航天器空间环境模拟设备

我国首颗人造地球卫星东方红一号于1970年4月24日发射成功，开创了我国航天事业的新时代。几十年来航天事业取得了丰硕的成果，卫星研制从单一化，走向了规模化。目前已经有了导航系列卫星，资源系列卫星，气象系列卫星等，同时还发射了神舟系列飞船，嫦娥系列探测器等。为确保航天器发射、在轨、回收各个阶段的可靠性、安全性，均需建造各类空间环境模拟试验设备，以模拟太空各种复杂的环境效应，并进行大量模拟试验。通过环境试验，发现隐患，改进设计，以防患于未然。兰州空间技术物理研究所（原兰州物理研究所）1962年由中国科学院创建，是专门从事真空科学技术的研究单位，科研成果斐然，为我国真空科学技术的发展奠定了良好的基础。自1968年加入中国航天科技集团以来，现已发展成为航天领域多学科综合发展的研究单位。多年来兰州空间技术物理研究所的学者，为我国真空及航天行业奉献了两部大型专著，即《真空设计手册》、《真空工程设计》，颇受业内人员厚爱。而《航天器空间环境模拟设备》是进入新世纪后的又一部专著。本书是作者在多年从事航天环境模拟工程的研究基础上，又借鉴了靠前外学者之大成，编写而成。

本书是我国部较全面论述空间环境模拟设备理论与工程设计基础的书籍。本书从了解航天器入手，进而深入了解空间环境、空间环境对航天器的损伤、空间模拟思路、试验方法，很终达到设计研制空间环境模拟设备的目的。本书涵盖了各种空间环境模拟设备的相关理论与设计方法；引入了优选的数值模拟方法，增加了设备研制的可靠性；论述了航天器模拟试验设备相应的控制技术，提高了设备运行的可靠性，使设备更具优选性；还引入了必要的航天标准，使设备研制及模拟试验规范化，提高产品可靠性；汇集了靠前外各种典型空间环境模拟设备以及汇编了某些名词术语，有利于靠前外文献查阅。总之，本书能使读者系统了解航天器概貌、空间环境、空间环境对航天器的作用、模拟试验方法，以及空间环境模拟设备设计与研制等相关知识。

杨建斌，兰州空间技术物理研究所，研究员，    先后从事低温物性测试工作、保温隔热材料（聚氨酯发泡材料）产品的研究、开发工作，真空低温环模设备的研制工作。    多年来，参与了“5104无氟发泡技术”项目研发，“聚氨酯真空隔热板”项目研发；负责完成了“长三甲三子级火箭低温贮箱液氢液氧温度分层测量”课题；负责完成了“远程火箭子母弹”战斗部中的关键部件-“子弹固定架”研制及批量生产工作；主持完成了多项真空环境模拟试验设备研制，其中研制的“ZM4300高性能光学遥感器空间环境模拟与试验设备”项目获国家国防科技二等奖；提出了热真空环境模拟试验设备新型气氮制冷加热流程并在ZM7000等大型空间环境模拟试验设备上成功应用。    发表论文20余篇，硕士生导师。

章 航天器简述11.1概述11.2航天历史31.3航天器分类81.4人造地球卫星91.5无人运输器101.6深空探测器101.7空间站111.8载人飞船121.9载人运输器131.10航天器运输系统13第2章 航天空间环境及效应概述152.1真空环境对航天器的影响及效应152.1.1大气密度对航天器的气动力效应172.1.2压力差效应172.1.3真空放电效应172.1.4辐射传热效应172.1.5真空出气 （释气） 效应182.1.6材料蒸发、升华和分解效应182.1.7黏着和冷焊效应182.2冷黑与太阳辐射对航天器的影响及效应192.2.1空间冷黑环境192.2.2太阳辐射对航天器的影响及效应202.3原子氧与空间带电粒子对航天器的影响及效应212.3.1原子氧对航天器的影响及效应212.3.2空间带电粒子对航天器的影响及效应222.4微重力环境、空间碎片与微流星环境对航天器的影响及效应242.4.1微重力环境对航天器的影响及效应242.4.2空间碎片 （空间垃圾） 