空間科學概論（簡體書）

空間科學是以航天器為主要工作平臺，研究行星地球、日地空間、太陽系乃至整個宇宙，回答太陽系乃至整個宇宙的形成與演化、生命的起源與進化、物質結構等重大科學問題的交叉性、綜合性新興科學領域。《空間科學概論》從人類利用航天器探索和進入空間的歷史開始，介紹空間科學各分支領域研究的重大科學前沿問題、開展空間科學研究必備的基礎技術知識、航天器研製過程的基礎管理知識，同時論述了空間科學領域國際合作的必要性，並對中國空間科學的未來發展規劃進行了闡述。

目錄

序言 i

前言 iii

第一章 為什麼要進入空間開展研究 1

第一節 概述 1

第二節 瞭解未知的空間環境 2

第三節 突破大氣層對電磁波的阻隔 2

第四節 利用軌道高度資源 3

第五節 揭去地球重力的面紗 4

第六節 利用其他空間環境 4

第七節 空間科學的定義 5

參考文獻 6

第二章 人類探索和進入空間的歷史 7

第一節 概述 7

第二節 人類探索空間的歷史 7

一、人類對空間研究的歷史 7

二、從伽利略開始的空間觀測技術發展 11

三、人類進入空間的簡史 14

第三節 人類探索空間的*新技術進展 19

一、火箭技術 19

二、衛星與探測器技術 20

三、測控通信技術 21

四、發射和回收場技術 22

參考文獻 23

第三章 空間科學的重大前沿問題之一 24

第一節 概述 24

第二節 宇宙的起源與演化 24

一、時間維度 24

二、空間維度 26

三、重要的前沿問題 28

第三節 太陽活動對人類的影響 33

一、太陽活動 33

二、行星際空間天氣 34

三、地球磁層 34

四、地球電離層 36

五、中高層大氣 37

六、重要的前沿問題 38

參考文獻 40

第四章 空間科學的重大前沿問題之二 41

第一節 概述 41

第二節 地球系統及其未來的變化 41

一、地球的圈層 41

二、重大科學前沿問題 47

第三節 微重力科學和空間生命科學 49

一、如何模擬微重力環境 49

二、微重力條件下，什麼改變了？ 52

三、生物輻射效應 52

四、基礎物理實驗 53

五、重要的前沿問題 53

參考文獻 54

第五章 航天系統工程與各系統的組成 56

第一節 概述 56

第二節 航天系統工程 56

一、複雜性 57

二、風險性 58

三、高成本性 59

四、政治與社會效益敏感性 59

第三節 航天系統工程各系統組成 60

一、衛星（飛行器）系統 61

二、運載系統 62

三、發射場系統 64

四、測控系統 65

五、地面應用系統 66

參考文獻 67

第六章 空間科學任務必備的技術基礎之一：軌道/姿態/測控 68

第一節 概述 68

第二節 關於時空的基本概念 68

一、關於空間 69

二、關於時間 70

第三節 衛星軌道動力學基礎 71

一、開普勒三定律 71

二、衛星軌道動力學 71

三、幾種常用的軌道 73

四、軌道機動與有限推力 76

第四節 衛星姿態動力學基礎 78

一、常見的姿態穩定方式 78

二、衛星姿態描述 79

三、衛星姿態控制 80

第五節 衛星測控 81

一、衛星測控系統的任務 81

二、衛星測控系統的技術體系 81

三、中國航天測控網 82

四、衛星跟蹤測軌與定軌方法 82

參考文獻 83

第七章 空間科學任務必備的技術基礎之二：科學載荷與其使用環境 84

第一節 概述 84

第二節 空間科學與探測有效載荷 85

一、靜電場和靜磁場，以及低頻電磁波探測器 85

二、低頻射電探測器 87

三、微波遙感器 87

四、毫米波、亞毫米波遙感器 88

五、太赫茲遙感器 89

六、紅外遙感器 89

七、可見光遙感器 90

八、紫外遙感器 91

九、X射線遙感器 91

十、伽馬射線探測器 92

十一、電子、粒子探測器 92

十二、公用設備 93

第三節 衛星對科學載荷的環境要求 94

一、機械力學環境要求 94

二、熱環境要求 95

三、電源使用要求 96

四、電磁兼容環境要求 97

五、控制與信息使用要求 98

六、輻射環境要求 98

參考文獻 99

第八章 空間科學任務必備的技術基礎之三：任務規劃與運行 100

第一節 概述 100

第二節 空間科學任務的應用系統 100

一、空間科學衛星任務的六大系統 100

二、科學應用系統 101

三、公共支撐系統 101

四、系統研製流程 102

第三節 科學任務的規劃 102

