航天科技出版基金空间材料手册（第2卷）空间环境与效应计算及地面模拟试验_何世禹，杨德庄著_9787515918235

《空间环境与效应计算及地面模拟试验》作为《空间材料手册》（共10卷）的第2卷，主要从空间环境与效应计算、地面模拟试验及空间在轨试验等方面阐述相关原理和方法。本书旨在为航天器设计提供有关材料和器件的空间环境效应与性能演化规律的基本信息和数据，可供航天科技人员、工程管理人员以及高等院校师生参考。

　　序
　　空间环境是影响航天器在轨可靠性及寿命的最基本、最主要的因素之一.绝大多数航天器不具备入轨后可维修功能,虽然在国际空间站、哈勃望远镜等航天器上成功实施过航天员在轨维修试验,但这种在轨维修运行成本高、实施风险大、操作条件苛刻,很难广泛应用于所有航天器在轨故障修复.目前,航天器在轨故障最有效的解决方法还是在航天器设计、研制、生产以及地面测试阶段,充分采用各种技术手段发现、预防、避免航天器在轨故障,这就要求我们对空间环境影响航天器可靠性及寿命的问题有深刻的认识和深入的研究.在这个研究领域中, “空间环境与材料相互作用科学与技术”是其中最关键的环节之一.
　　中国的航天事业经过５０多年的发展,铸就了“两弹一星”、载人航天、月球探测三大里程碑,取得了举世瞩目的成就.在航天事业发展历程中,广大航天科技工作者一直特别注重对空间环境影响航天器可靠性及寿命问题的研究,通过空间环境地面模拟试验、计算机数值仿真以及空间搭载等方法,结合对大量航天器在轨运行状态和在轨故障问题的深入分析研究,在“空间环境与材料相互作用科学与技术”环节取得了显著的成就,获得了宝贵的经验数据和研究成果,为推动我国航天科学技术发展奠定了良好基础.
　　在科技部、总装备部、国防科工局及外国专家局等上级机关的大力支持下,哈尔滨工业大学与中国航天科技集团公司密切合作,把近２０年来已在空间环境与材料相互作用方面取得的丰硕研究成果,编纂成１０卷本«空间材料手册»,由中国宇航出版社出版.这套手册是目前空间材料领域最权威、最全面、最有价值的工具书,可为航天器设计、寿命预测、故障诊断与防护以及航天新材料研制等提供必要的理论指导和技术支撑,对促进和发展我国航天事业有着重要的意义.
　　当前,中国航天事业的发展正面临难得的历史机遇和新的挑战,希望«空间材料手册»能够为航天工程管理者和航天科技工作者提供有效的帮助和支撑,也希望在各个领域自强不息、默默奉献的航天人,能够秉承航天精神,携手共进,再接再厉,为推动我国从航天大国向航天强国转变做出新的更大的贡献.
　　２０１２年５月
　　前　言
　　当今,人类已清醒地认识到,作为人类生存基本环境的地球,总有一天其资源、能源会耗尽.探索、开发和利用太空是人类寻求继续生存和发展的最宏伟、最伟大的科学活动之一.半个多世纪以来,人类不断探索和研究航天科学技术领域,其成果已广泛应用于科学研究、国防建设、国民经济和社会生活的各个方面,对人类的文明与进步产生了重大而深远的影响.
　　航天器是人类实现航天活动的主要装备.随着航天活动的不断深入与扩展,航天器的种类越来越多,包括各种应用卫星、载人飞船、空间站、航天飞机以及空间探测器等.人类航天活动成功与否与航天器的在轨寿命和可靠性密切相关.因此,提高航天器的在轨寿命和可靠性是航天技术发展的关键,也是航天科学技术发展水平的集中体现.
　　航天活动的实践表明,世界各国已发射航天器出现的各种故障中大约５０％是由空间环境引起的.空间环境是影响航天器在轨寿命的最主要、最基本的因素之一.世界各国均将空间环境与航天器相互作用作为航天活动长期、重要的研究领域.空间环境泛指太阳系环境,以及更为浩瀚的宇宙空间环境.目前,又因着眼于空间环境状态的变化及其所产生的巨大影响,而称其为空间天气.
　　在相当长的时期内,太阳系仍将是人类探索、开发和利用空间资源的主要空间范围.太阳系环境是由太阳本身环境与各行星环境耦合构成的,包括自然环境和人工环境两类.自然环境包括:冷等离子体、热等离子体、地球辐射带电子和质子、太阳宇宙射线、太阳风、太阳电磁辐射、银河宇宙射线、微流星体、月尘、火星沙尘暴、地球高层大气(原子氧)、火星大气、真空、温度场、磁场、重力场及电场等.人工环境包括:航天器出气、羽流及空间碎片等.从物理学角度可进一步将太阳系环境概括为是由空间粒子(电子、质子、重离子、中子、光子、原子、分子、月尘、火星沙尘、微流星体及空间碎片等)与空间物理场(温度场、磁场、引力场、电场及真空等)组成的.
