描述
开 本: 32开纸 张: 胶版纸包 装: 精装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787515911113
编辑推荐
本书可作为工程用的工具书，供航天器设计师及产品研发人员使用，也可作为参考书，供从事空间环境效应研究的科研人员及相关专业的研究生使用。
内容简介
本书详细阐述了航天器充电效应的防护设计指南，包含由空间等离子体环境引起的表面充电以及由高能电子辐射环境引起的内部充电。书中还介绍了航天器充电效应的基本原理、引起充电的空间环境、试验及分析的方法等相关知识，并给出了大量图表数据和参考文献，以帮助读者更好地理解航天器充电效应。
目 录
第1 章 绪论 ………………………………………………………… 1
参考文献 …………………………………………………………… 5
第2 章 充放电物理基础 …………………………………………… 6
21 物理概念 ……………………………………………………… 6
211 等离子体 ………………………………………………… 6
212 穿透 ……………………………………………………… 8
213 电荷沉积 ……………………………………………… 11
214 电导率与接地 ………………………………………… 11
215 击穿电压 ……………………………………………… 12
216 介电常数 ……………………………………………… 12
217 屏蔽材料的密度 ……………………………………… 13
218 可导致击穿的电子通量或注量 ……………………… 13
22 电子环境 …………………………………………………… 14
221 单位 …………………………………………………… 16
222 亚暴环境说明 ………………………………………… 16
23 航天器充电模型 …………………………………………… 18
231 表面充电的物理过程 ………………………………… 18
232 电介质充电的物理过程 ……………………………… 20
24 放电特性 …………………………………………………… 21
241 电介质表面击穿 ……………………………………… 23
242 内部充电击穿 ………………………………………… 24
243 航天器 空间击穿 ……………………………………… 25
25 耦合模型 …………………………………………………… 25
251 集总单元模型 ………………………………………… 25
252 电磁耦合模型 ………………………………………… 26
参考文献 …………………………………………………………… 27
第3章 航天器设计指南 …………………………………………… 30
31 过程 ………………………………………………………… 30
311 概述 …………………………………………………… 30
312 设计 …………………………………………………… 32
313 分析 …………………………………………………… 32
314 试验 …………………………………………………… 32
315 检验 …………………………………………………… 33
32 设计指南 …………………………………………………… 33
321 通用 ＥＳＤ 设计指南 …………………………………… 34
322 表面 ＥＳＤ 设计指南 （不包括太阳能电池阵） ……… 46
323 内部 ＥＳＤ 设计指南 …………………………………… 48
324 太阳能电池阵 ＥＳＤ 设计指南 ………………………… 51
325 特殊情况下的 ＥＳＤ 设计指南 ………………………… 62
参考文献 …………………………………………………………… 68
第4章 航天器试验技术 …………………………………………… 72
41 试验原理 …………………………………………………… 72
42 参数模拟 …………………………………………………… 74
43 通用试验方法 ……………………………………………… 75
431 ＥＳＤ 产生设备 ………………………………………… 75
432 ＥＳＤ 试验方法 ………………………………………… 79
参考文献 …………………………………………………………… 87
第5章 控制及监测技术 …………………………………………… 88
51 航天器电荷主动控制 ……………………………………… 88
52 环境及效应监测 …………………………………………… 89
