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出版者:The MIT Press

作者:Gordon K. Mandell

出品人:

页数:652

译者:

出版时间:1973-09-15

价格:USD 70.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780262632782

丛书系列:

图书标签:

• 模型火箭
• 高级模型
• 火箭技术
• 航空航天
• 科学
• 工程
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• 教育
• 实验

《现代航天工程原理与实践》 内容简介 本书深入探讨了二十一世纪航天技术的核心原理、前沿发展及其在实际工程中的应用。全书涵盖了从基础轨道力学到复杂载荷设计、从新型推进技术到深空探测任务规划的广泛领域，旨在为航空航天工程师、研究人员以及高年级学生提供一个全面且深入的参考。 第一部分：轨道力学与任务设计基础 本书首先建立起坚实的理论基础，详细阐述了经典牛顿力学在航天器动力学中的应用。 第一章：基础轨道动力学 本章详细解析了开普勒定律和万有引力定律在航天任务规划中的具体体现。我们首先回顾了二维轨道运动的分析方法，包括真近点角、幅角和升交点赤经等关键轨道要素的定义与转换。重点分析了圆锥曲线轨道（椭圆、抛物线、双曲线）的特性及其在不同任务阶段的应用。随后，引入了三体问题（尤其是限制性三体问题，如地月系统）的数值求解方法，并讨论了摄动理论在长期轨道维持中的重要性，包括大气阻力、太阳光压以及地球非球形引力场对轨道的影响。特别地，本章引入了先进的“相空间”分析方法，用于评估轨道机动操作的效率和限制。 第二章：发射窗口与轨道机动 本章聚焦于如何高效地将航天器送入预定轨道。发射窗口的确定是首要任务，我们分析了地球自转、目标轨道倾角和近地点/远地点位置之间的复杂耦合关系，并介绍了计算最佳发射时间的蒙特卡洛模拟方法。轨道转移技术是本章的核心：霍曼转移、高阶椭圆转移以及更具燃料效率的低推力转移（如使用太阳帆或离子推进器）的性能和约束条件进行了详尽的对比。此外，对复杂的会合与交会对接（Rendezvous and Proximity Operations, RPO）的导航、制导与控制（GNC）策略进行了深入剖析，包括基于卡尔曼滤波器的状态估计和基于势场的避碰路径规划。 第二部分：航天器系统工程与结构热控 本部分将理论应用于实际硬件的构建，关注航天器子系统的设计、集成与环境适应性。 第三章：航天器总体设计与结构分析 航天器设计是一个多学科交叉的复杂过程。本章首先概述了任务需求定义、概念设计和详细设计的流程（Preliminary Design Review, PDR；Critical Design Review, CDR）。结构设计方面，重点探讨了火箭发射过程中的载荷分析，包括振动、冲击和声学载荷的预测与测试标准。材料选择方面，对比了传统铝合金、钛合金与先进碳纤维复合材料（CFRP）在比强度、疲劳寿命和热膨胀系数上的优劣。结构分析部分，详细介绍了有限元分析（FEA）在预测模态、应力分布和刚度特性方面的应用，并讨论了空间碎片撞击防护（如Whipple屏蔽）的设计原理。 第四章：热控系统与环境防护 在真空和极端温差的环境中，精确的温度控制对航天器电子设备和载荷的可靠性至关重要。本章详细介绍了被动热控（如多层隔热材料MLI、表面涂层、热管和散热器）和主动热控（如循环流体回路、电阻加热器）的设计原理。辐射传热是核心议题，本章包含了黑体辐射、漫反射与镜面反射的计算模型，以及如何利用辐射交换系数矩阵求解复杂的内部热平衡。同时，探讨了对流传热在返回大气层和行星际推进器散热中的作用，以及对电池、敏感光学仪器等关键部件的局部温控策略。 第三部分：先进推进技术与能源系统 推进系统是决定航天器性能和任务范围的关键。本章深入研究了化学推进的极限与未来电推进、核推进的潜力。 