The Space Environment and Its Effects on Space Systems pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Pisacane, Vincent L.

出品人:

页数:300

译者:

出版时间:2008-8

价格:$ 107.29

装帧:

isbn号码:9781563479267

丛书系列:

图书标签:

空间环境
空间系统
航天工程
空间物理
辐射效应
可靠性工程
材料科学
电子器件
空间天气
测试与评估

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具体描述

This textbook will help students and professionals understand the space environment and its impacts on spacecraft design, engineering, and performance. While the primary emphasis of the book is the Earth's environment and its effects on spacecraft, it also addresses the extraterrestrial environment and the effects of radiation on humans in space.The book begins with an introduction to the history of spacecraft failures, risk management, reliability and quality assurance techniques, and parts reliability. It goes on to provide an overview of the structure of the Sun; the structure, origin, and models of the geomagnetic field; gravitational field of the Earth; Earth's magnetosphere and radiation environment; neutral environment including fundamentals of the kinetic theory of gases; variation of pressure with altitude and hypoxia of humans; electromagnetic propagation; the effect of atomic oxygen on materials; plasma surrounding the Earth; transport and effects of photon and charged particle radiation on electronics and tissue; spacecraft contamination; techniques to mitigate debris impact; and heat transfer and thermal control of spacecraft.An appendix provides important astrodynamic constants and parameters of the celestial bodies in the solar system. Problem sets and examples are included, and a solution manual is available for instructors.

