航天器空間環(huán)境模擬設備

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載人運輸器13
1.10航天器運輸系統(tǒng)13

第2章 航天空間環(huán)境及效應概述15
2.1真空環(huán)境對航天器的影響及效應15
2.1.1大氣密度對航天器的氣動力效應17
2.1.2壓力差效應17
2.1.3真空放電效應17
2.1.4輻射傳熱效應17
2.1.5真空出氣 （釋氣） 效應18
2.1.6材料蒸發(fā)、升華和分解效應18
2.1.7黏著和冷焊效應18
2.2冷黑與太陽輻射對航天器的影響及效應19
2.2.1空間冷黑環(huán)境19
2.2.2太陽輻射對航天器的影響及效應20
2.3原子氧與空間帶電粒子對航天器的影響及效應21
2.3.1原子氧對航天器的影響及效應21
2.3.2空間帶電粒子對航天器的影響及效應22
2.4微重力環(huán)境、空間碎片與微流星環(huán)境對航天器的影響及效應24
2.4.1微重力環(huán)境對航天器的影響及效應24
2.4.2空間碎片 （空間垃圾） 對航天器的影響及效應25
2.4.3空間微流星環(huán)境概述27
2.4.4微流星環(huán)境對航天器的影響及效應28
2.5月球環(huán)境及其對航天器的影響及效應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)境對航天器的影響及效應29
2.6火星環(huán)境及其對航天器的影響及效應30
2.6.1火星組成與火星表面形貌特征30
2.6.2火星重力場及其對航天器的影響及效應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32
3.1熱真空試驗33
3.1.1組件熱真空試驗的原則33
3.1.2試驗說明34
3.2熱平衡試驗36
3.3真空放電試驗37
3.3.1試驗要求38
3.3.2試驗條件38
3.3.3試驗設備及儀器39
3.4原子氧試驗技術40
3.4.1試驗設備及要求40
3.4.2試驗試樣40
3.4.3原子氧試驗的幾個參數計算40
3.5真空-紫外輻照試驗41
3.5.1試驗設備及其要求41
3.5.2試驗條件41
3.5.3試驗試樣41
3.5.4試驗數據處理42
3.6真空-質子輻照試驗42
3.6.1試驗設備及其要求42
3.6.2試驗條件43
3.6.3試驗試樣43
3.7真空-電子輻照試驗43
3.7.1試驗設備及其要求43
3.7.2試驗條件44
3.8綜合輻照試驗44
3.8.1試驗設備及要求44
3.8.2試驗條件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測試設備47
3.9.3試樣制備48
3.9.4測試程序48
3.9.5數據處理49
3.10熱平衡試驗和熱真空試驗實例50

第4章航天器空間環(huán)境模擬試驗設備基本組成及類型53
4.1空間環(huán)境模擬試驗設備基本組成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)境模擬試驗設備基本類型64
4.2.1真空熱環(huán)境模擬試驗設備65
4.2.2空間摩擦潤滑及冷焊效應試驗設備70
4.2.3空間輻射環(huán)境模擬試驗設備71
4.2.4原子氧和紫外效應試驗設備71
4.2.5空間碎片及月塵模擬試驗設備71
4.2.6空間電推進測試試驗設備72
4.2.7空間等離子體模擬試驗設備72

第5章空間環(huán)境模擬試驗設備真空系統(tǒng)73
5.1空間環(huán)境模擬試驗設備真空系統(tǒng)設計原則73
5.2空間環(huán)境模擬試驗設備中主要真空參數及計算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粗抽泵抽速計算78
5.2.8分子泵前級泵抽速計算79
5.2.9抽氣時間計算79
5.3空間環(huán)境模擬試驗設備真空系統(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)境模擬試驗設備中常用真空泵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)境模擬試驗設備中常用真空規(guī)計109
5.5.1熱偶真空計109
5.5.2電阻真空計110
5.5.3壓阻真空計111
5.5.4電容薄膜真空計112
5.5.5熱陰極電離真空計113
5.5.6冷陰極電離真空計114
5.5.7B-A真空計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)境模擬試驗設備模擬室污染來源與控制118
5.6.2四極質譜計120
5.6.3真空質量監(jiān)控儀123
5.6.4石英晶體微天平125

第6章 空間環(huán)境模擬試驗設備熱模擬系統(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熱沉的結構形式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管翅式熱沉的結構設計132
6.3空間環(huán)境模擬設備低溫系統(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)境模擬試驗設備真空容器設計制造177
7.1真空容器概述177
7.2真空容器設計原則177
7.2.1總體設計要求178
7.2.2焊接要求179
7.2.3圓筒體的形位偏差179
7.3真空容器結構設計179
7.3.1艙門 （預緊、 運動）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真空容器強度設計計算188
7.4.1真空容器強度設計原則188
7.4.2真空容器殼體壁厚計算192
7.4.3真空容器封頭壁厚計算198
7.4.4真空容器開孔補強設計202
7.4.5真空容器筒體加強圈設計207
7.4.6外壓圓筒和球殼壁厚計算公式208
7.4.7受壓平板的應力及撓度計算210
7.4.8容器支撐結構焊縫強度計算210
7.5真空容器有限元分析計算212
7.5.1應力分析212
7.5.2應力分類213
7.5.3真空容器的結構失穩(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現場氬弧焊及其注意事項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)境模擬試驗設備控制技術252
8.1概述252
8.1.1控制功能252
8.1.2控制對象分類及其特點253
8.1.3控制系統(tǒng)設計原則254
8.2控制系統(tǒng)模式256
8.3空間環(huán)境模擬試驗設備控制程序設計258
8.4空間環(huán)境模擬試驗設備人機界面262
8.4.1軟件平臺簡介263
8.4.2人機界面主要功能265
8.5空間環(huán)境模擬試驗設備的電磁兼容性268
8.5.1電磁兼容性的概念268
8.5.2電磁干擾對空間環(huán)境模擬試驗設備的危害269
8.5.3空間環(huán)境模擬試驗設備中電磁干擾的傳輸方式269
8.5.4空間環(huán)境模擬試驗設備中電磁干擾的抑制270
8.6空間環(huán)境模擬試驗設備控制技術發(fā)展展望271

