目录
序言 i
前言 iii
第一章 为什么要进入空间开展研究 1
第一节 概述 1
第二节 了解未知的空间环境 2
第三节 突破大气层对电磁波的阻隔 2
第四节 利用轨道高度资源 3
第五节 揭去地球重力的面纱 4
第六节 利用其他空间环境 4
第七节 空间科学的定义 5
参考文献 6
第二章 人类探索和进入空间的历史 7
第一节 概述 7
第二节 人类探索空间的历史 7
一、人类对空间研究的历史 7
二、从伽利略开始的空间观测技术发展 11
三、人类进入空间的简史 14
第三节 人类探索空间的*新技术进展 19
一、火箭技术 19
二、卫星与探测器技术 20
三、测控通信技术 21
四、发射和回收场技术 22
参考文献 23
第三章 空间科学的重大前沿问题之一 24
第一节 概述 24
第二节 宇宙的起源与演化 24
一、时间维度 24
二、空间维度 26
三、重要的前沿问题 28
第三节 太阳活动对人类的影响 33
一、太阳活动 33
二、行星际空间天气 34
三、地球磁层 34
四、地球电离层 36
五、中高层大气 37
六、重要的前沿问题 38
参考文献 40
第四章 空间科学的重大前沿问题之二 41
第一节 概述 41
第二节 地球系统及其未来的变化 41
一、地球的圈层 41
二、重大科学前沿问题 47
第三节 微重力科学和空间生命科学 49
一、如何模拟微重力环境 49
二、微重力条件下，什么改变了？ 52
三、生物辐射效应 52
四、基础物理实验 53
五、重要的前沿问题 53
参考文献 54
第五章 航天系统工程与各系统的组成 56
第一节 概述 56
第二节 航天系统工程 56
一、复杂性 57
二、风险性 58
三、高成本性 59
四、政治与社会效益敏感性 59
第三节 航天系统工程各系统组成 60
一、卫星（飞行器）系统 61
二、运载系统 62
三、发射场系统 64
四、测控系统 65
五、地面应用系统 66
参考文献 67
第六章 空间科学任务*的技术基础之一：轨道/姿态/测控 68
第一节 概述 68
第二节 关于时空的基本概念 68
一、关于空间 69
二、关于时间 70
第三节 卫星轨道动力学基础 71
一、开普勒三定律 71
二、卫星轨道动力学 71
三、几种常用的轨道 73
四、轨道机动与有限推力 76
第四节 卫星姿态动力学基础 78
一、常见的姿态稳定方式 78
二、卫星姿态描述 79
三、卫星姿态控制 80
第五节 卫星测控 81
一、卫星测控系统的任务 81
二、卫星测控系统的技术体系 81
三、中国航天测控网 82
四、卫星跟踪测轨与定轨方法 82
参考文献 83
第七章 空间科学任务*的技术基础之二：科学载荷与其使用环境 84
第一节 概述 84
第二节 空间科学与探测有效载荷 85
一、静电场和静磁场，以及低频电磁波探测器 85
二、低频射电探测器 87
三、微波遥感器 87
四、毫米波、亚毫米波遥感器 88
五、太赫兹遥感器 89
六、红外遥感器 89
七、可见光遥感器 90
八、紫外遥感器 91
九、X射线遥感器 91
十、伽马射线探测器 92
十一、电子、粒子探测器 92
十二、公用设备 93
第三节 卫星对科学载荷的环境要求 94
一、机械力学环境要求 94
二、热环境要求 95
三、电源使用要求 96
四、电磁兼容环境要求 97
五、控制与信息使用要求 98
六、辐射环境要求 98
参考文献 99
第八章 空间科学任务*的技术基础之三：任务规划与运行 100
第一节 概述 100
第二节 空间科学任务的应用系统 100
一、空间科学卫星任务的六大系统 100
二、科学应用系统 101
三、公共支撑系统 101
四、系统研制流程 102
第三节 科学任务的规划 102
一、探测与实验需求分析 103
二、飞行器条件与资源限制 105
三、任务规划的编制与执行 108
第四节 科学数据的接收 109
一、科学数据接收站 109
二、飞行器过境时间与下传的数据率 110
