本书介绍外太空特有的空间辐射粒子、等离子体、原子氧及空间碎片等环境的特征，阐述这些环境与航天器用器件、电路、材料及部件等作用导致的多种辐射效应、表面及深层充放电、材料侵蚀损伤的物理机制和规律，论述与航天器设计相关的空间环境效应地面模拟实验、仿真分析、防护设计等的原理、方法和技术要点，设计典型的仿真实验和模拟实验以深化对抽象空间环境效应的认知，为研究生以及科研人员和工程技术人员提供空间环境及其对航天器影响和防护设计的相关知识。
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前言
第1章 绪论1
第2章 空间环境效应概述4
2.1 空间环境及效应的内涵4
2.2 航天器遭遇的空间环境概况5
2.3 航天器空间环境效应概况11
2.4 空间环境诱发的航天器故障概况15
2.5 典型的空间环境诱发的航天器故障事例17
2.6 航天器空间环境效应防护设计总体要求27
2.7 与空间环境研究应用相关的坐标系30
习题33
参考文献34
第3章 空间辐射环境36
3.1 带电粒子的表征36
3.2 银河宇宙线37
3.2.1 银河宇宙线成分及能谱37
3.2.2 银河宇宙线模型38
3.2.3 太阳活动对银河宇宙线的调制39
3.2.4 地磁场对银河宇宙线的调制40
3.3 太阳宇宙线44
3.3.1 太阳宇宙线成分及能谱44
3.3.2 太阳宇宙线与太阳活动的关系44
3.3.3 太阳宇宙线模型44
3.3.4 地磁场对太阳宇宙线的调制45
3.4 地球辐射带46
3.4.1 地球辐射带空间分布46
3.4.2 地球辐射带模型48
3.4.3 地球辐射带的漂移49
3.4.4 地球辐射带与太阳活动的关系51
3.5 深空辐射环境53
3.5.1 深空星球局地辐射环境54
3.5.2 深空宇宙线环境55
3.6 地球空间辐射环境小结57
习题58
参考文献58
第4章 空间辐射粒子与物质作用的基本机制61
4.1 辐射粒子与物质作用的基本方式61
4.1.1 带电粒子与物质作用的基本方式61
4.1.2 光子与物质作用的基本方式63
4.2 带电粒子与物质作用表征64
4.2.1 线性能量传输64
4.2.2 射程68
4.3 粒子能量与射程数据的应用70
习题73
参考文献76
第5章 电离总剂量效应77
5.1 总剂量电离电荷在器件中的累积及影响77
5.1.1 总剂量在器件中诱发的捕获电荷77
5.1.2 辐射诱发的捕获电荷对器件的影响78
5.1.3 MOS器件对辐射剂量的时间响应及退火效应81
5.1.4 双极器件的低剂量率辐射损伤增强效应83
5.2 总剂量的分析评估方法84
5.2.1 航天器舱外辐射环境分析计算84
5.2.2 航天器舱内辐射环境及总剂量分析计算85
5.2.3 地面辐照试验总剂量计算87
5.3 近地空间的总剂量分布特征88
5.4 航天器抗总剂量设计指标要求91
5.5 器件总剂量效应试验和选用92
5.5.1 共性试验要求92
5.5.2 MOS器件总剂量试验流程93
5.5.3 双极器件总剂量试验流程97
5.5.4 有ELDRS效应器件的总剂量试验和选用方法98
5.6 总剂量效应防护设计99
5.6.1 容差设计99
5.6.2 冗余设计99
5.6.3 布局设计99
5.6.4 屏蔽设计100
习题111
参考文献115
第6章 位移损伤效应117
6.1 原子位移损伤及对器件的影响117
6.1.1 位移损伤形成的材料缺陷117
6.1.2 位移损伤对半导体载流子的影响120
6.1.3 位移损伤对器件的影响121
6.2 位移损伤的分析评估方法126
6.2.1 等效(位移损伤)剂量法126
6.2.2 等效注量法130
6.3 近地空间位移损伤的分布特征133
6.4 抗位移损伤设计指标135
6.5 位移损伤效应试验135
6.5.1 粒子种类和能量136
6.5.2 质子的位移损伤与电离作用的甄别区分137
6.5.3 通量和注量138
6.5.4 偏置和温度138
6.5.5 辐照后退火及测试139
6.6 位移损伤防护设计139
6.7 位移损伤导致的航天器故障事例146
6.7.1 地面试验器件的位移损伤失效146
6.7.2 卫星太阳电池的衰退148
6.7.3 伽利略木星探测器故障150
6.7.4 TOPEX/Poseidon卫星故障151
6.7.5 Globalstar-1星座故障152
6.7.6 科学级CCD器件位移损伤影响152
习题153
参考文献157
第7章 单粒子效应160
7.1 单粒子效应及对器件电路的影响160
7.1.1 单粒子效应电荷收集160
7.1.2 单粒子收集电荷导致的各类单粒子效应163
7.1.3 表征单粒子效应的关键参数169
7.2 质子诱发单粒子效应171
7.3 器件及电路单粒子效应试验172
7.3.1 试验用粒子LET值173
7.3.2 试验用离子能量及射程174
7.3.3 试验用离子通量及注量176
7.3.4 脉冲激光试验单粒子效应177
7.4 单粒子效应的分析评估方法180
7.4.1 重离子单粒子效应分析评估方法180
7.4.2 质子单粒子效应分析评估方法185
7.4.3 器件单粒子效应分析评估算例190
7.5 近地空间单粒子效应分布特征194
7.5.1 近地空间诱发单粒子效应的辐射粒子分布194
7.5.2 典型器件在典型轨道发生的单粒子效应分布197
7.6 抗单粒子效应设计指标200
7.7 单粒子效应防护设计201
