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第1章 引言1

第2章 历史和发展现状7

2.1空间站的设想、方案和早期设计（1865—1957）7

2.2美国空间站的研究（1957—1985）及天空实验室12

2.3苏联及俄罗斯空间站：礼炮号和和平号29

2.4欧洲的空间实验室和美国的空间居住舱36

2.4.1欧洲的空间实验室项目36

2.4.2美国的空间居住舱46

2.5从和平号空间站到国际空间站（1994—2004）54

2.5.1第一阶段（1994—1998）：和平号空间站进一步扩大和运行55

2.5.2第二阶段（1998 —2000）：国际空间站开始组装59

2.5.3第三阶段（2000 —2004）：国际空间站的运行和发展63

2.5.4国际空间站概述64

2.6空间站比较71

第3章 轨道环境73

3.1引力场74

3.1.1从中心体发出的远距离引力场74

3.1.2靠近中心体的引力场75

3.2磁场77

3.2.1地球磁场77

3.2.2太阳磁场80

3.3放射性辐射82

3.3.1基本原理82

3.3.2太阳源的低能粒子——太阳风83

3.3.3太阳源的高能粒子——太阳耀斑84

3.3.4银河系源粒子84

3.3.5地球磁场内的辐射带85

3.3.6辐射对材料及人体器官的影响87

3.3.7防护措施90

3.4电磁辐射93

3.4.1银河系射频噪声94

3.4.2太阳辐射94

3.4.3太阳辐射压力96

3.4.4反照辐射97

3.4.5热辐射99

3.5自然辐射源和其他辐射源99

3.6大气层101

3.6.1组成成分101

3.6.2原子氧107

3.7电离层109

3.7.1电离层模型110

3.7.2电离层的变化110

3.7.3电离层无线电波的状况111

3.8固体物质112

3.8.1流星体112

3.8.2分散通量114

3.8.3流星雨115

3.8.4空间碎片116

3.8.5空间碎片的产生117

3.8.6空间碎片的发展及引起的风险120

3.8.7防止空间碎片的产生及对空间站的意义122

3.9诱发环境——污染126

3.9.1分子沉积126

3.9.2分子纵向密度127

3.9.3粒子释放128

第4章 环境控制与生命保障系统132

4.1环境控制与生命保障系统：航天员的环境保护132

4.1.1生理边界条件132

4.1.2新陈代谢边界条件136

4.1.3附加边界条件137

4.2环境控制与生命保障系统的任务137

4.2.1综述和分类137

4.2.2大气管理139

4.2.3水管理156

4.2.4废物管理165

4.2.5食物供给166

4.2.6航天员安全性167

4.3生物再生式环境控制与生命保障系统展望168

4.3.1生物圈研究170

4.3.2单独生物部分171

4.4总结173

第5章 电源和热控系统176

5.1电源供给177

5.1.1空间站特性178

5.1.2能源和存储系统179

5.2技术184

5.2.1光伏太阳能发电机184

5.2.2太阳能动力系统196

5.2.3阴影期间对太阳能动力系统的影响200

5.2.4光伏系统和太阳能动力系统的比较204

5.2.5能量分配和管理207

5.3全部系统的实例211

5.4热控系统的任务216

5.5热控系统221

5.5.1被动热控系统221

5.5.2主动热控系统223

5.5.3热控系统硬件的性能和技术数据227

5.5.4热控系统设计的边界条件229

5.5.5散热器231

5.6系统实例235

5.7国际空间站的热控系统236

5.7.1被动热控系统236

5.7.2主动热控239

第6章 姿态和轨道控制系统247

6.1姿态和轨道控制问题247

6.2扰动249

6.2.1气动阻力250

6.2.2气动力矩253

6.2.3重力梯度254

6.2.4运行影响257

6.3飞行策略258

6.3.1姿态控制策略258

6.3.2轨道控制策略265

6.4推进系统技术272

6.4.1推力器273

6.4.2控制力矩的产生277

6.4.3敏感器282

6.5总体系统283

第7章 应用286

7.1环境条件和应用学科286

7.1.1失重和微重力287

7.1.2真空291

7.1.3空间辐射292

7.1.4应用学科的概述293

7.2物理学和材料科学296

7.2.1可用于未来研究的成果和领域296

7.2.2国际空间站的前景318

7.3生命科学和生物技术319

7.3.1取得的成果和未来研究的领域319

7.3.2强调生命科学领域的进一步研究329

7.4空间科学333

7.4.1空间科学的典型学科：天体物理学和辐射物理学333

7.4.2国际空间站给空间科学提供了哪些有益途径？337

7.5对地观测339

7.5.1空间站能给对地观测带来什么？339

7.5.2从国际空间站进行对地观测340

7.5.3气象学341

7.5.4生态学341

7.6工程科学和技术的发展343

7.6.1验证新的技术344

7.6.2系统和组件研发的例子344

7.7工业和商业应用前景348

7.7.1应用的潜在领域348

7.7.2流体和材料科学349

7.7.3生物技术和医药350

7.7.4工业应用351

第8章 微重力353

8.1微重力的位置优势353