三、科学数据预处理 111
第五节 科学数据的分级与分发 111
一、科学数据分级 111
二、科学数据分发 112
三、数据政策 112
四、科学数据归档 113
参考文献 113
第九章 空间科学任务*的管理基础之一：空间科学任务的提出和遴选 114
第一节 概述 114
第二节 对前沿科学问题的判断 114
一、战略规划阶段 115
二、美国的空间科学战略规划方式及特点 116
三、欧洲的空间科学战略规划方式及特点 117
四、我国的空间科学规划 118
第三节 凝练科学目标 119
一、如何提出科学目标？ 119
二、科学目标的可实现性 119
三、科学目标的重大性 120
四、科学目标对学科发展的贡献度 120
第四节 遴选有效载荷 120
第五节 任务分析与描述 121
第六节 确定任务对飞行器/卫星的使用要求 121
第七节 建议书的遴选 122
参考文献 123
第十章 空间科学任务*的管理基础之二：空间科学任务研制流程与科学家和工程师的职责 124
第一节 概述 124
第二节 预研阶段 125
一、概念阶段的预研 125
二、空间科学任务的预先研究 125
三、背景型号预研 126
第三节 立项前的评审 127
一、科学目标和有效载荷配置的评审 127
二、对卫星使用要求的评审 128
三、六大系统综合论证 128
四、对任务经费概算的评估 129
第四节 工程研制阶段 129
一、可行性论证和设计阶段 130
二、工程研制与试验验证阶段 130
三、飞行件生产阶段 131
四、发射场测试和发射 132
五、在轨测试和交付 132
参考文献 132
第十一章 空间科学任务*的管理基础之三：空间科学任务的质量管理与风险控制管理 134
第一节 概述 134
第二节 空间科学任务产品研制的质量管理 134
一、质量手册和程序文件 136
二、文件控制 136
三、出现质量问题后的归零 137
四、对技术状态变更的控制 138
第三节 空间科学任务的风险控制管理 139
一、对风险的识别和预测 140
二、对风险的控制与管理 141
参考文献 143
第十二章 空间科学任务*的管理基础之四：全价值链管理和产出评估 144
第一节 概述 144
第二节 空间科学任务各利益相关方之间的关系 144
第三节 产出评估 147
参考文献 150
第十三章 国际合作 151
第一节 概述 151
第二节 国际合作的必要性 152
第三节 主要合作形式 154
第四节 面临的挑战 155
参考文献 156
第十四章 中国的空间科学规划 157
第一节 概述 157
第二节 科学主题及其分解后的科学问题 157
一、宇宙和生命是如何起源和演化的 157
二、太阳系与人类的关系是怎样的 158
第三节 根据科学问题提出的科学任务建议 159
一、“黑洞探针”计划 159
二、“天体号脉”计划 159
三、“天体肖像”计划 159
四、“天体光谱”计划 159
五、“系外行星探测”计划 160
六、“太阳显微”计划 160
七、“太阳全景”计划 160
八、“链锁”计划 160
九、“微星”计划 160
十、“探天”计划 161
十一、“火星探测”计划 161
十二、“小行星探测”计划 161
十三、“木星系统探测”计划 161
十四、“水循环探测”计划 162
十五、“能量循环探测”计划 162
十六、“生物化学循环探测”计划 162
十七、“轻盈”计划 163
十八、“轻飏”计划 163
十九、“轻焰”计划 163
二十、“空间基础物理”计划 163
二十一、“腾云”计划 163
二十二、“桃源”计划 163
二十三、“载人航天工程”科学计划 163
第四节 支持空间科学的前沿技术 164
一、超高分辨率成像技术 164
二、超高精度时间基准技术 165
三、分布式卫星组网技术 165
参考文献 166
第十五章 空间科学与空间技术和空间应用的关系 167
第一节 概述 167
第二节 空间技术的定义 167
第三节 空间科学的定义 168