参考文献 …………………………………………………………… 90
第6章 材料列表及说明 …………………………………………… 91
61 电介质材料列表 …………………………………………… 91
62 导电材料列表 ……………………………………………… 93
参考文献 …………………………………………………………… 94
附录 Ａ 术语表 ……………………………………………………… 95
Ａ1 常数和单位 ………………………………………………… 95
Ａ2 缩略词 ……………………………………………………… 97
Ａ3 名词………………………………………………………… 104
Ａ4 变量………………………………………………………… 106
Ａ5 符号………………………………………………………… 107
附录 Ｂ 空间环境 ………………………………………………… 108
Ｂ1 空间环境介绍……………………………………………… 108
Ｂ11 空间环境的定量描述 ……………………………… 108
Ｂ12 数据来源……………………………………………… 112
Ｂ2 地球同步轨道环境………………………………………… 116
Ｂ21 地球同步轨道等离子体环境………………………… 116
Ｂ22 地球同步轨道高能粒子环境………………………… 121
Ｂ3 其他地球轨道环境………………………………………… 127
Ｂ31 ＭＥＯ ………………………………………………… 127
Ｂ32 ＰＥＯ …………………………………………………… 128
Ｂ33 莫尼亚轨道…………………………………………… 129
Ｂ4 其他空间环境……………………………………………… 129
Ｂ41 太阳风………………………………………………… 129
Ｂ42 地球、 木星和土星磁层的对比……………………… 132
参考文献 ………………………………………………………… 137
附录 Ｃ 环境、 电子输运及航天器充电计算程序 ………………… 140
Ｃ1 环境程序…………………………………………………… 140
Ｃ11 ＡＥ8／ ＡＰ8 …………………………………………… 140
Ｃ12 ＣＲＲＥＳ ……………………………………………… 140
Ｃ13 内部充电通量模型 （ＦＬＵＭＩＣ） …………………… 141
Ｃ14 ＧＩＲＥ／ ＳＡＴＲＡＤ ……………………………………… 141
Ｃ15 地球物理与空间环境手册…………………………… 141
Ｃ16 Ｌ2 带电粒子环境 （Ｌ2 ＣＰＥ） …………………… 141
Ｃ17 ＭＩＬ ＳＴＤ 1809， ＵＳＡＦ 空间飞行器的空间环境 …… 142
Ｃ18 地球同步轨道等离子体模型………………………… 142
Ｃ19 其他…………………………………………………… 142
Ｃ2 输运程序…………………………………………………… 142
Ｃ21 ＣＲＥＭＥ96 …………………………………………… 143
Ｃ22 ＥＧＳ4 ………………………………………………… 143
Ｃ23 Ｇｅａｎｔ4 ………………………………………………… 143
Ｃ24 ＩＴＳ …………………………………………………… 144
Ｃ25 ＭＣＮＰ ／ ＭＣＮＰＥ ……………………………………… 144
Ｃ26 ＮＯＶＩＣＥ ……………………………………………… 145
Ｃ27 ＮＵＭＩＴ ……………………………………………… 145
Ｃ28 ＳＨＩＥＬＤＯＳＥ ………………………………………… 146
Ｃ29 ＳＰＥＮＶＩＳ／ ＤＩＣＴＡＴ …………………………………… 146
Ｃ210 ＴＲＩＭ ………………………………………………… 146
·Ⅷ· 航天器充电效应防护设计手册
Ｃ211 汇总 ………………………………………………… 147
Ｃ3 充电程序…………………………………………………… 147
Ｃ31 ＥＷＢ ………………………………………………… 147
Ｃ32 ＭＵＳＣＡＴ ……………………………………………… 148
Ｃ33 Ｎａｓｃａｐ 2ｋ 及 ＮＡＳＣＡＰ 系列充电程序 …………… 148
Ｃ34 ＳＥＥ 交互式航天器充电手册………………………… 149
Ｃ35 ＳＰＩＳ …………………………………………………… 149
参考文献 ………………………………………………………… 150