宇宙环境与航天器系统影响本书聚焦于理解和应对地球轨道及深空环境对航天器设计、运行和寿命构成的复杂挑战。本书深入探讨了支撑现代航天活动的关键物理现象和工程实践，旨在为航天工程师、任务规划人员以及相关领域的研究人员提供一套全面且实用的知识体系。我们不讨论特定书籍的内容，而是专注于剖析宇宙环境这一宏大课题，及其对航天器系统产生的具体、可量化的影响。第一部分：地球空间环境的精细刻画本部分将环境因素分解为若干关键组成部分，详细阐述其物理机制、观测方法及对航天器部件的直接影响。 1. 空间等离子体与电离层效应航天器在穿越地球磁层和电离层时，会与高能带电粒子流（等离子体）发生相互作用。本章详述了等离子体的温度、密度、流速和组分（如电子、离子种类）如何随太阳活动、地理位置和轨道高度剧烈变化。表面充电与内部放电：详细分析了等离子体鞘层的形成机制，特别是对绝缘材料和导体表面电位的影响。我们考察了电子和离子在不同光照条件下对航天器表面的累积电荷，以及由此引发的静电放电（ESD）事件的概率模型和损害后果，包括对敏感电子元件的瞬时击穿和长期疲劳。诱导电流与通信干扰：探讨了等离子体流动引起的电磁场变化如何在线缆和天线结构中产生感应电流，干扰遥测、跟踪和指令（TT&C）链路的信号质量，并对高精度科学仪器（如磁强计、电场天线）的测量精度造成系统性误差。 2. 高能粒子辐射场：对流层、辐射带与太阳高能粒子（SEP）辐射是决定航天器寿命和可靠性的核心因素。本书系统性地分类和量化了不同能量等级的粒子辐射源。地球磁层中的陷阱粒子：深入研究范艾伦辐射带的结构（内层、外层），重点分析质子（$E > 1 ext{ MeV}$）和电子（$E > 0.1 ext{ MeV}$）的剂量率模型，特别是地球同步轨道（GEO）和中地球轨道（MEO）的剂量峰值。银河宇宙射线（GCR）与太阳高能粒子（SEP）： GCR是持续性的、高穿透性的带电粒子流，其特性与太阳活动周期密切相关。SEP事件的突发性和极高能量密度对短时任务构成致命威胁。本章详细介绍了辐射度量学，包括吸收剂量（Dose）、等效剂量（Equivalent Dose）和辐射致使事件（SEE）的物理模型。 3. 微流星体与空间碎片环境（MMOD）本书将MMOD环境建模分为自然来源（微陨石）和人为来源（空间碎片）。环境模型与统计分布：基于NASA/ESA的ORDEM和ESA的碎片模型（如MASTER），分析了在特定轨道（LEO、GEO）上的撞击流速。重点探讨了高轨道衰减的碎片及其再入效应。撞击动力学与损伤评估：详细阐述了超高速撞击的物理过程，包括材料的侵蚀、坑蚀（Pitting）和穿透（Penetration）。针对不同厚度的防护结构（如Whipple屏蔽），提供了撞击物穿透概率的计算方法，并评估了对太阳能电池阵、光学元件和推进剂罐的失效风险。 4. 热环境与大气拖曳在轨道高度变化和任务阶段转换中，航天器面临极端的热负荷和大气阻力。热平衡与辐射特性：分析了太阳热流、地球反照和地球红外辐射对航天器表面的能量输入。讨论了材料的比吸收率（α）和热发射率（ε）如何决定航天器的表面温度分布，以及热管、散热器等主动热控系统的设计约束。大气拖曳模型：针对LEO卫星，详细介绍了大气密度模型（如NRLMSISE-00），阐释了太阳活动（如10.7cm太阳黑子流指数）如何影响高层大气加热和膨胀，进而改变轨道衰减率和姿态稳定性。第二部分：环境效应的系统级影响与缓解策略本部分从系统工程角度，分析上述环境因素如何转化为实际的工程挑战，并介绍前沿的缓解和设计方法。 5. 辐射效应对电子系统的影响辐射对航天器“大脑”和“神经系统”的损害是多层次的。单粒子效应（SEE）：深入剖析了总剂量效应（TID）和瞬态效应。对先进半导体器件（如CMOS、FPGA、存储器）中的关键SEE现象进行分类：单粒子翻转（SEU）、单粒子锁定（SEL）、单粒子闩锁（SEB）和单粒子关断（SEFI）。提供了基于SEE截面和环境通量的系统级误码率（BER）预测方法。总剂量效应（TID）：探讨了TID如何导致器件参数漂移（如阈值电压移动、增益下降）和材料老化。分析了对电离辐射敏感的组件，如电荷耦合器件（CCD）、功率晶体管和绝缘层。 6. 材料老化与表面污染宇宙环境加速了航天器材料的退化过程。原子氧（AO）侵蚀：重点研究LEO中高反应性的原子氧对聚合物（如Kapton、Teflon）和低熔点金属的侵蚀机制。讨论了质量损失率的计算、侵蚀模型的验证以及抗腐蚀涂层的应用。表面污染与光学性能退化：阐述了污染源（如推进剂残留、脱气产物）如何通过低温沉积在敏感光学表面上。分析了污染物对红外和可见光成像系统信号传递效率、热控涂层反射率的衰减效应，并介绍了在线清洁和污染监测技术。 7. 结构完整性与疲劳分析 MMOD撞击和热循环对航天器的结构寿命构成威胁。裂纹扩展与疲劳寿命：结合热真空环境下的周期性热应力，分析了复合材料和金属结构中的疲劳裂纹萌生与扩展速率。引入应力-应变分析，预测结构部件在预期任务时长内的安全裕度。蒙皮与屏蔽优化：针对特定的MMOD风险区域，设计多层防护结构（如多层衬垫系统）。讨论了屏蔽层间距、材料选择（密度、强度、韧性）对碎片动能吸收效率的影响，并提出了基于可靠性指标的轻量化设计权衡方案。第三部分：环境监测、建模与任务设计本部分关注如何利用先进的工具和技术来预测、测量和适应这些环境影响。 8. 空间环境监测与预报工具准确的输入数据是成功任务规划的基础。实时监测网络：介绍了用于监测高能粒子通量、太阳风参数和磁场扰动的地面雷达网络、空间基观测站（如地磁场卫星）的工作原理及其数据产品。环境模型验证：探讨了如何使用实测数据（如航天器内部剂量计数据）来校准和改进现有的环境模型（如AP-8/AE-8、CREME96、NRLMSISE）。 9. 适应性设计与规避策略现代航天器设计强调主动适应环境变化。辐射硬化设计（Rad-Hard）：总结了器件级（如使用SOI技术）、电路级（如容错编码、冗余设计）和系统级（如辐射屏蔽封装）的抗辐射加固技术。空间天气预警与机动：针对SEP事件和高密度碎片区，阐述了如何利用空间天气预报在数小时或数天前执行“安全模式”或“规避机动”。包括轨道预测的不确定性分析和燃料消耗预算。本书通过严谨的物理学基础、详尽的工程案例分析和前沿的缓解技术介绍，为读者提供了一套全面的、可操作的宇宙环境应对指南，确保航天系统能够在苛刻的太空中实现其既定目标和设计寿命。内容侧重于从第一性原理出发，对环境参数与系统响应之间的因果链条进行量化分析。