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太空物理環境 版權信息
- ISBN：9787030748485
- 條形碼：9787030748485 ; 978-7-03-074848-5
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
太空物理環境 內容簡介
《太空物理環境》結合申請者近十年的教學與研究積累，從工科應用角度，詳細介紹太陽結構與太陽風、真空、中性大氣、等離子體、輻射、熱、軌道碎片等環境的特性、物理基礎、對航天器及航天活動的影響等。同時，考慮應用及相關方向研究生后續深入研究可能，《太空物理環境》將提供引導性小節，為讀者指明進一步研究熱點與難點所在。本書可作為高等院校航空宇航科學與技術、力學、天文學、大氣科學等相關專業高年級本科生及研究生的參考教材。
太空物理環境 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 太空環境與航天活動 1
1.1.1 太空環境與航天器 1
1.1.2 太空環境與宇航員 7
1.2 太陽活動及地磁場作用 10
1.3 太空環境探測及成果 12
參考文獻 15
第2章 太陽與近地空間環境 18
2.1 太陽及其噴射的電磁輻射/能量粒子 18
2.2 太陽風與地球磁層作用 21
2.3 太陽活動及其對近地空間環境的影響 22
參考文獻 26
第3章 地磁場及地磁模型 28
3.1 地磁場 28
3.1.1 地磁場組成 28
3.1.2 地磁坐標系 29
3.1.3 地磁指數 31
3.2 地磁模型 33
3.2.1 偶極子模型 33
3.2.2 國際地磁參考場模型 34
3.3 地磁場影響 35
參考文獻 37
第4章 真空環境及其影響 38
4.1 真空環境 38
4.1.1 太陽紫外線 38
4.1.2 熱輻射傳熱方式的主體性 39
4.1.3 真空出氣 41
4.2 真空物理基礎 42
4.2.1 質量損失率計算 42
4.2.2 航天器附近的出氣密度估算 43
4.3 真空環境影響 43
4.3.1 分子污染 43
4.3.2 微粒污染 46
4.3.3 真空冷焊 49
4.4 設計分析策略 52
參考文獻 53
第5章 中性大氣環境及其影響 55
5.1 中性大氣環境 55
5.1.1 地球大氣的分層結構 55
5.1.2 太陽活動對地球大氣的影響 58
5.1.3 大氣模式 59
5.2 中性大氣物理基礎 60
5.2.1 中性氣體分子運動規律 61
5.2.2 大氣壓的高度變化規律 62
5.3 中性大氣環境影響 62
5.3.1 機械作用 62
5.3.2 化學作用64
5.4 設計分析策略 66
參考文獻 67
第6章 等離子體環境及其影響 68
6.1 等離子體環境 69
6.2 等離子體物理基礎 73
6.2.1 物性參數表征 73
6.2.2 單粒子運動 75
6.3 等離子體環境影響81
6.3.1 等離子體影響航天器表面電壓 81
6.3.2 航天器充放電 83
6.4 設計分析策略 85
6.4.1 地面實驗室模擬等離子體環境 85
6.4.2 航天器充電分析 86
6.4.3 航天器充放電影響的避免策略 91
參考文獻 93
第7章 輻射環境及其影響 94
7.1 輻射環境 94
7.1.1 GCR 95
7.1.2 SPE 96
7.1.3 范艾倫輻射帶 97
7.2 輻射物理基礎 100
7.2.1 光子輻射及其屏蔽原理 101
7.2.2 帶電粒子輻射及其屏蔽原理 104
7.2.3 中子輻射及其屏蔽原理 106
7.3 輻射環境影響 106
7.3.1 移位損傷 107
7.3.2 總電離劑量效應 108
7.3.3 單粒子事件 109
7.4 設計分析策略 110
參考文獻 116
第8章 軌道碎片環境及其影響 118
8.1 軌道碎片環境 118
8.2 碎片云演化規律及高速撞擊物理原理 120
8.2.1 碎片云演化規律 120
8.2.2 高速撞擊物理原理 122
8.3 軌道碎片環境影響 123
8.4 設計分析策略 126
參考文獻 137
第9章 熱環境及其影響 139
9.1 熱環境 140
9.1.1 真空與微重力 140