附录 Ｄ 内部充电分析 …………………………………………… 154
Ｄ1 电介质充电的物理原理…………………………………… 154
Ｄ2 内部充电简单分析………………………………………… 156
Ｄ3 详细分析…………………………………………………… 158
Ｄ4 航天器级分析……………………………………………… 158
Ｄ41 剂量与通量之间的转换……………………………… 159
参考文献 ………………………………………………………… 160
附录 Ｅ 试验方法 ………………………………………………… 161
Ｅ1 电子束试验………………………………………………… 161
Ｅ2 绝缘强度／击穿电压 ……………………………………… 163
Ｅ3 电阻率／电导率的确定 …………………………………… 163
Ｅ4 体电阻率的简单测量方法………………………………… 164
Ｅ5 基于电子束的电阻率试验方法…………………………… 165
Ｅ6 非接触式电位计电阻率测量方法………………………… 166
Ｅ7 介电常数、 时间常数……………………………………… 167
Ｅ8 Ｖｚａｐ 试验 ………………………………………………… 169
Ｅ9 脉冲干扰试验……………………………………………… 170
Ｅ10 部件／组件试验…………………………………………… 173
Ｅ11 表面充电 ＥＳＤ 试验环境 ………………………………… 173
Ｅ12 系统级航天器内部 ＥＳＤ 试验 …………………………… 173
参考文献 ………………………………………………………… 174
附录 Ｆ 旅行者号 ＳＥＭＣＡＰ 分析 ………………………………… 175
参考文献 ………………………………………………………… 176
附录 Ｇ 用于航天器表面充电简单分析的方程…………………… 177
参考文献 ………………………………………………………… 180
附录 Ｈ 电路板空白区域防充电设计原理 ……………………… 181
参考文献 ………………………………………………………… 184
附录 Ｉ 地球同步轨道恶劣环境的附加描述…………………… 185
参考文献 ………………………………………………………… 187
附录 Ｊ 航天器充电相关重要文献………………………………… 188
Ｊ1 美国官方文档 ……………………………………………… 188
Ｊ11 ＤｏＤ …………………………………………………… 188
Ｊ12 ＮＡＳＡ ………………………………………………… 190
Ｊ2 非美国官方文档 …………………………………………… 191
Ｊ21 美国材料试验协会 （ＡＳＴＭ） ……………………… 191
Ｊ22 欧洲空间标准合作组织 （ＥＣＳＳ） …………………… 192
Ｊ23 欧洲空间研究和技术中心 …………………………… 192
Ｊ24 日本宇宙航空研究开发机构 （ＪＡＸＡ） …………… 192
Ｊ25 其他 …………………………………………………… 193
参考文献 …………………………………………………………… 5
第2 章 充放电物理基础 …………………………………………… 6
21 物理概念 ……………………………………………………… 6
211 等离子体 ………………………………………………… 6
212 穿透 ……………………………………………………… 8
213 电荷沉积 ……………………………………………… 11
214 电导率与接地 ………………………………………… 11
215 击穿电压 ……………………………………………… 12
216 介电常数 ……………………………………………… 12
217 屏蔽材料的密度 ……………………………………… 13
218 可导致击穿的电子通量或注量 ……………………… 13
22 电子环境 …………………………………………………… 14
221 单位 …………………………………………………… 16
222 亚暴环境说明 ………………………………………… 16
23 航天器充电模型 …………………………………………… 18
231 表面充电的物理过程 ………………………………… 18
232 电介质充电的物理过程 ……………………………… 20
24 放电特性 …………………………………………………… 21
241 电介质表面击穿 ……………………………………… 23
242 内部充电击穿 ………………………………………… 24
