航天器空間環(huán)境模擬設(shè)備

第1章 航天器簡述1
1.1概述1
1.2航天歷史3
1.3航天器分類8
1.4人造地球衛(wèi)星9
1.5無人運(yùn)輸器10
1.6深空探測器10
1.7空間站11
1.8載人飛船12
1.9載人運(yùn)輸器13
1.10航天器運(yùn)輸系統(tǒng)13

第2章 航天空間環(huán)境及效應(yīng)概述15
2.1真空環(huán)境對(duì)航天器的影響及效應(yīng)15
2.1.1大氣密度對(duì)航天器的氣動(dòng)力效應(yīng)17
2.1.2壓力差效應(yīng)17
2.1.3真空放電效應(yīng)17
2.1.4輻射傳熱效應(yīng)17
2.1.5真空出氣 （釋氣） 效應(yīng)18
2.1.6材料蒸發(fā)、升華和分解效應(yīng)18
2.1.7黏著和冷焊效應(yīng)18
2.2冷黑與太陽輻射對(duì)航天器的影響及效應(yīng)19
2.2.1空間冷黑環(huán)境19
2.2.2太陽輻射對(duì)航天器的影響及效應(yīng)20
2.3原子氧與空間帶電粒子對(duì)航天器的影響及效應(yīng)21
2.3.1原子氧對(duì)航天器的影響及效應(yīng)21
2.3.2空間帶電粒子對(duì)航天器的影響及效應(yīng)22
2.4微重力環(huán)境、空間碎片與微流星環(huán)境對(duì)航天器的影響及效應(yīng)24
2.4.1微重力環(huán)境對(duì)航天器的影響及效應(yīng)24
2.4.2空間碎片 （空間垃圾） 對(duì)航天器的影響及效應(yīng)25
2.4.3空間微流星環(huán)境概述27
2.4.4微流星環(huán)境對(duì)航天器的影響及效應(yīng)28
2.5月球環(huán)境及其對(duì)航天器的影響及效應(yīng)28
2.5.1近月空間環(huán)境28
2.5.2月表環(huán)境29
2.5.3月球環(huán)境對(duì)航天器的影響及效應(yīng)29
2.6火星環(huán)境及其對(duì)航天器的影響及效應(yīng)30
2.6.1火星組成與火星表面形貌特征30
2.6.2火星重力場及其對(duì)航天器的影響及效應(yīng)30
2.6.3火星大氣特性30
2.6.4火星表面溫度31

第3章空間環(huán)境模擬試驗(yàn)32
3.1熱真空試驗(yàn)33
3.1.1組件熱真空試驗(yàn)的原則33
3.1.2試驗(yàn)說明34
3.2熱平衡試驗(yàn)36
3.3真空放電試驗(yàn)37
3.3.1試驗(yàn)要求38
3.3.2試驗(yàn)條件38
3.3.3試驗(yàn)設(shè)備及儀器39
3.4原子氧試驗(yàn)技術(shù)40
3.4.1試驗(yàn)設(shè)備及要求40
3.4.2試驗(yàn)試樣40
3.4.3原子氧試驗(yàn)的幾個(gè)參數(shù)計(jì)算40
3.5真空-紫外輻照試驗(yàn)41
3.5.1試驗(yàn)設(shè)備及其要求41
3.5.2試驗(yàn)條件41
3.5.3試驗(yàn)試樣41
3.5.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理42
3.6真空-質(zhì)子輻照試驗(yàn)42
3.6.1試驗(yàn)設(shè)備及其要求42
3.6.2試驗(yàn)條件43
3.6.3試驗(yàn)試樣43
3.7真空-電子輻照試驗(yàn)43
3.7.1試驗(yàn)設(shè)備及其要求43
3.7.2試驗(yàn)條件44
3.8綜合輻照試驗(yàn)44
3.8.1試驗(yàn)設(shè)備及要求44
3.8.2試驗(yàn)條件45
3.9真空條件下材料揮發(fā)性能測試方法46
3.9.1測試條件46
3.9.2測試設(shè)備47
3.9.3試樣制備48
3.9.4測試程序48
3.9.5數(shù)據(jù)處理49
3.10熱平衡試驗(yàn)和熱真空試驗(yàn)實(shí)例50