9.1.2 太空外熱流 140
9.2 熱傳遞物理基礎 143
9.2.1 熱傳導 144
9.2.2 熱對流 147
9.2.3 熱輻射 148
9.3 熱環境效應 151
9.4 設計分析策略 153
參考文獻 159
中英文對照表 160
彩圖
前言
第1章 緒論 1
1.1 太空環境與航天活動 1
1.1.1 太空環境與航天器 1
1.1.2 太空環境與宇航員 7
1.2 太陽活動及地磁場作用 10
1.3 太空環境探測及成果 12
參考文獻 15
第2章 太陽與近地空間環境 18
2.1 太陽及其噴射的電磁輻射/能量粒子 18
2.2 太陽風與地球磁層作用 21
2.3 太陽活動及其對近地空間環境的影響 22
參考文獻 26
第3章 地磁場及地磁模型 28
3.1 地磁場 28
3.1.1 地磁場組成 28
3.1.2 地磁坐標系 29
3.1.3 地磁指數 31
3.2 地磁模型 33
3.2.1 偶極子模型 33
3.2.2 國際地磁參考場模型 34
3.3 地磁場影響 35
參考文獻 37
第4章 真空環境及其影響 38
4.1 真空環境 38
4.1.1 太陽紫外線 38
4.1.2 熱輻射傳熱方式的主體性 39
4.1.3 真空出氣 41
4.2 真空物理基礎 42
4.2.1 質量損失率計算 42
4.2.2 航天器附近的出氣密度估算 43
4.3 真空環境影響 43
4.3.1 分子污染 43
4.3.2 微粒污染 46
4.3.3 真空冷焊 49
4.4 設計分析策略 52
參考文獻 53
第5章 中性大氣環境及其影響 55
5.1 中性大氣環境 55
5.1.1 地球大氣的分層結構 55
5.1.2 太陽活動對地球大氣的影響 58
5.1.3 大氣模式 59
5.2 中性大氣物理基礎 60
5.2.1 中性氣體分子運動規律 61
5.2.2 大氣壓的高度變化規律 62
5.3 中性大氣環境影響 62
5.3.1 機械作用 62
5.3.2 化學作用64
5.4 設計分析策略 66
參考文獻 67
第6章 等離子體環境及其影響 68
6.1 等離子體環境 69
6.2 等離子體物理基礎 73
6.2.1 物性參數表征 73
6.2.2 單粒子運動 75
6.3 等離子體環境影響81
6.3.1 等離子體影響航天器表面電壓 81
6.3.2 航天器充放電 83
6.4 設計分析策略 85
6.4.1 地面實驗室模擬等離子體環境 85
6.4.2 航天器充電分析 86
6.4.3 航天器充放電影響的避免策略 91
參考文獻 93
第7章 輻射環境及其影響 94
7.1 輻射環境 94
7.1.1 GCR 95
7.1.2 SPE 96
7.1.3 范艾倫輻射帶 97
7.2 輻射物理基礎 100
7.2.1 光子輻射及其屏蔽原理 101
7.2.2 帶電粒子輻射及其屏蔽原理 104
7.2.3 中子輻射及其屏蔽原理 106
7.3 輻射環境影響 106
7.3.1 移位損傷 107
7.3.2 總電離劑量效應 108
7.3.3 單粒子事件 109
7.4 設計分析策略 110
參考文獻 116
第8章 軌道碎片環境及其影響 118
8.1 軌道碎片環境 118
8.2 碎片云演化規律及高速撞擊物理原理 120
8.2.1 碎片云演化規律 120
8.2.2 高速撞擊物理原理 122
8.3 軌道碎片環境影響 123
8.4 設計分析策略 126
參考文獻 137
第9章 熱環境及其影響 139
9.1 熱環境 140
9.1.1 真空與微重力 140
9.1.2 太空外熱流 140
9.2 熱傳遞物理基礎 143
9.2.1 熱傳導 144
9.2.2 熱對流 147
9.2.3 熱輻射 148
9.3 熱環境效應 151
9.4 設計分析策略 153
參考文獻 159
中英文對照表 160
彩圖
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太空物理環境 節選