243 航天器 空间击穿 ……………………………………… 25
25 耦合模型 …………………………………………………… 25
251 集总单元模型 ………………………………………… 25
252 电磁耦合模型 ………………………………………… 26
参考文献 …………………………………………………………… 27
第3章 航天器设计指南 …………………………………………… 30
31 过程 ………………………………………………………… 30
311 概述 …………………………………………………… 30
312 设计 …………………………………………………… 32
313 分析 …………………………………………………… 32
314 试验 …………………………………………………… 32
315 检验 …………………………………………………… 33
32 设计指南 …………………………………………………… 33
321 通用 ＥＳＤ 设计指南 …………………………………… 34
322 表面 ＥＳＤ 设计指南 （不包括太阳能电池阵） ……… 46
323 内部 ＥＳＤ 设计指南 …………………………………… 48
324 太阳能电池阵 ＥＳＤ 设计指南 ………………………… 51
325 特殊情况下的 ＥＳＤ 设计指南 ………………………… 62
参考文献 …………………………………………………………… 68
第4章 航天器试验技术 …………………………………………… 72
41 试验原理 …………………………………………………… 72
42 参数模拟 …………………………………………………… 74
43 通用试验方法 ……………………………………………… 75
431 ＥＳＤ 产生设备 ………………………………………… 75
432 ＥＳＤ 试验方法 ………………………………………… 79
参考文献 …………………………………………………………… 87
第5章 控制及监测技术 …………………………………………… 88
51 航天器电荷主动控制 ……………………………………… 88
52 环境及效应监测 …………………………………………… 89
参考文献 …………………………………………………………… 90
第6章 材料列表及说明 …………………………………………… 91
61 电介质材料列表 …………………………………………… 91
62 导电材料列表 ……………………………………………… 93
参考文献 …………………………………………………………… 94
附录 Ａ 术语表 ……………………………………………………… 95
Ａ1 常数和单位 ………………………………………………… 95
Ａ2 缩略词 ……………………………………………………… 97
Ａ3 名词………………………………………………………… 104
Ａ4 变量………………………………………………………… 106
Ａ5 符号………………………………………………………… 107
附录 Ｂ 空间环境 ………………………………………………… 108
Ｂ1 空间环境介绍……………………………………………… 108
Ｂ11 空间环境的定量描述 ……………………………… 108
Ｂ12 数据来源……………………………………………… 112
Ｂ2 地球同步轨道环境………………………………………… 116
Ｂ21 地球同步轨道等离子体环境………………………… 116
Ｂ22 地球同步轨道高能粒子环境………………………… 121
Ｂ3 其他地球轨道环境………………………………………… 127
Ｂ31 ＭＥＯ ………………………………………………… 127
Ｂ32 ＰＥＯ …………………………………………………… 128
Ｂ33 莫尼亚轨道…………………………………………… 129
Ｂ4 其他空间环境……………………………………………… 129
Ｂ41 太阳风………………………………………………… 129
Ｂ42 地球、 木星和土星磁层的对比……………………… 132
参考文献 ………………………………………………………… 137
附录 Ｃ 环境、 电子输运及航天器充电计算程序 ………………… 140
Ｃ1 环境程序…………………………………………………… 140
Ｃ11 ＡＥ8／ ＡＰ8 …………………………………………… 140