第4章航天器空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備基本組成及類型53
4.1空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備基本組成53
4.1.1真空室系統(tǒng)54
4.1.2真空抽氣系統(tǒng)（真空獲得系統(tǒng)）54
4.1.3空間環(huán)境效應(yīng)模擬裝置57
4.1.4測控系統(tǒng)61
4.2空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備基本類型64
4.2.1真空熱環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備65
4.2.2空間摩擦潤滑及冷焊效應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備70
4.2.3空間輻射環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備71
4.2.4原子氧和紫外效應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備71
4.2.5空間碎片及月塵模擬試驗(yàn)設(shè)備71
4.2.6空間電推進(jìn)測試試驗(yàn)設(shè)備72
4.2.7空間等離子體模擬試驗(yàn)設(shè)備72

第5章空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備真空系統(tǒng)73
5.1空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則73
5.2空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備中主要真空參數(shù)及計(jì)算74
5.2.1真空室的極限壓力74
5.2.2真空室的工作壓力75
5.2.3真空室的本底壓力75
5.2.4真空泵的有效抽速75
5.2.5真空室漏率76
5.2.6真空室中材料出氣77
5.2.7粗抽泵抽速計(jì)算78
5.2.8分子泵前級(jí)泵抽速計(jì)算79
5.2.9抽氣時(shí)間計(jì)算79
5.3空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備真空系統(tǒng)常用流程81
5.3.1真空獲得單元配置82
5.3.2真空測量單元配置86
5.4空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備中常用真空泵87
5.4.1螺桿真空泵88
5.4.2渦旋真空泵89
5.4.3羅茨真空泵92
5.4.4多級(jí)羅茨真空泵94
5.4.5渦輪分子泵95
5.4.6低溫泵97
5.4.7濺射離子泵103
5.4.8鈦升華泵105
5.5空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備中常用真空規(guī)計(jì)109
5.5.1熱偶真空計(jì)109
5.5.2電阻真空計(jì)110
5.5.3壓阻真空計(jì)111
5.5.4電容薄膜真空計(jì)112
5.5.5熱陰極電離真空計(jì)113
5.5.6冷陰極電離真空計(jì)114
5.5.7B-A真空計(jì)116
5.5.8真空規(guī)的安裝117
5.6模擬室污染及監(jiān)測118
5.6.1空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備模擬室污染來源與控制118
5.6.2四極質(zhì)譜計(jì)120
5.6.3真空質(zhì)量監(jiān)控儀123
5.6.4石英晶體微天平125

第6章 空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備熱模擬系統(tǒng)127
6.1熱模擬系統(tǒng)概述127
6.1.1作用、功能及組成127
6.1.2熱模擬方式128
6.2熱沉129
6.2.1熱沉的結(jié)構(gòu)形式129
6.2.2熱沉的壁板形式130
6.2.3管翅式熱沉的選材131
6.2.4管翅式熱沉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)132
6.3空間環(huán)境模擬設(shè)備低溫系統(tǒng)134
6.3.1液氮系統(tǒng)134
6.3.2氣氮系統(tǒng)139
6.3.3氦制冷系統(tǒng)143
6.3.4機(jī)械制冷系統(tǒng)149
6.4空間環(huán)境熱流模擬及加熱裝置154
6.4.1太陽模擬器154
6.4.2紅外加熱籠156
6.4.3表貼式電阻加熱器157
6.4.4氣氮加熱系統(tǒng)158
6.5熱參數(shù)測量160
6.5.1溫度測量160
6.5.2熱流測量168
6.5.3輻照度測量176