7.7.1 单粒子烧毁和单粒子栅穿防护设计201
7.7.2 单粒子锁定防护设计202
7.7.3 单粒子翻转防护设计207
7.7.4 SEFI防护设计211
7.7.5 SET防护设计212
7.7.6 软件防护设计214
7.7.7 系统防护设计215
习题217
参考文献219
第8章 表面充放电效应223
8.1 表面充放电效应概述223
8.1.1 表面充放电现象223
8.1.2 表面充放电效应的危害224
8.1.3 不同轨道表面充放电风险分布228
8.2 表面充放电物理机制229
8.2.1 空间等离子体环境229
8.2.2 表面充电电流平衡方程237
8.2.3 航天器充电模型239
8.2.4 太阳电池充放电原理240
8.3 表面充放电效应防护设计方法242
8.3.1 表面充放电效应防护原则242
8.3.2 表面充放电效应防护设计流程243
8.3.3 表面充放电效应防护设计方法246
8.3.4 典型部件表面充放电效应防护设计方法248
8.4 表面充放电效应工程防护设计事例251
8.4.1 任务经过表面充放电风险区域的判定252
8.4.2 航天器表面充放电风险一维仿真计算253
8.4.3 航天器表面充放电风险三维仿真计算253
8.4.4 工程实施方案260
习题260
参考文献261
第9章 深层充放电效应264
9.1 深层充放电效应概述264
9.1.1 深层充放电效应现象与概念264
9.1.2 深层充电的物理过程265
9.1.3 深层充放电效应的主要影响与危害267
9.2 深层充放电的空间高能电子环境及模型268
9.2.1 外辐射带电子成分269
9.2.2 高能电子随磁壳的分布270
9.2.3 高能电子变化规律273
9.2.4 辐射带高能电子模型277
9.2.5 高能电子环境及风险分析280
9.3 深层充放电效应引起的典型故障286
9.3.1 深层充放电效应诱发的航天器故障事例287
9.3.2 充放电效应引起卫星故障的分析288
9.4 在轨探测实验291
9.4.1 卫星放电在轨探测实验291
9.4.2 内部充放电效应在轨探测实验295
9.4.3 充放电效应对卫星威胁的在轨监测299
9.5 地面模拟实验303
9.5.1 典型深层充放电效应模拟实验装置303
9.5.2 深层充放电关键参数测量装置316
9.5.3 航天用绝缘材料电导率测量方法319
9.5.4 深层充电试验方法334
9.6 深层充电物理模型与仿真软件340
9.6.1 深层充电物理模型341
9.6.2 深层充电仿真软件342
9.7 深层充放电效应防护指南与方法345
9.7.1 深层充放电效应防护指南345
9.7.2 深层充放电效应防护方法348
习题352
参考文献353
第10章 空间碎片及微流星体撞击效应358
10.1 空间碎片及微流星体环境358
10.1.1 空间碎片及微流星体的定义358
10.1.2 空间碎片及微流星体的来源358
10.1.3 空间碎片的增长和分布360
10.1.4 空间碎片的大小和分类361
10.2 空间碎片及微流星体超高速撞击效应363
10.2.1 空间碎片及微流星体的危害事例363
10.2.2 空间碎片及微流星体超高速撞击物理过程366
10.2.3 超高速撞击动力学366
10.2.4 行为各异的撞击现象368
10.2.5 超高速撞击典型损伤模式368
10.2.6 超高速撞击的撞击坑特性369
10.3 地面模拟试验方法370
10.3.1 二级轻气炮371
10.3.2 等离子体驱动微小碎片加速器372
10.3.3 激光驱动飞片加速器375
10.3.4 静电粉尘加速器375
10.4 仿真分析评估方法376
10.4.1 空间碎片及微流星体环境工程模式376
10.4.2 航天器撞击风险评估378
10.4.3 超高速撞击过程的数值仿真379
10.5 空间碎片应对对策380
10.5.1 躲避空间碎片碰撞380
10.5.2 加强航天器防护388
10.5.3 空间碎片减缓396
习题403
参考文献404
第11章 原子氧、紫外线及低能带电粒子侵蚀效应407
11.1 原子氧腐蚀效应407
11.1.1 原子氧的环境特征407
11.1.2 原子氧与暴露材料作用机制413
11.1.3 原子氧与紫外线、空间碎片的协同作用机制416
11.1.4 原子氧腐蚀效应评估方法417
11.1.5 原子氧防护技术427
11.2 紫外辐射效应428
11.2.1 紫外辐射环境特征428
11.2.2 紫外辐射与暴露材料作用机制430
11.2.3 紫外辐射效应试验评估方法433
11.2.4 紫外辐射防护技术433
11.3 低能带电粒子辐射效应434
11.3.1 低能带电粒子与暴露材料作用机制434
11.3.2 低能带电粒子试验评估方法436
习题436
参考文献437
第12章 航天器空间环境效应实验441
12.1 空间环境效应仿真实验441
12.1.1 仿真实验目的441
12.1.2 仿真工具441
12.1.3 仿真实验内容443
12.2 器件及电路单粒子效应实验445
12.2.1 实验目的445
12.2.2 实验测试原理445
12.2.3 实验条件设计447
12.2.4 实验项目内容设计448
12.3 航天器充放电实验458
12.3.1 充放电实验目的458
12.3.2 充放电实验条件458
12.3.3 充放电实验内容461
京公网安备 11010102004214号