Ｃ12 ＣＲＲＥＳ ……………………………………………… 140
Ｃ13 内部充电通量模型 （ＦＬＵＭＩＣ） …………………… 141
Ｃ14 ＧＩＲＥ／ ＳＡＴＲＡＤ ……………………………………… 141
Ｃ15 地球物理与空间环境手册…………………………… 141
Ｃ16 Ｌ2 带电粒子环境 （Ｌ2 ＣＰＥ） …………………… 141
Ｃ17 ＭＩＬ ＳＴＤ 1809， ＵＳＡＦ 空间飞行器的空间环境 …… 142
Ｃ18 地球同步轨道等离子体模型………………………… 142
Ｃ19 其他…………………………………………………… 142
Ｃ2 输运程序…………………………………………………… 142
Ｃ21 ＣＲＥＭＥ96 …………………………………………… 143
Ｃ22 ＥＧＳ4 ………………………………………………… 143
Ｃ23 Ｇｅａｎｔ4 ………………………………………………… 143
Ｃ24 ＩＴＳ …………………………………………………… 144
Ｃ25 ＭＣＮＰ ／ ＭＣＮＰＥ ……………………………………… 144
Ｃ26 ＮＯＶＩＣＥ ……………………………………………… 145
Ｃ27 ＮＵＭＩＴ ……………………………………………… 145
Ｃ28 ＳＨＩＥＬＤＯＳＥ ………………………………………… 146
Ｃ29 ＳＰＥＮＶＩＳ／ ＤＩＣＴＡＴ …………………………………… 146
Ｃ210 ＴＲＩＭ ………………………………………………… 146
·Ⅷ· 航天器充电效应防护设计手册
Ｃ211 汇总 ………………………………………………… 147
Ｃ3 充电程序…………………………………………………… 147
Ｃ31 ＥＷＢ ………………………………………………… 147
Ｃ32 ＭＵＳＣＡＴ ……………………………………………… 148
Ｃ33 Ｎａｓｃａｐ 2ｋ 及 ＮＡＳＣＡＰ 系列充电程序 …………… 148
Ｃ34 ＳＥＥ 交互式航天器充电手册………………………… 149
Ｃ35 ＳＰＩＳ …………………………………………………… 149
参考文献 ………………………………………………………… 150
附录 Ｄ 内部充电分析 …………………………………………… 154
Ｄ1 电介质充电的物理原理…………………………………… 154
Ｄ2 内部充电简单分析………………………………………… 156
Ｄ3 详细分析…………………………………………………… 158
Ｄ4 航天器级分析……………………………………………… 158
Ｄ41 剂量与通量之间的转换……………………………… 159
参考文献 ………………………………………………………… 160
附录 Ｅ 试验方法 ………………………………………………… 161
Ｅ1 电子束试验………………………………………………… 161
Ｅ2 绝缘强度／击穿电压 ……………………………………… 163
Ｅ3 电阻率／电导率的确定 …………………………………… 163
Ｅ4 体电阻率的简单测量方法………………………………… 164
Ｅ5 基于电子束的电阻率试验方法…………………………… 165
Ｅ6 非接触式电位计电阻率测量方法………………………… 166
Ｅ7 介电常数、 时间常数……………………………………… 167
Ｅ8 Ｖｚａｐ 试验 ………………………………………………… 169
Ｅ9 脉冲干扰试验……………………………………………… 170
Ｅ10 部件／组件试验…………………………………………… 173
Ｅ11 表面充电 ＥＳＤ 试验环境 ………………………………… 173
Ｅ12 系统级航天器内部 ＥＳＤ 试验 …………………………… 173
参考文献 ………………………………………………………… 174
附录 Ｆ 旅行者号 ＳＥＭＣＡＰ 分析 ………………………………… 175
参考文献 ………………………………………………………… 176
附录 Ｇ 用于航天器表面充电简单分析的方程…………………… 177
参考文献 ………………………………………………………… 180
附录 Ｈ 电路板空白区域防充电设计原理 ……………………… 181
参考文献 ………………………………………………………… 184
附录 Ｉ 地球同步轨道恶劣环境的附加描述…………………… 185
参考文献 ………………………………………………………… 187