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

第10章空間摩擦潤滑測試及冷焊效應測試試驗設備314
10.1空間固體潤滑材料真空摩擦學性能評價技術及試驗設備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性能評價技術315
10.1.3空間固體潤滑材料真空摩擦學試驗設備315
10.2空間潤滑油脂評價技術及試驗設備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與設備319
10.2.3空間潤滑油脂真空潤滑性能評價技術與設備322
10.3空間活動部件性能評價技術及試驗設備325
10.3.1空間活動部件概述325
10.3.2空間典型活動部件性能評價技術及試驗設備325
10.4空間材料冷焊效應評價技術與設備338
10.4.1空間材料冷焊效應對航天器活動部件的影響338
10.4.2ESA/ESTEC空間材料冷焊效應評價試驗設備342

第11章空間輻射效應模擬試驗設備345
11.1空間輻射環(huán)境與效應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353
11.2輻射效應模擬試驗技術355
11.2.1電離總劑量效應模擬試驗技術355
11.2.2位移損傷效應模擬試驗技術358
11.2.3單粒子效應模擬試驗技術359
11.3輻射效應模擬試驗設備360
11.3.1概述360
11.3.2總劑量效應模擬試驗設備361
11.3.3位移損傷效應模擬試驗設備367
11.3.4綜合輻照模擬設備372
11.3.5單粒子效應模擬試驗設備374

第12章原子氧和紫外效應試驗設備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384
12.3.1原子氧效應384
12.3.2紫外效應391
12.4原子氧效應模擬試驗設備391

第13章空間碎片及月塵模擬試驗設備 399
13.1概述399
13.2空間碎片399
13.3空間碎片模擬試驗設備401
13.3.1二級輕氣炮裝置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備405
13.5月塵406
13.6月塵模擬試驗設備主要結構409
13.7月塵模擬典型設備410

第14章電推進測試試驗設備 415
14.1電推進技術簡介415
14.2電推進測試與試驗417
14.2.1離子推力器組件測試418
14.2.2離子推力器整機測試420
14.2.3系統(tǒng)聯試428
14.3電推進測試與試驗設備分類、功能及系統(tǒng)組成430
14.3.1推力器地面試驗設備分類430
14.3.2推力器地面試驗設備功能431
14.3.3電推進測試與試驗設備系統(tǒng)組成434
14.4等離子體防護444
14.5電推進試驗設備實例445
14.5.1美國電推進試驗設備445
14.5.2我國典型電推進試驗設備445

第15章空間等離子體模擬試驗系統(tǒng)及等離子體診斷技術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設備建設現狀450
15.2.1法國JONAS地面等離子體環(huán)境模擬實驗系統(tǒng)450
15.2.2意大利INAF-IFSI地面等離子體環(huán)境模擬實驗系統(tǒng)450
15.2.3美國海軍實驗室的SPSC等離子體環(huán)境模擬實驗系統(tǒng)452
15.2.4北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所等離子體環(huán)境模擬設備453
15.3典型空間等離子體模擬試驗系統(tǒng)技術指標及組成453
15.3.1主要技術指標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457
15.4.3實驗艙要求458
15.4.4源艙要求459
15.4.5真空抽氣機組459
15.4.6抽氣過程460
15.4.7輔助設備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等離子體相關的探針診斷技術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)境要素效應仿真模擬試驗技術簡介491
16.1概述491
16.2空間環(huán)境要素仿真簡述492
16.2.1研究領域492
16.2.2數值模擬要點492
16.2.3航天仿真的發(fā)展歷程493
16.2.4國外研究現狀494
16.2.5國內研究現狀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仿真軟件模型構成503
16.5.2航天器位置計算模塊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
16.6.2三維場景數據的組織507
16.6.3主要空間目標管理507
16.6.4三維場景交互508
16.6.5仿真結果508

第17章國內外空間模擬技術及設備概況510
17.1概述510
17.2ZM系列熱真空試驗設備512
17.2.1ZM3000光學遙感器空間環(huán)境模擬試驗設備512
17.2.2ZM4300高性能光學遙感器空間環(huán)境模擬設備514
17.2.3ZM系列小型空間環(huán)境模擬試驗設備516
17.3KM系列空間環(huán)境模擬試驗設備519
17.3.1KM6000空間環(huán)境模擬試驗設備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)境模擬技術研究機構及設備簡介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)機構540
17.4.4俄羅斯國家航天集團公司542
17.4.5印度空間研究組織543
17.4.6各國大型空間環(huán)境模擬設備匯總544
17.5空間效應試驗設備546
17.6空間輻射定標及光學遙感器試驗設備549
17.6.1紅外遙感器輻射定標設備549
17.6.2空間光學遙感器試驗設備553
17.7電推進試驗設備555
17.7.1蘭州空間技術物理研究所電推進器試驗設備555
17.7.2國外電推進器試驗設備557

參考文獻562