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太空物理环境 版权信息
- ISBN：9787030748485
- 条形码：9787030748485 ; 978-7-03-074848-5
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>
太空物理环境 内容简介
《太空物理环境》结合申请者近十年的教学与研究积累，从工科应用角度，详细介绍太阳结构与太阳风、真空、中性大气、等离子体、辐射、热、轨道碎片等环境的特性、物理基础、对航天器及航天活动的影响等。同时，考虑应用及相关方向研究生后续深入研究可能，《太空物理环境》将提供引导性小节，为读者指明进一步研究热点与难点所在。本书可作为高等院校航空宇航科学与技术、力学、天文学、大气科学等相关专业高年级本科生及研究生的参考教材。
太空物理环境 目录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 太空环境与航天活动 1
1.1.1 太空环境与航天器 1
1.1.2 太空环境与宇航员 7
1.2 太阳活动及地磁场作用 10
1.3 太空环境探测及成果 12
参考文献 15
第2章 太阳与近地空间环境 18
2.1 太阳及其喷射的电磁辐射/能量粒子 18
2.2 太阳风与地球磁层作用 21
2.3 太阳活动及其对近地空间环境的影响 22
参考文献 26
第3章 地磁场及地磁模型 28
3.1 地磁场 28
3.1.1 地磁场组成 28
3.1.2 地磁坐标系 29
3.1.3 地磁指数 31
3.2 地磁模型 33
3.2.1 偶极子模型 33
3.2.2 国际地磁参考场模型 34
3.3 地磁场影响 35
参考文献 37
第4章 真空环境及其影响 38
4.1 真空环境 38
4.1.1 太阳紫外线 38
4.1.2 热辐射传热方式的主体性 39
4.1.3 真空出气 41
4.2 真空物理基础 42
4.2.1 质量损失率计算 42
4.2.2 航天器附近的出气密度估算 43
4.3 真空环境影响 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 设计分析策略 52
参考文献 53
第5章 中性大气环境及其影响 55
5.1 中性大气环境 55
5.1.1 地球大气的分层结构 55
5.1.2 太阳活动对地球大气的影响 58
5.1.3 大气模式 59
5.2 中性大气物理基础 60
5.2.1 中性气体分子运动规律 61
5.2.2 大气压的高度变化规律 62
5.3 中性大气环境影响 62
5.3.1 机械作用 62
5.3.2 化学作用64
5.4 设计分析策略 66
参考文献 67
第6章 等离子体环境及其影响 68
6.1 等离子体环境 69
6.2 等离子体物理基础 73
6.2.1 物性参数表征 73
6.2.2 单粒子运动 75
6.3 等离子体环境影响81
6.3.1 等离子体影响航天器表面电压 81
6.3.2 航天器充放电 83
6.4 设计分析策略 85
6.4.1 地面实验室模拟等离子体环境 85
6.4.2 航天器充电分析 86
6.4.3 航天器充放电影响的避免策略 91
参考文献 93
第7章 辐射环境及其影响 94
7.1 辐射环境 94
7.1.1 GCR 95
7.1.2 SPE 96
7.1.3 范艾伦辐射带 97
7.2 辐射物理基础 100
7.2.1 光子辐射及其屏蔽原理 101
7.2.2 带电粒子辐射及其屏蔽原理 104
7.2.3 中子辐射及其屏蔽原理 106
7.3 辐射环境影响 106
7.3.1 移位损伤 107
7.3.2 总电离剂量效应 108
7.3.3 单粒子事件 109
7.4 设计分析策略 110
参考文献 116
第8章 轨道碎片环境及其影响 118
8.1 轨道碎片环境 118
8.2 碎片云演化规律及高速撞击物理原理 120
8.2.1 碎片云演化规律 120
8.2.2 高速撞击物理原理 122
8.3 轨道碎片环境影响 123
8.4 设计分析策略 126
参考文献 137
第9章 热环境及其影响 139
9.1 热环境 140
9.1.1 真空与微重力 140