附录 Ｊ 航天器充电相关重要文献………………………………… 188
Ｊ1 美国官方文档 ……………………………………………… 188
Ｊ11 ＤｏＤ …………………………………………………… 188
Ｊ12 ＮＡＳＡ ………………………………………………… 190
Ｊ2 非美国官方文档 …………………………………………… 191
Ｊ21 美国材料试验协会 （ＡＳＴＭ） ……………………… 191
Ｊ22 欧洲空间标准合作组织 （ＥＣＳＳ） …………………… 192
Ｊ23 欧洲空间研究和技术中心 …………………………… 192
Ｊ24 日本宇宙航空研究开发机构 （ＪＡＸＡ） …………… 192
Ｊ25 其他 …………………………………………………… 193
前 言
本书的用途有几个方面：，它可以作为单独的参考书，其中包含详细的设计建议要求，以及减小航天器充电和静电放电效应威胁的流程；第二，它包含了大量附录和参考资料，可以帮助读者定量地理解和评估航天器充电现象。本书意在描述在什么条件下航天器充电会成为一个需要关注的问题，解释为什么会产生问题、罗列典型的设计方法，并对解决具体问题的设计过程进行介绍。本书可作为一本工程用的工具书，供航天工程师、系统设计师、项目管理者，以及其他关注航天器空间环境效应的人士使用。当然，将所有需要的知识集中到一本书里是不可能的，本书仅能作为初步的参考和核对，用来鉴别航天器充电对于某一特定任务而言是否存在隐患。如果结论是肯定的，建议项目管理者聘请有经验的静电放电及等离子体相互作用方面的专家进行详细的分析。本书参考了大量已发表和未发表文献中的空间环境数据和素材。需要说明的是，本书源自２０１１年３月ＮＡＳＡ发布的ＮＡＳＡ－ＨＤＢＫ－４００２Ａ技术手册。
航天器充电可定义为电荷在航天器材料内部或表面上的积累，是航天器在某些特定地球轨道或者其它行星轨道环境下发生的一个重要现象。航天器表面在空间等离子体环境作用下的电荷积累以及控制和减缓表面充电的设计，已经在１９８４年发布的ＮＡＳＡＴＰ－２３６１（ＤｅｓｉｇｎＧｕｉｄｅｌｉｎｅｓｆｏｒＡｓｓｅｓｓｉｎｇａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇＳｐａｃｅｃｒａｆｔＣｈａｒｇｉｎｇ
Ｅｆｆｅｃｔｓ）手册中作了详细描述；航天器内部在高能带电粒子环境作用下的电荷积累以及控制和减缓内部充电的设计，也已经在１９９９年发布的ＮＡＳＡ－ＨＤＢＫ－４００２（ＡｖｏｉｄｉｎｇＰｒｏｂｌｅｍｓＣａｕｓｅｄｂｙＳｐａｃｅｃｒａｆｔＯｎ－ＯｒｂｉｔＩｎｔｅｒｎａｌＣｈａｒｇｉｎｇＥｆｆｅｃｔｓ）手册中作了详细描述。上述两本手册常常配套使用。
自这两本手册发布以来，对航天器充电效应的理解和减缓技术又有了很多新的进展，一些在航天器上应用的新技术也需要新的防护方法。本书期望能够很好地融合这两本手册，并体现出这些新的进展。与这两本手册一样，本书不可能罗列出所有可能的情况，对于特定的卫星任务，当充放电成为关键问题时，建议团队中有经验丰富的ＥＳＤ工程师一起参与研制。
航天器充电可定义为电荷在航天器材料内部或表面上的积累，是航天器在某些特定地球轨道或者其它行星轨道环境下发生的一个重要现象。航天器表面在空间等离子体环境作用下的电荷积累以及控制和减缓表面充电的设计，已经在１９８４年发布的ＮＡＳＡＴＰ－２３６１（ＤｅｓｉｇｎＧｕｉｄｅｌｉｎｅｓｆｏｒＡｓｓｅｓｓｉｎｇａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇＳｐａｃｅｃｒａｆｔＣｈａｒｇｉｎｇ
Ｅｆｆｅｃｔｓ）手册中作了详细描述；航天器内部在高能带电粒子环境作用下的电荷积累以及控制和减缓内部充电的设计，也已经在１９９９年发布的ＮＡＳＡ－ＨＤＢＫ－４００２（ＡｖｏｉｄｉｎｇＰｒｏｂｌｅｍｓＣａｕｓｅｄｂｙＳｐａｃｅｃｒａｆｔＯｎ－ＯｒｂｉｔＩｎｔｅｒｎａｌＣｈａｒｇｉｎｇＥｆｆｅｃｔｓ）手册中作了详细描述。上述两本手册常常配套使用。
自这两本手册发布以来，对航天器充电效应的理解和减缓技术又有了很多新的进展，一些在航天器上应用的新技术也需要新的防护方法。本书期望能够很好地融合这两本手册，并体现出这些新的进展。与这两本手册一样，本书不可能罗列出所有可能的情况，对于特定的卫星任务，当充放电成为关键问题时，建议团队中有经验丰富的ＥＳＤ工程师一起参与研制。
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