对航天器的影响及效应252.4.3空间微流星环境概述272.4.4微流星环境对航天器的影响及效应282.5月球环境及其对航天器的影响及效应282.5.1近月空间环境282.5.2月表环境292.5.3月球环境对航天器的影响及效应292.6火星环境及其对航天器的影响及效应302.6.1火星组成与火星表面形貌特征302.6.2火星重力场及其对航天器的影响及效应302.6.3火星大气特性302.6.4火星表面温度31第3章空间环境模拟试验323.1热真空试验333.1.1组件热真空试验的原则333.1.2试验说明343.2热平衡试验363.3真空放电试验373.3.1试验要求383.3.2试验条件383.3.3试验设备及仪器393.4原子氧试验技术403.4.1试验设备及要求403.4.2试验试样403.4.3原子氧试验的几个参数计算403.5真空-紫外辐照试验413.5.1试验设备及其要求413.5.2试验条件413.5.3试验试样413.5.4试验数据处理423.6真空-质子辐照试验423.6.1试验设备及其要求423.6.2试验条件433.6.3试验试样433.7真空-电子辐照试验433.7.1试验设备及其要求433.7.2试验条件443.8综合辐照试验443.8.1试验设备及要求443.8.2试验条件453.9真空条件下材料挥发性能测试方法463.9.1测试条件463.9.2测试设备473.9.3试样制备483.9.4测试程序483.9.5数据处理493.10热平衡试验和热真空试验实例50第4章航天器空间环境模拟试验设备基本组成及类型534.1空间环境模拟试验设备基本组成534.1.1真空室系统544.1.2真空抽气系统（真空获得系统）544.1.3空间环境效应模拟装置574.1.4测控系统614.2空间环境模拟试验设备基本类型644.2.1真空热环境模拟试验设备654.2.2空间摩擦润滑及冷焊效应试验设备704.2.3空间辐射环境模拟试验设备714.2.4原子氧和紫外效应试验设备714.2.5空间碎片及月尘模拟试验设备714.2.6空间电推进测试试验设备724.2.7空间等离子体模拟试验设备72第5章空间环境模拟试验设备真空系统735.1空间环境模拟试验设备真空系统设计原则735.2空间环境模拟试验设备中主要真空参数及计算745.2.1真空室的极限压力745.2.2真空室的工作压力755.2.3真空室的本底压力755.2.4真空泵的有效抽速755.2.5真空室漏率765.2.6真空室中材料出气775.2.7粗抽泵抽速计算785.2.8分子泵前级泵抽速计算795.2.9抽气时间计算795.3空间环境模拟试验设备真空系统常用流程815.3.1真空获得单元配置825.3.2真空测量单元配置865.4空间环境模拟试验设备中常用真空泵875.4.1螺杆真空泵885.4.2涡旋真空泵895.4.3罗茨真空泵925.4.4多级罗茨真空泵945.4.5涡轮分子泵955.4.6低温泵975.4.7溅射离子泵1035.4.8钛升华泵1055.5空间环境模拟试验设备中常用真空规计1095.5.1热偶真空计1095.5.2电阻真空计1105.5.3压阻真空计1115.5.4电容薄膜真空计1125.5.5热阴极电离真空计1135.5.6冷阴极电离真空计1145.5.7B-A真空计1165.5.8真空规的安装1175.6模拟室污染及监测1185.6.1空间环境模拟试验设备模拟室污染来源与控制1185.6.2四极质谱计1205.6.3真空质量监控仪1235.6.4石英晶体微天平125第6章 空间环境模拟试验设备热模拟系统1276.1热模拟系统概述1276.1.1作用、功能及组成1276.1.2热模拟方式1286.2热沉1296.2.1热沉的结构形式1296.2.2热沉的壁板形式1306.2.3管翅式热沉的选材1316.2.4管翅式热沉的结构设计1326.3空间环境模拟设备低温系统1346.3.1液氮系统1346.3.2气氮系统1396.3.3氦制冷系统1436.3.4机械制冷系统1496.4空间环境热流模拟及加热装置1546.4.1太阳模拟器1546.4.2红外加热笼1566.4.3表贴式电阻加热器1576.4.4气氮加热系统1586.5热参数测量1606.5.1温度测量1606.5.2热流测量1686.5.3辐照度测量176第7章空间环境模拟试验设备真空容器设计制造1777.1真空容器概述1777.2真空容器设计原则1777.2.1总体设计要求1787.2.2焊接要求1797.2.3圆筒体的形位偏差1797.3真空容器结构设计1797.3.1舱门 （预紧、 