.4　软件可靠性评价464

13.6　可靠性管理简述464

13.7　航天器可靠性发展趋势465

参考文献466

第14章　月球车468

14.1　概述468

14.2　国外相关情况469

14.2.1 国外成功的不载人月球车、行星车469

14.2.2　国外月球探测计划中的月球车471

14.2.3　国外典型的地面试验车472

14.2.4　国外探测车的启示473

14.3　系统组成及功能474

14.3.1 系统组成474

14.3.2　工作程序475

14.3.3　主要工作模式475

14.4　月球环境的影响分析476

14.4.1　地月几何特征分析476

14.4.2　辐射环境效应分析476

14.4.3　真空环境效应分析477

14.4.4　低重力影响分析477

14.4.5　地形地貌影响分析477

14.4.6　月壤以及月尘的影响分析477

14.4.7　月表温度影响分析478

14.4.8　月面光照条件分析478

14.5　月球车任务分析479

14.5.1 移动类型479

14.5.2　轮子数量479

14.5.3　运动速度和路程确定480

14.5.4　爬坡和越障分析480

14.5.5　安全防护和自主导航控制能力分析480

14.5.6　工作寿命与过夜分析481

14.6　移动技术481

14.6.1　移动子系统481

14.6.2　六轮运动学分析483

14.6.3　正反四边形悬架488

14.6.4　月球车移动机构性能及其评价体系492

14.7　制导、导航与控制技术494

14.7.1 GNC系统结构494

14.7.2 GNC硬件系统496

14.7.3　导航与控制技术496

14.8　月球车试验场499

14.8.1　国外试验场情况499

14.8.2　重力模拟502

14.8.3　内场与外场试验504

参考文献504

第15章　月球探测器环境与环境试验506

15.1　概述506

15.2　月球探测器环境506

15.2.1　地面环境507

15.2.2　主动段环境507

15.2.3　空间飞行环境509

15.2.4　月面环境510

15.2.5　返回环境510

15.3　环境对月球探测器的影响510

15.3.1　月球探测器对力学环境的结构响应510

15.3.2　月球探测器的空间环境效应512

15.4　月球探测器环境试验513

15.4.1　环境试验目的514

15.4.2　环境试验分类514

15.4.3　环境试验的剪裁516

15.4.4　再试验517

15.5　力学环境试验518

15.5.1　结构静载荷试验518

15.5.2　正弦振动试验519

15.5.3　随机振动试验519

15.5.4　噪声试验520

15.5.5　冲击试验521

15.5.6　加速度试验523

15.6　热环境试验523

15.6.1　真空热平衡试验523

15.6.2　热真空试验524

15.6.3　常压热循环试验525

15.7　空间环境试验526

15.7.1　真空放电试验526

15.7.2　真空冷焊试验526

15.7.3　辐照试验527

15.8　电磁兼容性试验527

参考文献528