第7章空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備真空容器設(shè)計(jì)制造177
7.1真空容器概述177
7.2真空容器設(shè)計(jì)原則177
7.2.1總體設(shè)計(jì)要求178
7.2.2焊接要求179
7.2.3圓筒體的形位偏差179
7.3真空容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)179
7.3.1艙門 （預(yù)緊、 運(yùn)動(dòng)）180
7.3.2筒體181
7.3.3封頭182
7.3.4法蘭187
7.3.5鞍座188
7.4真空容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算188
7.4.1真空容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則188
7.4.2真空容器殼體壁厚計(jì)算192
7.4.3真空容器封頭壁厚計(jì)算198
7.4.4真空容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)202
7.4.5真空容器筒體加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)207
7.4.6外壓圓筒和球殼壁厚計(jì)算公式208
7.4.7受壓平板的應(yīng)力及撓度計(jì)算210
7.4.8容器支撐結(jié)構(gòu)焊縫強(qiáng)度計(jì)算210
7.5真空容器有限元分析計(jì)算212
7.5.1應(yīng)力分析212
7.5.2應(yīng)力分類213
7.5.3真空容器的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)214
7.5.4真空容器的有限元分析215
7.6真空容器制造232
7.6.1真空容器的制作233
7.6.2現(xiàn)場氬弧焊及其注意事項(xiàng)234
7.6.3檢漏236
7.7真空容器清潔248
7.7.1 清潔處理的目的248
7.7.2真空容器中污染物的來源248
7.7.3清潔處理要求249
7.7.4空間模擬室清潔處理250
7.7.5真空中污染的檢測250
7.7.6安裝環(huán)境潔凈度251

第8章空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備控制技術(shù)252
8.1概述252
8.1.1控制功能252
8.1.2控制對(duì)象分類及其特點(diǎn)253
8.1.3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則254
8.2控制系統(tǒng)模式256
8.3空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備控制程序設(shè)計(jì)258
8.4空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備人機(jī)界面262
8.4.1軟件平臺(tái)簡介263
8.4.2人機(jī)界面主要功能265
8.5空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備的電磁兼容性268
8.5.1電磁兼容性的概念268
8.5.2電磁干擾對(duì)空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備的危害269
8.5.3空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備中電磁干擾的傳輸方式269
8.5.4空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備中電磁干擾的抑制270
8.6空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備控制技術(shù)發(fā)展展望271

第9章真空熱環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備274
9.1概述274
9.2熱真空試驗(yàn)設(shè)備274
9.2.1設(shè)備用途274
9.2.2設(shè)備組成及功能274
9.3熱平衡試驗(yàn)設(shè)備283
9.3.1設(shè)備用途283
9.3.2設(shè)備組成及功能283
9.4熱光學(xué)試驗(yàn)設(shè)備292
9.4.1設(shè)備用途292
9.4.2設(shè)備組成及功能294
9.5高精度光學(xué)成像質(zhì)量檢測環(huán)境模擬設(shè)備305
9.5.1設(shè)備用途305
9.5.2設(shè)備組成及功能306

第10章空間摩擦潤滑測試及冷焊效應(yīng)測試試驗(yàn)設(shè)備314
10.1空間固體潤滑材料真空摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)技術(shù)及試驗(yàn)設(shè)備314
10.1.1空間固體潤滑材料314
10.1.2空間固體潤滑材料真空摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)技術(shù)315
10.1.3空間固體潤滑材料真空摩擦學(xué)試驗(yàn)設(shè)備315
10.2空間潤滑油脂評(píng)價(jià)技術(shù)及試驗(yàn)設(shè)備319
10.2.1空間潤滑油脂概述319
10.2.2空間潤滑油脂飽和蒸氣壓測試技術(shù)與設(shè)備319
10.2.3空間潤滑油脂真空潤滑性能評(píng)價(jià)技術(shù)與設(shè)備322
10.3空間活動(dòng)部件性能評(píng)價(jià)技術(shù)及試驗(yàn)設(shè)備325
10.3.1空間活動(dòng)部件概述325
10.3.2空間典型活動(dòng)部件性能評(píng)價(jià)技術(shù)及試驗(yàn)設(shè)備325
10.4空間材料冷焊效應(yīng)評(píng)價(jià)技術(shù)與設(shè)備338
10.4.1空間材料冷焊效應(yīng)對(duì)航天器活動(dòng)部件的影響338
10.4.2ESA/ESTEC空間材料冷焊效應(yīng)評(píng)價(jià)試驗(yàn)設(shè)備342