第四节 空间应用的定义 169
第五节 三者之间的关系 170
参考文献 171
空间科学是以航天器为主要工作平台，研究行星地球、日地空间、太阳系乃至整个宇宙，回答太阳系乃至整个宇宙的形成与演化、生命的起源与进化、物质结构等重大科学问题的交叉性、综合性新兴科学领域。本书从人类利用航天器探索和进入空间的历史开始，介绍空间科学各分支领域研究的重大科学前沿问题、开展空间科学研究*的基础技术知识、航天器研制过程的基础管理知识，同时论述了空间科学领域国际合作的必要性，并对中国空间科学的未来发展规划进行了阐述。
第一章 为什么要进入空问开展研究
第一节概述
为什么要进入空间开展研究?包括天文学在内的众多学科，实际上可以在地面开展研究。例如，从伽利略·伽利雷(Galileo Galilei，1564—1642)开始就使用望远镜对天体进行观测，又如在地面上利用雷达观测和研究电离层等。尽管如此，仍然有很多研究在地面上无法开展，必须到空间去开展。对此，我们将在本章进行集中讨论。
首先，从空间时代的初始，进入空间开展研究的本目的，就是要了解和认识我们要进入的空间。在1957年人类发射第一颗人造卫星之前，大气层以外的空间是神秘的。中性大气逐渐稀薄，再往上，太阳紫外线将中性大气电离，形成了电离层。但是，电离层中的电子和离子如何分布和运动?地球磁场对这些带电粒子起到了什么作用? 其次，进入空间后，人类第一次获得了从上百千米甚至数千千米高度观察地球的机会。当我们在如此远的距离对地球进行观察时，对地球的认识自然会大不一样。地球呈现在我们面前的变化是系统性的，如台风的形成和移动。 再有，就是脱离了大气层的阻隔后，全部电磁波谱段的资源都呈现在了我们面前。原本被大气层阻隔的低频电磁波、太赫兹和红外，以及紫外以上的波段都变得透明了。因而，我们可以用全电磁波频段观测宇宙。 在轨道上运行的航天器，由于围绕地球旋转产生的离心力和地球引力相互抵消，我们就获得了长时间的、等效的微重力环境。原先我们对物质和生命运动规律的认识，实际上都是在地球引力的条件下获得的。那么，如果我们揭去了这层“面纱”，物质和生命的运动还会是原来的样子吗?
总之，进入空间，我们就如同进入了一个更大的实验室，许多在地面上无法完成的实验，都可以进行了。
第二节 了解未知的空间环境
在人类进入空间时代之前，人们对太空的了解只限于猜想和理论的推测。大气逐渐稀薄，然后呢?应该是太阳紫外线将大气原子电离，使电子逃逸出来形成电离层。这个答案在1901年意大利无线电工程师伽利尔摩·马可尼(GuglielmoMarconi，1874一1937)成功实现无线电跨越大西洋的时候还并不明了。当时的电波时强时弱，而且显然是经过了弯曲的路径传到了几千千米以外，这让马可尼困惑了很久。
现在我们知道，从英国西海岸到加拿大东海岸的距离超过5000km，无线波需要借助电离层反射才能抵达接收端。马可尼于1901年实现无线电跨洋通信，用实验验证了电离层的存在。
当然，除此之外，人类并不知道电离层的上边界在哪里，也不知道电离层中带正电的离子和带负电的电子会如何运动。等到1957年以后，这些问题的答案才逐渐清晰。因此，空间研究的核心学科就是研究未知的空间环境。是在1957年10月4日苏联发射的第一颗人造卫星和1958年1月31日美国发射的人造卫星的仪器均出现异常后，美国科学家认为并非仪器出现故障，而是可能在地球附近的空间确实存在高能量粒子很密集的地方——后来被发现并命名为“范艾伦辐射带”。这成为人类航天史上的第一个重大发现。
第三节突破大气层对电磁波的阻隔
自伽利略将望远镜指向太空，人类就突破了用肉眼观测太空的限制，开始利用科学仪器观测宇宙，之后又逐渐将电磁波的观测谱段拓展到无线电。但是，大气层的阻隔仍然限制了在地球表面上利用紫外和低频无线电等谱段的观测。图1—1是大气吸收谱线图，其中纵坐标是用每千米高度衰减的分贝数表示的大气吸收率……
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