第五章：化学推进系统优化 本章对当前主流的液氧/煤油（LOX/Kerosene）、液氢/液氧（LOX/LH2）以及高能固态推进剂的性能进行了量化比较，重点分析了比冲（$I_{sp}$）和推重比的工程实现。燃烧室设计是关键，涉及喷注器设计、燃烧稳定性分析和热流密度控制。喷管设计则侧重于扩展比（Area Ratio）对真空性能的优化，并讨论了可变截面喷管技术在不同大气压力下的效率提升。此外，对姿态控制系统（RCS）中常用的冷气推进和单组元/双组元化学推进器的可靠性与寿命进行了评估。 第六章：电推进与未来概念 电推进技术因其极高的比冲而在深空和长时间任务中占据重要地位。本章详细讲解了霍尔效应推进器（HET）和离子推进器（Gridded Ion Thrusters）的工作机理，包括等离子体生成、加速机制以及对栅极的损伤问题。对不同电推进器的推力密度、功率效率和寿命进行了系统的对比分析。此外，本章对核热推进（NTP）和核电推进（NEP）的理论可行性、安全冗余以及对地缘政治的潜在影响进行了前瞻性探讨。 第七章：航天电源系统 为航天器提供可靠、持续的能源是任务成功的保障。本章分析了太阳能电池阵（Solar Arrays）的性能衰减模型，包括辐射损伤和尘埃覆盖的影响，以及柔性薄膜太阳能电池的最新进展。对于深空任务，放射性同位素热电发生器（RTG）和放射性同位素加热单元（RHU）的设计与安全标准被详细阐述。电源管理与分配（PMAD）系统是本章的另一重点，包括高效率DC-DC转换器、电池充放电管理（尤其针对锂离子电池在极端温度下的表现）和故障隔离技术的工程实现。 第四部分：有效载荷、遥感与数据处理 本部分关注航天器的“使命”——它携带的科学仪器、观测技术和数据回传机制。 第八章：光学与微波遥感载荷 本章深入探讨了用于地球观测、天文观测和行星科学任务的典型有效载荷。光学载荷方面，详细分析了望远镜系统的衍射限制、像差校正（如离轴三反系统）以及高灵敏度探测器（如CMOS/CCD阵列）的噪声抑制技术。对于微波遥感，合成了合成孔径雷达（SAR）的工作原理，包括斜视角、分辨率与后向散射系数的定量关系，以及数据处理中的聚焦（Focusing）算法。本章还涵盖了激光雷达（Lidar）在地形测绘和大气探测中的应用。 第九章：在轨导航、通信与数据链路 精确的定位和可靠的通信是现代航天器的生命线。导航方面，本书对星敏感器、陀螺仪和加速度计的误差模型进行了分析，并探讨了利用GPS/GLONASS进行深空自主导航（Interplanetary Navigation）的技术挑战。通信方面，对比了S波段、X波段和Ka波段的链路预算设计，讨论了高增益天线（HGA）的波束指向精度要求和抗干扰设计。数据压缩、加密技术和地面站网络的协同操作也作为关键组成部分被纳入讨论。 第十部分：入轨、再入与航天器处置 本书以航天器生命周期的终结环节作结，强调可持续性和空间环境责任。 第十章：大气再入与返回技术 大气再入是一个极端的热力学和气动学挑战。本章详细分析了超音速气流中的激波形成、气动加热的计算（基于焓弛豫模型）以及烧蚀材料（如酚醛树脂基碳/碳复合材料）的性能指标。对不同再入轨迹（快速再入、跳跃式再入）的选择标准进行了对比。对于载人返回任务，重点讨论了隔热罩的结构完整性、降落伞系统的多级展开时序和着陆冲击缓冲设计。 第十一章：空间任务末期处置与碎片缓解 本章强调轨道可持续性。对于近地轨道（LEO）航天器，详细分析了“25年报废标准”的依据，包括被动衰减、推进剂剩余管理以及轨道交会/对接技术在在轨服务（On-Orbit Servicing, OOS）中的应用。对于静止轨道（GEO）卫星，讨论了利用剩余燃料将航天器提升至“墓地轨道”的机理和必要性。此外，本章还涵盖了主动空间碎片清除（Active Debris Removal, ADR）的概念任务，如捕获、拖拽或离轨技术的可行性分析。 本书力求以严谨的工程视角，结合最新的研究成果，为读者提供一个深入了解现代航天体系结构的知识框架。每一章的末尾均附有针对性的案例分析和需要进一步研究的开放性问题。