第1章緒論 “宇宙是用不著抽象的，宇宙只能是非常具體的！敝Z貝爾文學獎獲得者、印度著名作家泰戈爾如是說！ 1.1太空環境與航天活動 航天先驅康斯坦丁 齊奧爾科夫斯基留下著名論斷：“地球是人類的搖籃。然而，人類絕不會永遠躺在這個搖籃里，而會不斷探索新的天體和空間。首先，人類將小心翼翼地穿過大氣層，然后征服整個太陽系。”從1957年**顆人造衛星發射上天，人類已走過六十多年的航天發展史，取得了輝煌的成績：近地空間數目繁多、功能齊全的在軌運行航天器及其附屬的導航、通信、遙感、偵察、數據中繼等能力；宇航員出艙操控、載人登月、普通人航天觀光旅游等常態化太空活動；國際空間站（International SpaceStation，ISS）、中國空間站等長期在軌運行科研平臺持續發展；深空與星際無人飛行器探索、太空望遠鏡長期在軌運行及對太陽和銀河宇宙的多維觀測等。 太空環境探測與研究先于人類航天活動發展，隨著航天興起而蓬勃。太空環境是航天器、宇航員在軌工作所要面臨的外部環境，對航天器功能實現及宇航員生命安全至關重要。正因如此，面向航天活動的太空環境可靠性設計、試驗與保障，航天服研究等成為航天活動前序必要環節。 1.1.1太空環境與航天器 航天器在軌運行面臨的外部太空環境惡劣，太空環境影響導致的航天器故障種類繁多。在TheSpaceEnvimmmcut一書中，Tribble教授通過統計美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）所存航天器數據發現，約20%～25%的航天器故障與太空環境相關⑴；此外，NASA的Bedingfield等也得出相似結論[2]。 太空環境的要素（constituent）包括高真空、微重力、強腐蝕粒子、帶電粒子、強輻射、軌道碎片、深黑低溫、強熱源以及熱輻射（heat radiation）的主導作用等（圖1.1和表1.1），對航天器的結構系統、有效載荷、電子元器件等產生影響[3-7]。其中，高真空、微重力等環境要素主要影響航天器結構設計、熱控方式、敏感設備的紫外線防護等；強腐蝕粒子，主要指原子氧，存在于距地表100～600km的高度范圍，能與許多物質發生化學反應，使其發生氧化、腐蝕（erode），進而性能衰退；帶電粒子主要對應等離子體（plasma）環境，對航天器的影響體現為充放電效應（基本概念如圖1.2所示，設定航天器周圍太空環境電勢為零，航天器充電時在其表面形成一個負的懸浮電勢），包括表面及內部充放電，使其發生電子電路系統故障，甚至燒毀相關分系統[8_12];強輻射包括范 艾倫輻射帶（見圖1.3，展現了輻射帶基本架構及其發現過程釆用的典型探測器）、南大西洋異常區（South Atlantic anomaly，SAA）、太陽質子事件（solar proton event，SPE）、銀河宇宙射線（galactic cosmic ray，GCR）等，主要影響航天器電子元器件，發生移位損傷（displacement damage，DD）、總電離劑量（total ionizing dose，TID）效應、單粒子效應等，降低航天器存儲、計算、控制等功能；深黑低溫、強熱源以及熱輻射的主導作用主要影響航天器的熱控設計，包括系統級設計（如熱流優化、熱控涂層等）及分系統級設計（如靈敏部件熱控措施等）。軌道碎片環境主要通過高速撞擊對在軌運行航天器產生影響（圖1.4為美國空間監視網（Space Surveillance Network，SSN）給出的截至2020年12月全部可探測到的空間目標分類及數量，軌道碎片數目巨大且逐年遞增）。此外，從太空粒子能量（energy）角度出發，粒子能量、環境要素及其對航天器的影響如圖1.5所示[31:粒子能量越高，對航天器破壞威力越大；除了能量因素外，粒子通量（flux）也是航天器受影響程度的關鍵因素。 許多著名航天器曾因太空環境影響導致性能衰退、任務過早結束或成為失效衛星等[11-16]：美國的天空實驗室因大氣阻力作用弓丨起軌道過快衰退，任務提早結束；由于充放電效應及單粒子事件影響，美國TDRS系列衛星和CRRES衛星的姿態控制處理電路發生多次異常；加拿大通信衛星公司的Anik-E通信衛星由于靜電放電（electrostatic discharging，ESD）引發制導系統故障；哈勃太空望遠鏡服役早期，每次從陰影區出來進入太陽輻照區，其太陽能電池陣都會發生劇烈振動，照相前需要啟動陀螺系統來抑制振動，問題查找*終定位為支撐桿熱膨脹所致，服役后期在支撐桿外加個套管消除了圖像抖動。
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