9.1.2 太空外热流 140
9.2 热传递物理基础 143
9.2.1 热传导 144
9.2.2 热对流 147
9.2.3 热辐射 148
9.3 热环境效应 151
9.4 设计分析策略 153
参考文献 159
中英文对照表 160
彩图
前言
第1章 绪论 1
1.1 太空环境与航天活动 1
1.1.1 太空环境与航天器 1
1.1.2 太空环境与宇航员 7
1.2 太阳活动及地磁场作用 10
1.3 太空环境探测及成果 12
参考文献 15
第2章 太阳与近地空间环境 18
2.1 太阳及其喷射的电磁辐射/能量粒子 18
2.2 太阳风与地球磁层作用 21
2.3 太阳活动及其对近地空间环境的影响 22
参考文献 26
第3章 地磁场及地磁模型 28
3.1 地磁场 28
3.1.1 地磁场组成 28
3.1.2 地磁坐标系 29
3.1.3 地磁指数 31
3.2 地磁模型 33
3.2.1 偶极子模型 33
3.2.2 国际地磁参考场模型 34
3.3 地磁场影响 35
参考文献 37
第4章 真空环境及其影响 38
4.1 真空环境 38
4.1.1 太阳紫外线 38
4.1.2 热辐射传热方式的主体性 39
4.1.3 真空出气 41
4.2 真空物理基础 42
4.2.1 质量损失率计算 42
4.2.2 航天器附近的出气密度估算 43
4.3 真空环境影响 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 设计分析策略 52
参考文献 53
第5章 中性大气环境及其影响 55
5.1 中性大气环境 55
5.1.1 地球大气的分层结构 55
5.1.2 太阳活动对地球大气的影响 58
5.1.3 大气模式 59
5.2 中性大气物理基础 60
5.2.1 中性气体分子运动规律 61
5.2.2 大气压的高度变化规律 62
5.3 中性大气环境影响 62
5.3.1 机械作用 62
5.3.2 化学作用64
5.4 设计分析策略 66
参考文献 67
第6章 等离子体环境及其影响 68
6.1 等离子体环境 69
6.2 等离子体物理基础 73
6.2.1 物性参数表征 73
6.2.2 单粒子运动 75
6.3 等离子体环境影响81
6.3.1 等离子体影响航天器表面电压 81
6.3.2 航天器充放电 83
6.4 设计分析策略 85
6.4.1 地面实验室模拟等离子体环境 85
6.4.2 航天器充电分析 86
6.4.3 航天器充放电影响的避免策略 91
参考文献 93
第7章 辐射环境及其影响 94
7.1 辐射环境 94
7.1.1 GCR 95
7.1.2 SPE 96
7.1.3 范艾伦辐射带 97
7.2 辐射物理基础 100
7.2.1 光子辐射及其屏蔽原理 101
7.2.2 带电粒子辐射及其屏蔽原理 104
7.2.3 中子辐射及其屏蔽原理 106
7.3 辐射环境影响 106
7.3.1 移位损伤 107
7.3.2 总电离剂量效应 108
7.3.3 单粒子事件 109
7.4 设计分析策略 110
参考文献 116
第8章 轨道碎片环境及其影响 118
8.1 轨道碎片环境 118
8.2 碎片云演化规律及高速撞击物理原理 120
8.2.1 碎片云演化规律 120
8.2.2 高速撞击物理原理 122
8.3 轨道碎片环境影响 123
8.4 设计分析策略 126
参考文献 137
第9章 热环境及其影响 139
9.1 热环境 140
9.1.1 真空与微重力 140
9.1.2 太空外热流 140
9.2 热传递物理基础 143
9.2.1 热传导 144
9.2.2 热对流 147
9.2.3 热辐射 148
9.3 热环境效应 151
9.4 设计分析策略 153
参考文献 159
中英文对照表 160
彩图
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太空物理环境 节选