8.2获取微重力的途径356

8.2.1落塔356

8.2.2抛物线飞行358

8.2.3探空火箭359

8.2.4空间舱360

8.2.5飞行机会361

8.2.6航天飞机货架卫星363

8.2.7欧洲可回收平台363

8.2.8空间实验室364

8.2.9空间站365

8.2.10飞行方式比较366

8.3空间站上的摄动加速度368

8.3.1空气阻力369

8.3.2潮汐力370

8.3.3 g抖动375

8.3.4太阳辐射光压380

8.4摄动补偿和悬浮381

第9章 系统工程387

9.1航天项目的生命周期387

9.1.1 0阶段389

9.1.2 A阶段—可行性391

9.1.3 B阶段—初步定义391

9.1.4 C阶段—详细定义391

9.1.5 D阶段—生产/地面鉴定试验392

9.1.6 E阶段—使用392

9.1.7 F阶段—处置392

9.2方案设计问题393

9.2.1“模糊”问题表达393

9.2.2系统元素间很强的相互依赖性394

9.2.3方案设计决策中的预先确定特性396

9.2.4极端边界条件397

9.3方案设计的方法与工具398

9.3.1方案设计方法论399

9.3.2系统元素特征化406

9.3.3方案设计工具420

9.4空间站体系425

9.4.1概念开发小组和“自由”方案425

9.4.2和平号空间站结构430

9.4.3哥伦布自由飞行实验室431

9.4.4国际空间站432

第10章 协同435

10.1术语和概念435

10.2分系统联接436

10.3系统平衡438

10.4协同联接实例440

10.4.1非完整系统442

10.4.2用于能量存储的再生燃料电池446

10.4.3用于污染物过滤的再生燃料电池450

10.4.4电解生产推进剂454

10.4.5安全性与可靠性456

10.5总结457

第11章 人的因素459

11.1术语和历史发展460

11.2空间中的人462

11.2.1中性姿势462

11.2.2平衡觉损伤463

11.2.3体液转移464

11.2.4 肌肉萎缩464

11.2.5脱钙464

11.3人因工程465

11.3.1组织和集成465

11.3.2人因工程的方法466

11.3.3人因工程支持的方式470

11.4工作站设计475

11.4.1人体测量范围475

11.4.2身体限制475

11.5可居住性和乘员表现482

11.6航天员选择485

11.6.1航天员任务和职责485

11.6.2挑选标准486

11.6.3淘汰标准488

11.6.4挑选流程489

第12章 后勤、通信和运行491

12.1后勤491

12.1.1运输要求492

12.1.2发射系统及运输能力497

12.1.3自动转移飞行器498

12.1.4返回飞行器504

12.1.5舱外活动506

12.2数据和通信系统508

12.2.1数据管理系统509

12.2.2空间站的传输路径510

12.2.3分布式数据系统513

12.2.4无线通信系统设计519

12.2.5天线523

12.2.6调制和编码526

12.2.7跟踪与数据中继卫星系统529

12.2.8国际空间站的数据和通信系统531

12.3自动化和维护532

12.3.1空间站上的有效载荷运行532

12.3.2基于维护和修理的有效载荷设计535

12.3.3有效载荷操作的自动化536

12.3.4测试和确认543

12.3.5小结544

12.4遥科学544

12.4.1航天员时间——重要资源545

12.4.2遥操作和遥呈现547

第13章 国际空间站551

13.1空间站和任务要素551

13.1.1国际空间站的特点552

13.1.2国际空间站的逐步组装555

13.1.3任务特点556

13.2增压舱段和有效载荷结构558

13.2.1美国实验舱559

13.2.2哥伦布轨道设施561

13.2.3日本实验舱565

13.2.4俄罗斯实验舱565

13.3外部有效载荷的安置567

13.3.1美国综合桁架体结构567

13.3.2日本实验舱暴露设施569

13.3.3俄罗斯外部有效载荷固定位置569

13.3.4空间站外部机器人系统570

13.3.5外部环境监测572

13.4运输系统和后勤集装箱572

13.4.1微型加压后勤舱574

13.4.2非加压后勤运载器576

13.4.3日本实验后勤舱576

13.4.4自动转移飞行器576

13.5有效载荷和有效载荷选择576

13.5.1典型有效载荷：实验设施和实验设备576

13.5.2一级有效载荷的选择和用户578

13.5.3商业用户的准入581

13.5.4应用计划582

13.5.5空间站应用的国际协调584

13.5.6从方案设计到鉴定585

13.5.7开发支持587

13.5.8用户支持和运行中心588

13.5.9从地面验证到发射590

13.5.10实验器材的实施情况：从在轨安装到往地面送回数据592

13.6国际空间站应用的准备595

13.6.1现行美国国家航空航天局和欧洲空间局早期应用计划595

13.6.2早期应用阶段的欧洲设施597

13.6.3欧洲空间局在早期应用阶段的准备600

13.6.4初期应用阶段的欧洲应用计划609

13.6.5常规阶段和用户付费610

13.6.6未来有效载荷的准备613

参考文献615

术语汇编642