一、探測與實驗需求分析 103

二、飛行器條件與資源限制 105

三、任務規劃的編制與執行 108

第四節 科學數據的接收 109

一、科學數據接收站 109

二、飛行器過境時間與下傳的數據率 110

三、科學數據預處理 111

第五節 科學數據的分級與分發 111

一、科學數據分級 111

二、科學數據分發 112

三、數據政策 112

四、科學數據歸檔 113

參考文獻 113

第九章 空間科學任務必備的管理基礎之一：空間科學任務的提出和遴選 114

第一節 概述 114

第二節 對前沿科學問題的判斷 114

一、戰略規劃階段 115

二、美國的空間科學戰略規劃方式及特點 116

三、歐洲的空間科學戰略規劃方式及特點 117

四、我國的空間科學規劃 118

第三節 凝練科學目標 119

一、如何提出科學目標？ 119

二、科學目標的可實現性 119

三、科學目標的重大性 120

四、科學目標對學科發展的貢獻度 120

第四節 遴選有效載荷 120

第五節 任務分析與描述 121

第六節 確定任務對飛行器/衛星的使用要求 121

第七節 建議書的遴選 122

參考文獻 123

第十章 空間科學任務必備的管理基礎之二：空間科學任務研製流程與科學家和工程師的職責 124

第一節 概述 124

第二節 預研階段 125

一、概念階段的預研 125

二、空間科學任務的預先研究 125

三、背景型號預研 126

第三節 立項前的評審 127

一、科學目標和有效載荷配置的評審 127

二、對衛星使用要求的評審 128

三、六大系統綜合論證 128

四、對任務經費概算的評估 129

第四節 工程研製階段 129

一、可行性論證和設計階段 130

二、工程研製與試驗驗證階段 130

三、飛行件生產階段 131

四、發射場測試和發射 132

五、在軌測試和交付 132

參考文獻 132

第十一章 空間科學任務必備的管理基礎之三：空間科學任務的質量管理與風險控制管理 134

第一節 概述 134

第二節 空間科學任務產品研製的質量管理 134

一、質量手冊和程序文件 136

二、文件控制 136

三、出現質量問題後的歸零 137

四、對技術狀態變更的控制 138

第三節 空間科學任務的風險控制管理 139

一、對風險的識別和預測 140

二、對風險的控制與管理 141

參考文獻 143

第十二章 空間科學任務必備的管理基礎之四：全價值鏈管理和產出評估 144

第一節 概述 144

第二節 空間科學任務各利益相關方之間的關係 144

第三節 產出評估 147

參考文獻 150

第十三章 國際合作 151

第一節 概述 151

第二節 國際合作的必要性 152

第三節 主要合作形式 154

第四節 面臨的挑戰 155

參考文獻 156

第十四章 中國的空間科學規劃 157

第一節 概述 157

第二節 科學主題及其分解後的科學問題 157

一、宇宙和生命是如何起源和演化的 157

二、太陽系與人類的關係是怎樣的 158

第三節 根據科學問題提出的科學任務建議 159

一、“黑洞探針”計劃 159

二、“天體號脈”計劃 159

三、“天體肖像”計劃 159

四、“天體光譜”計劃 159

五、“系外行星探測”計劃 160

六、“太陽顯微”計劃 160

七、“太陽全景”計劃 160

八、“鏈鎖”計劃 160

九、“微星”計劃 160

十、“探天”計劃 161

十一、“火星探測”計劃 161

十二、“小行星探測”計劃 161

十三、“木星系統探測”計劃 161

十四、“水循環探測”計劃 162

十五、“能量循環探測”計劃 162

十六、“生物化學循環探測”計劃 162

十七、“輕盈”計劃 163

十八、“輕颺”計劃 163

十九、“輕焰”計劃 163

二十、“空間基礎物理”計劃 163

二十一、“騰雲”計劃 163

二十二、“桃源”計劃 163

二十三、“載人航天工程”科學計劃 163

第四節 支持空間科學的前沿技術 164

一、超高分辨率成像技術 164

二、超高精度時間基準技術 165

三、分布式衛星組網技術 165

參考文獻 166

第十五章 空間科學與空間技術和空間應用的關係 167

第一節 概述 167

第二節 空間技術的定義 167

第三節 空間科學的定義 168

第四節 空間應用的定義 169

第五節 三者之間的關係 170

參考文獻 171