第11章空間輻射效應(yīng)模擬試驗(yàn)設(shè)備345
11.1空間輻射環(huán)境與效應(yīng)345
11.1.1天然輻射環(huán)境345
11.1.2典型軌道輻射環(huán)境349
11.1.3空間輻射效應(yīng)353
11.2輻射效應(yīng)模擬試驗(yàn)技術(shù)355
11.2.1電離總劑量效應(yīng)模擬試驗(yàn)技術(shù)355
11.2.2位移損傷效應(yīng)模擬試驗(yàn)技術(shù)358
11.2.3單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)技術(shù)359
11.3輻射效應(yīng)模擬試驗(yàn)設(shè)備360
11.3.1概述360
11.3.2總劑量效應(yīng)模擬試驗(yàn)設(shè)備361
11.3.3位移損傷效應(yīng)模擬試驗(yàn)設(shè)備367
11.3.4綜合輻照模擬設(shè)備372
11.3.5單粒子效應(yīng)模擬試驗(yàn)設(shè)備374

第12章原子氧和紫外效應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備379
12.1概述379
12.1.1空間原子氧及其影響因素380
12.1.2原子氧能量383
12.2紫外及其影響因素384
12.3原子氧/紫外效應(yīng)384
12.3.1原子氧效應(yīng)384
12.3.2紫外效應(yīng)391
12.4原子氧效應(yīng)模擬試驗(yàn)設(shè)備391

第13章空間碎片及月塵模擬試驗(yàn)設(shè)備 399
13.1概述399
13.2空間碎片399
13.3空間碎片模擬試驗(yàn)設(shè)備401
13.3.1二級(jí)輕氣炮裝置401
13.3.2激光加速器403
13.3.3等離子體加速器404
13.4空間碎片模擬典型設(shè)備405
13.5月塵406
13.6月塵模擬試驗(yàn)設(shè)備主要結(jié)構(gòu)409
13.7月塵模擬典型設(shè)備410

第14章電推進(jìn)測試試驗(yàn)設(shè)備 415
14.1電推進(jìn)技術(shù)簡介415
14.2電推進(jìn)測試與試驗(yàn)417
14.2.1離子推力器組件測試418
14.2.2離子推力器整機(jī)測試420
14.2.3系統(tǒng)聯(lián)試428
14.3電推進(jìn)測試與試驗(yàn)設(shè)備分類、功能及系統(tǒng)組成430
14.3.1推力器地面試驗(yàn)設(shè)備分類430
14.3.2推力器地面試驗(yàn)設(shè)備功能431
14.3.3電推進(jìn)測試與試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)組成434
14.4等離子體防護(hù)444
14.5電推進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備實(shí)例445
14.5.1美國電推進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備445
14.5.2我國典型電推進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備445