第1章绪论 “宇宙是用不着抽象的，宇宙只能是非常具体的。”诺贝尔文学奖获得者、印度著名作家泰戈尔如是说！ 1.1太空环境与航天活动 航天先驱康斯坦丁 齐奥尔科夫斯基留下著名论断：“地球是人类的摇篮。然而，人类绝不会永远躺在这个摇篮里，而会不断探索新的天体和空间。首先，人类将小心翼翼地穿过大气层，然后征服整个太阳系。”从1957年**颗人造卫星发射上天，人类已走过六十多年的航天发展史，取得了辉煌的成绩：近地空间数目繁多、功能齐全的在轨运行航天器及其附属的导航、通信、遥感、侦察、数据中继等能力；宇航员出舱操控、载人登月、普通人航天观光旅游等常态化太空活动；国际空间站（International SpaceStation，ISS）、中国空间站等长期在轨运行科研平台持续发展；深空与星际无人飞行器探索、太空望远镜长期在轨运行及对太阳和银河宇宙的多维观测等。 太空环境探测与研究先于人类航天活动发展，随着航天兴起而蓬勃。太空环境是航天器、宇航员在轨工作所要面临的外部环境，对航天器功能实现及宇航员生命安全至关重要。正因如此，面向航天活动的太空环境可靠性设计、试验与保障，航天服研究等成为航天活动前序必要环节。 1.1.1太空环境与航天器 航天器在轨运行面临的外部太空环境恶劣，太空环境影响导致的航天器故障种类繁多。在TheSpaceEnvimmmcut一书中，Tribble教授通过统计美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）所存航天器数据发现，约20%～25%的航天器故障与太空环境相关⑴；此外，NASA的Bedingfield等也得出相似结论[2]。 太空环境的要素（constituent）包括高真空、微重力、强腐蚀粒子、带电粒子、强辐射、轨道碎片、深黑低温、强热源以及热辐射（heat radiation）的主导作用等（图1.1和表1.1），对航天器的结构系统、有效载荷、电子元器件等产生影响[3-7]。其中，高真空、微重力等环境要素主要影响航天器结构设计、热控方式、敏感设备的紫外线防护等；强腐蚀粒子，主要指原子氧，存在于距地表100～600km的高度范围，能与许多物质发生化学反应，使其发生氧化、腐蚀（erode），进而性能衰退；带电粒子主要对应等离子体（plasma）环境，对航天器的影响体现为充放电效应（基本概念如图1.2所示，设定航天器周围太空环境电势为零，航天器充电时在其表面形成一个负的悬浮电势），包括表面及内部充放电，使其发生电子电路系统故障，甚至烧毁相关分系统[8_12];强辐射包括范 艾伦辐射带（见图1.3，展现了辐射带基本架构及其发现过程釆用的典型探测器）、南大西洋异常区（South Atlantic anomaly，SAA）、太阳质子事件（solar proton event，SPE）、银河宇宙射线（galactic cosmic ray，GCR）等，主要影响航天器电子元器件，发生移位损伤（displacement damage，DD）、总电离剂量（total ionizing dose，TID）效应、单粒子效应等，降低航天器存储、计算、控制等功能；深黑低温、强热源以及热辐射的主导作用主要影响航天器的热控设计，包括系统级设计（如热流优化、热控涂层等）及分系统级设计（如灵敏部件热控措施等）。轨道碎片环境主要通过高速撞击对在轨运行航天器产生影响（图1.4为美国空间监视网（Space Surveillance Network，SSN）给出的截至2020年12月全部可探测到的空间目标分类及数量，轨道碎片数目巨大且逐年递增）。此外，从太空粒子能量（energy）角度出发，粒子能量、环境要素及其对航天器的影响如图1.5所示[31:粒子能量越高，对航天器破坏威力越大；除了能量因素外，粒子通量（flux）也是航天器受影响程度的关键因素。 许多著名航天器曾因太空环境影响导致性能衰退、任务过早结束或成为失效卫星等[11-16]：美国的天空实验室因大气阻力作用弓丨起轨道过快衰退，任务提早结束；由于充放电效应及单粒子事件影响，美国TDRS系列卫星和CRRES卫星的姿态控制处理电路发生多次异常；加拿大通信卫星公司的Anik-E通信卫星由于静电放电（electrostatic discharging，ESD）引发制导系统故障；哈勃太空望远镜服役早期，每次从阴影区出来进入太阳辐照区，其太阳能电池阵都会发生剧烈振动，照相前需要启动陀螺系统来抑制振动，问题查找*终定位为支撑杆热膨胀所致，服役后期在支撑杆外加个套管消除了图像抖动。
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