运动）1807.3.2筒体1817.3.3封头1827.3.4法兰1877.3.5鞍座1887.4真空容器强度设计计算1887.4.1真空容器强度设计原则1887.4.2真空容器壳体壁厚计算1927.4.3真空容器封头壁厚计算1987.4.4真空容器开孔补强设计2027.4.5真空容器筒体加强圈设计2077.4.6外压圆筒和球壳壁厚计算公式2087.4.7受压平板的应力及挠度计算2107.4.8容器支撑结构焊缝强度计算2107.5真空容器有限元分析计算2127.5.1应力分析2127.5.2应力分类2137.5.3真空容器的结构失稳2147.5.4真空容器的有限元分析2157.6真空容器制造2327.6.1真空容器的制作2337.6.2现场氩弧焊及其注意事项2347.6.3检漏2367.7真空容器清洁2487.7.1 清洁处理的目的2487.7.2真空容器中污染物的来源2487.7.3清洁处理要求2497.7.4空间模拟室清洁处理2507.7.5真空中污染的检测2507.7.6安装环境洁净度251第8章空间环境模拟试验设备控制技术2528.1概述2528.1.1控制功能2528.1.2控制对象分类及其特点2538.1.3控制系统设计原则2548.2控制系统模式2568.3空间环境模拟试验设备控制程序设计2588.4空间环境模拟试验设备人机界面2628.4.1软件平台简介2638.4.2人机界面主要功能2658.5空间环境模拟试验设备的电磁兼容性2688.5.1电磁兼容性的概念2688.5.2电磁干扰对空间环境模拟试验设备的危害2698.5.3空间环境模拟试验设备中电磁干扰的传输方式2698.5.4空间环境模拟试验设备中电磁干扰的抑制2708.6空间环境模拟试验设备控制技术发展展望271第9章真空热环境模拟试验设备2749.1概述2749.2热真空试验设备2749.2.1设备用途2749.2.2设备组成及功能2749.3热平衡试验设备2839.3.1设备用途2839.3.2设备组成及功能2839.4热光学试验设备2929.4.1设备用途2929.4.2设备组成及功能2949.5高精度光学成像质量检测环境模拟设备3059.5.1设备用途3059.5.2设备组成及功能3060章空间摩擦润滑测试及冷焊效应测试试验设备31410.1空间固体润滑材料真空摩擦学性能评价技术及试验设备31410.1.1空间固体润滑材料31410.1.2空间固体润滑材料真空摩擦学性能评价技术31510.1.3空间固体润滑材料真空摩擦学试验设备31510.2空间润滑油脂评价技术及试验设备31910.2.1空间润滑油脂概述31910.2.2空间润滑油脂饱和蒸气压测试技术与设备31910.2.3空间润滑油脂真空润滑性能评价技术与设备32210.3空间活动部件性能评价技术及试验设备32510.3.1空间活动部件概述32510.3.2空间典型活动部件性能评价技术及试验设备32510.4空间材料冷焊效应评价技术与设备33810.4.1空间材料冷焊效应对航天器活动部件的影响33810.4.2ESA/ESTEC空间材料冷焊效应评价试验设备3421章空间辐射效应模拟试验设备34511.1空间辐射环境与效应34511.1.1天然辐射环境34511.1.2典型轨道辐射环境34911.1.3空间辐射效应35311.2辐射效应模拟试验技术35511.2.1电离总剂量效应模拟试验技术35511.2.2位移损伤效应模拟试验技术35811.2.3单粒子效应模拟试验技术35911.3辐射效应模拟试验设备36011.3.1概述36011.3.2总剂量效应模拟试验设备36111.3.3位移损伤效应模拟试验设备36711.3.4综合辐照模拟设备37211.3.5单粒子效应模拟试验设备3742章原子氧和紫外效应试验设备37912.1概述37912.1.1空间原子氧及其影响因素38012.1.2原子氧能量38312.2紫外及其影响因素38412.3原子氧/紫外效应38412.3.1原子氧效应38412.3.2紫外效应39112.4原子氧效应模拟试验设备3913章空间碎片及月尘模拟试验设备 39913.1概述39913.2空间碎片39913.3空间碎片模拟试验设备40113.3.1二级轻气炮装置40113.3.2激光加速器40313.3.3等离子体加速器40413.4空间碎片模拟典型设备40513.5月尘40613.6月尘模拟试验设备主要结构40913.7月尘模拟典型设备4104章电推进测试试验设备 