第15章空間等離子體模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及等離子體診斷技術(shù)448
15.1空間等離子體環(huán)境概述448
15.1.1等離子體來源448
15.1.2等離子體密度448
15.1.3等離子體溫度449
15.1.4等離子體成分449
15.2空間等離子體模擬試驗(yàn)設(shè)備建設(shè)現(xiàn)狀450
15.2.1法國JONAS地面等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)450
15.2.2意大利INAF-IFSI地面等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)450
15.2.3美國海軍實(shí)驗(yàn)室的SPSC等離子體環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)452
15.2.4北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所等離子體環(huán)境模擬設(shè)備453
15.3典型空間等離子體模擬試驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及組成453
15.3.1主要技術(shù)指標(biāo)453
15.3.2系統(tǒng)組成454
15.4真空分系統(tǒng)457
15.4.1真空分系統(tǒng)組成457
15.4.2真空分系統(tǒng)特點(diǎn)457
15.4.3實(shí)驗(yàn)艙要求458
15.4.4源艙要求459
15.4.5真空抽氣機(jī)組459
15.4.6抽氣過程460
15.4.7輔助設(shè)備460
15.4.8測量控制系統(tǒng)461
15.5離子源461
15.5.1End-Hall離子源462
15.5.2陽極層離子源463
15.5.3考夫曼離子源464
15.5.4射頻離子源465
15.5.5電子回旋共振（ECR）離子源466
15.5.6APS離子源467
15.6等離子體相關(guān)的探針診斷技術(shù)468
15.6.1概述468
15.6.2朗繆爾探針469
15.6.3法拉第探針478
15.6.4阻滯勢分析儀482
15.6.5E×B探針485

第16章空間環(huán)境要素效應(yīng)仿真模擬試驗(yàn)技術(shù)簡介491
16.1概述491
16.2空間環(huán)境要素仿真簡述492
16.2.1研究領(lǐng)域492
16.2.2數(shù)值模擬要點(diǎn)492
16.2.3航天仿真的發(fā)展歷程493
16.2.4國外研究現(xiàn)狀494
16.2.5國內(nèi)研究現(xiàn)狀494
16.3空間熱環(huán)境仿真495
16.3.1I-DEAS TMG模塊簡介496
16.3.2用TMG進(jìn)行航天器熱分析的步驟496
16.4空間輻射環(huán)境仿真499
16.4.1空間輻射環(huán)境模型分析499
16.4.2空間輻射環(huán)境仿真系統(tǒng)501
16.5原子氧環(huán)境仿真503
16.5.1仿真軟件模型構(gòu)成503
16.5.2航天器位置計(jì)算模塊504
16.5.3地球大氣模型模塊504
16.5.4原子氧通量計(jì)算模塊505
16.6空間碎片仿真506
16.6.1基本框架506
16.6.2三維場景數(shù)據(jù)的組織507
16.6.3主要空間目標(biāo)管理507
16.6.4三維場景交互508
16.6.5仿真結(jié)果508

第17章國內(nèi)外空間模擬技術(shù)及設(shè)備概況510
17.1概述510
17.2ZM系列熱真空試驗(yàn)設(shè)備512
17.2.1ZM3000光學(xué)遙感器空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備512
17.2.2ZM4300高性能光學(xué)遙感器空間環(huán)境模擬設(shè)備514
17.2.3ZM系列小型空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備516
17.3KM系列空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備519
17.3.1KM6000空間環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備519
17.3.2KM2空間模擬器520
17.3.3KM4空間模擬器521
17.3.4KM6空間模擬器523
17.3.5KM8空間模擬器526
17.4國外典型的空間環(huán)境模擬技術(shù)研究機(jī)構(gòu)及設(shè)備簡介527
17.4.1美國527
17.4.2歐洲太空局537
17.4.3日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)540
17.4.4俄羅斯國家航天集團(tuán)公司542
17.4.5印度空間研究組織543
17.4.6各國大型空間環(huán)境模擬設(shè)備匯總544
17.5空間效應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備546
17.6空間輻射定標(biāo)及光學(xué)遙感器試驗(yàn)設(shè)備549
17.6.1紅外遙感器輻射定標(biāo)設(shè)備549
17.6.2空間光學(xué)遙感器試驗(yàn)設(shè)備553
17.7電推進(jìn)試驗(yàn)設(shè)備555
17.7.1蘭州空間技術(shù)物理研究所電推進(jìn)器試驗(yàn)設(shè)備555
17.7.2國外電推進(jìn)器試驗(yàn)設(shè)備557

參考文獻(xiàn)562