　　空间环境与航天器相互作用会产生两大类效应.一类效应是空间环境使航天器的材料及器件在轨服役性能不断退化,当航天器的材料及器件性能退化到低于设计指标时,航天器就会出现功能失效并终止服役.另一类效应是空间环境使航天器出现各种突发性故障或事故,也能使航天器终止服役,即航天器可靠性问题也成为影响航天器在轨寿命的重要因素.航天器寿命是由航天器所用材料和器件的性能退化与可靠性决定的,材料和器件是制造航天器的基础.航天活动的实践表明,大部分航天器失效都是由关键材料和器件失效造成的.
　　建立航天器材料和器件在轨性能退化和可靠性的理论、方法及技术规范,已成为航天科学技术的重要组成部分.通过开展空间环境与航天器相互作用的研究,可以揭示在空间环境作用下材料及器件的动态行为与物理本质,包括所产生的各种效应及机理、性能退化与可靠性问题出现的规律、预测理论和方法,以及试验方法与规范等.空间环境与航天器的相互作用理论与技术可为航天器的设计选材、故障诊断与防护、性能退化预测以及新材料研究提供理论与技术支撑.
　　通常,航天器一旦发射就具有不可修复性,绝大多数不能返回地球.空间环境与航天器的作用发生在太空,直接在太空研究相当困难且耗资巨大.为了解决这一问题,人类在半个多世纪中,建立了开展空间环境与航天器相互作用研究的３种基本途径.第１种途径是在探索空间环境过程中获得大量信息的基础上,建立表征空间环境与效应的模式和仿真软件,用以计算轨道环境参数和所产生的效应.这是研究空间环境与航天器相互作用的前提条件,也是航天器优化设计和选材的必要依据.第２种途径是空间环境效应地面模拟试验,用于在地面上系统研究空间环境与航天器相互作用所涉及的各种学科问题,揭示在空间环境作用下航天器关键材料和器件的动态行为与物理本质,这也是验证航天器完成设计后其材料、器件及分系统等能否满足设计指标要求的最基本途径.然而,空间环境极其复杂,呈动态变化特征,难以在地面上全面再现,这使得上述两种研究途径形成的结果与空间实际情况有所差异.空间飞行或搭载试验可提供反映空间实际的最真实、最可靠信息,已成为开展空间环境与航天器相互作用研究的第３种途径.
　　由于空间环境与航天器相互作用的复杂性、特殊性,目前尚不能单独用一种途径的研究成果作为评价依据.只有将这３种途径正确结合,获得空间环境与航天器材料及器件相互作用的理论、试验方法和规范以及性能退化规律和数据库等科研成果,才能成为航天器设计选材的依据;否则,测试得到的数据无法有效地应用于航天器设计.如果单凭经验进行航天器设计而忽视这些成果,所设计的航天器不可避免地会存在各种薄弱环节,导致出现各种故障或事故.上述３种途径的建立,需要解决一系列理论与方法问题,如地面等效模拟原理与方法、加速试验原理与方法等.俄罗斯和美国等航天大国已在空间环境与航天器相互作用领域进行了大量系统的研究,形成了空间环境与材料相互作用科学与技术,为设计高水平、长寿命航天器提供了系统的理论依据及丰富的数据支撑.
　　我国的航天事业已取得举世瞩目的成就,正在向航天强国的目标快速迈进.这种发展机遇与挑战,对深入开展空间环境与航天器相互作用的基础研究提出了越来越高的要求.１９９６年,哈尔滨工业大学建立了我国首个从事空间环境与材料及器件相互作用基础研究空间材料手册(第２卷)空间环境与效应计算及地面模拟试验?的实验室.十几年来,在国家国防科工局、总装备部、科技部和外国专家局的大力支持,以及国内相关单位的密切合作下,实验室在空间环境与材料及器件相互作用的基础理论及性能退化规律等方面进行了较为系统的研究.
　　«空间材料手册»的出版,可为我国航天器优化设计、性能退化预测、故障诊断与防护以及新材料研究提供丰富的信息和资料,希望能够对提高航天器的在轨寿命和可靠性提供必要的理论、方法及数据支撑.
　　在研究和确定«空间材料手册»内容的过程中,得到了以孙家栋院士、都亨研究员、黄本诚研究员等众多专家的大力支持、指导与帮助,他们为本书的成稿做出了重要贡献,在此表示衷心的感谢.
　　由于研究内容繁多,涉及问题复杂,书中错误及不足之处在所难免,敬请读者批评指正.
　　作　者
　　２０２０年４月

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