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这本书的出版，无疑为模型火箭爱好者打开了一个全新的视野。我原本以为自己对模型火箭的了解已经相当深入，但阅读了 "Topics in Advanced Model Rocketry" 之后，才发现自己只是触及了冰山一角。书中关于高超音速飞行器的空气动力学特性的讨论，让我对未来模型火箭的发展方向有了更清晰的认识。作者不仅仅是停留在传统的亚音速和跨音速理论，而是大胆地将超燃冲压发动机的原理融入到模型火箭的设计考量中。虽然这部分内容可能对初学者来说有些挑战，但对于有志于探索模型火箭极限的爱好者而言，这无疑是提供了宝贵的启发。我还对书中关于先进复合材料在火箭结构应用的部分印象深刻，了解了如何利用碳纤维、凯夫拉等材料在保证强度的同时，最大限度地减轻火箭整体重量，从而提升性能。作者还详细介绍了使用有限元分析（FEA）软件来模拟火箭结构的应力分布和失效模式，这让我意识到，未来模型火箭的设计，将越来越依赖于计算机辅助工程（CAE）的力量。

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"Topics in Advanced Model Rocketry" 是一本充满深度和广度的著作，它不仅仅是一本“技术手册”，更像是一次对模型火箭科学前沿的探索之旅。我尤其欣赏书中关于“智能火箭”概念的阐述。作者不仅仅停留在被动飞行的模型火箭，而是深入探讨了如何集成微处理器、惯性测量单元（IMU）和GPS模块，从而实现对火箭飞行姿态的主动控制、路径修正，甚至是在轨道的精确制导。这让我看到了模型火箭与现代航空航天技术的融合，为业余爱好者提供了参与更高级别项目的可能性。书中对各种传感器的工作原理和数据融合算法的讲解，让我对如何提升火箭的自主性和智能化有了更深刻的理解。此外，关于电子点火系统和多级火箭分离机制的详细设计和故障排除指南，也极大地增强了我对复杂模型火箭的信心。作者的叙述严谨而清晰，即使是涉及复杂的数学模型，也常常配以直观的图示和生动的例子，使得晦涩的理论变得易于理解。

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"Topics in Advanced Model Rocketry" 是一本真正意义上的“进阶”读物。它挑战了我对模型火箭的固有认知，并引导我走向了更广阔的科学领域。书中关于“高功率模型火箭的安全性考量”的部分，让我更加重视每一个细节。作者不仅仅是列出危险性，而是深入分析了事故发生的根本原因，并提供了详实的预防措施。我尤其对书中关于“压力容器设计”和“稳健性测试”的章节印象深刻，这让我意识到，即使是看似简单的模型火箭，也需要经过严谨的设计和测试流程才能确保安全。作者还对国际上的一些先进模型火箭技术进行了案例分析，比如他们是如何解决复杂环境下的发射问题，以及如何实现远程控制和监控。这为我们提供了国际视野，也让我们看到了模型火箭未来发展的无限可能。总而言之，这是一本能够激发灵感、提升技能，并拓展模型火箭爱好者视野的杰出作品。

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这本书让我认识到，模型火箭的世界远比我想象的要精彩得多。我一直对火箭回收系统很感兴趣，而 "Topics in Advanced Model Rocketry" 在这方面提供了一些非常新颖的思路。书中不仅仅是介绍传统的降落伞设计，还深入探讨了主动式回收系统，比如利用小型反推火箭进行减速，或者通过气囊展开来缓冲着陆。作者还分析了不同回收方式在不同飞行高度和速度下的适用性，以及如何通过传感器数据来智能判断最佳的回收时机。这让我开始思考，如何将这些先进的回收技术应用到我自己的模型火箭项目中，以期提高回收的成功率和降低损坏风险。此外，书中关于多级火箭设计的章节也让我受益匪浅，理解了如何精确控制每一级火箭的点火时机和分离顺序，以实现最佳的整体性能。作者还对火箭的结构可靠性和材料选择进行了细致的分析，为我们提供了在不同环境下设计和制造火箭的宝贵参考。

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"Topics in Advanced Model Rocketry" 绝对是那些对模型火箭的理论和实践有着更深层次追求的爱好者的宝藏。我花了好几个晚上沉浸其中，尤其被书中关于复杂推进系统分析的部分深深吸引。作者不仅仅是罗列公式，而是细致入微地解释了各种推进剂在不同工况下的能量释放曲线，以及如何通过优化药柱设计来达到预期的推力曲线。对于那些厌倦了简单黑火药火箭，渴望挑战更高速度、更远射程，甚至想要探索液体燃料混合比对性能影响的读者来说，这本书提供了坚实的理论基础。书中还对火箭气动外形设计进行了深入探讨，从翼型选择到稳定尾翼的最佳布局，都给出了详实的计算方法和模拟手段。我特别喜欢其中关于“动态稳定性”的章节，这让我开始重新审视我以往的设计，理解了在高速飞行中，气动力的微小变化如何对飞行姿态产生巨大影响。此外，作者还花费了大量篇幅讲解了高精度遥测系统的搭建和数据采集分析，这对我来说是全新的领域，让我看到了将业余模型火箭推向科学实验新高度的可能性。

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