41514.1电推进技术简介41514.2电推进测试与试验41714.2.1离子推力器组件测试41814.2.2离子推力器整机测试42014.2.3系统联试42814.3电推进测试与试验设备分类、功能及系统组成43014.3.1推力器地面试验设备分类43014.3.2推力器地面试验设备功能43114.3.3电推进测试与试验设备系统组成43414.4等离子体防护44414.5电推进试验设备实例44514.5.1美国电推进试验设备44514.5.2我国典型电推进试验设备4455章空间等离子体模拟试验系统及等离子体诊断技术44815.1空间等离子体环境概述44815.1.1等离子体来源44815.1.2等离子体密度44815.1.3等离子体温度44915.1.4等离子体成分44915.2空间等离子体模拟试验设备建设现状45015.2.1法国JONAS地面等离子体环境模拟实验系统45015.2.2意大利INAF-IFSI地面等离子体环境模拟实验系统45015.2.3美国海军实验室的SPSC等离子体环境模拟实验系统45215.2.4北京卫星环境工程研究所等离子体环境模拟设备45315.3典型空间等离子体模拟试验系统技术指标及组成45315.3.1主要技术指标45315.3.2系统组成45415.4真空分系统45715.4.1真空分系统组成45715.4.2真空分系统特点45715.4.3实验舱要求45815.4.4源舱要求45915.4.5真空抽气机组45915.4.6抽气过程46015.4.7辅助设备46015.4.8测量控制系统46115.5离子源46115.5.1End-Hall离子源46215.5.2阳极层离子源46315.5.3考夫曼离子源46415.5.4射频离子源46515.5.5电子回旋共振（ECR）离子源46615.5.6APS离子源46715.6等离子体相关的探针诊断技术46815.6.1概述46815.6.2朗缪尔探针46915.6.3法拉第探针47815.6.4阻滞势分析仪48215.6.5E×B探针4856章空间环境要素效应仿真模拟试验技术简介49116.1概述49116.2空间环境要素仿真简述49216.2.1研究领域49216.2.2数值模拟要点49216.2.3航天仿真的发展历程49316.2.4国外研究现状49416.2.5国内研究现状49416.3空间热环境仿真49516.3.1I-DEAS TMG模块简介49616.3.2用TMG进行航天器热分析的步骤49616.4空间辐射环境仿真49916.4.1空间辐射环境模型分析49916.4.2空间辐射环境仿真系统50116.5原子氧环境仿真50316.5.1仿真软件模型构成50316.5.2航天器位置计算模块50416.5.3地球大气模型模块50416.5.4原子氧通量计算模块50516.6空间碎片仿真50616.6.1基本框架50616.6.2三维场景数据的组织50716.6.3主要空间目标管理50716.6.4三维场景交互50816.6.5仿真结果5087章国内外空间模拟技术及设备概况51017.1概述51017.2ZM系列热真空试验设备51217.2.1ZM3000光学遥感器空间环境模拟试验设备51217.2.2ZM4300高性能光学遥感器空间环境模拟设备51417.2.3ZM系列小型空间环境模拟试验设备51617.3KM系列空间环境模拟试验设备51917.3.1KM6000空间环境模拟试验设备51917.3.2KM2空间模拟器52017.3.3KM4空间模拟器52117.3.4KM6空间模拟器52317.3.5KM8空间模拟器52617.4国外典型的空间环境模拟技术研究机构及设备简介52717.4.1美国52717.4.2欧洲太空局53717.4.3日本宇宙航空研究开发机构54017.4.4俄罗斯国家航天集团公司54217.4.5印度空间研究组织54317.4.6各国大型空间环境模拟设备汇总54417.5空间效应试验设备54617.6空间辐射定标及光学遥感器试验设备54917.6.1红外遥感器辐射定标设备54917.6.2空间光学遥感器试验设备55317.7电推进试验设备55517.7.1兰州空间技术物理研究所电推进器试验设备55517.7.2国外电推进器试验设备557参考文献562