空间环境工程学复习题

12016年《空间环境工程学》复习题1、简述《空间环境工程学》的内涵及研究的内容研究空间环境及其效应与航天器的相互作用，减缓空间环境对航天器的性能、寿命及可靠性影响，提高航天器环境耐受能力的一门工程学科。环境获取与分析、环境适应性设计与防护、环境试验评价与验证、环境模拟技术、环境工程管理2、地球轨道空间环境包括那些环境因素？(回答时可不写括号中内容)压力（真空）、温度、粒子辐射（太阳宇宙射线、银河宇宙射线、地球俘获带）、太阳电磁辐射、等离子体（磁层等离子体、电离层等离子体）、引力场、磁场、微流星体与空间碎片、中性大气（原子氧）3、简述什么是真空环境，它的单位及如何划分真空区域？“真空”是指在给定空间内低于一个大气压力的气体状态，也就是该空间内气体分子密度低于该地区大气压分子密度。真空度通常用压强表示。国际单位通常用Pa（帕）表示，1Pa为1m2面积上作用1N的力，即：1Pa=1N/m2真空区划分为如下区段：低真空：105～102Pa中真空：102～10-1Pa高真空：10-1～10-5Pa超高真空：＜10-5Pa4、什么是分子自由程，如何计算单一气体分子平均自由程？一个分子与其它分子每连续两次碰撞走过的路程，称作自由程。处于平衡态下，大量自由程的统计平均值，叫平均自由程。单一气体分子平均自由程由下式计算：=(3.10710-24T)/p2（m）式中：T------气体热力学温度（k）2p------气体压力（Pa）------气体分子直径（m）5、什么是流导、分子流、粘滞流和中间流？流导：在等温条件下，气体通过导管和孔流动时，其流量与导管的两规定截面或孔的两侧的平均压力差之比。粘滞流：气体分子的平均自由程远小于导管最小截面尺寸的流态。粘滞流可以是层流或滞流。分子流：气体分子的平均自由程远大于导管截面最大尺寸的流态。中间流：在层流和分子流之间状态下气体流过导管的流动。6、什么是空间冷黑背景，为什么叫做“热沉”？宇宙空间辐射能量极少，并且没有反射辐射，可以认为是4K的黑体，形成冷黑背景。在这样极端低温的环境下，航天器表面辐射的能量被宇宙空间完全吸收，没有任何反射，所以称作“热沉”。7、地球轨道航天器表面热辐射来自哪些部分？太阳直接辐射、地球反照、地球红外辐射。8、什么是空间碎片，空间碎片按尺寸是如何分类的，空间碎片的4个研究内容是什么。空间碎片是人类遗留在空间的人造废弃物。通常包括完成任务的火箭箭体、卫星本体、执行航天任务中的抛弃物、上述物体由于碰撞、爆炸、老化（退化）和降解产生的碎片、火箭的喷射物等。目前，按照空间碎片的尺寸，通常将其分为三种：大碎片：尺寸大于10cm的废弃人造空间物体；小碎片：尺寸在1cm10cm之间；微小碎片：尺寸在1cm以下。空间碎片的4个研究内容为：空间碎片观测、模型和数据库、空间碎片减缓、空间碎片防护。39、简述空间碎片撞击失效概率研究的主要内容失效概率研究工作主要包括三个主要内容：撞击概率计算、撞击损伤特性分析（弹道极限方程、损伤方程、碎片云时空分布演化等）、失效判断。将撞击概率计算模块、超高速撞击特性数据库、失效判据数据库集成到软件平台上，就形成了空间碎片风险评估软件包。10、简述什么是弹道极限方程一般以临界穿孔作为航天器舱壁结构失效的准则，用临界弹丸直径与撞击速度之间的关系曲线表征航天器结构耐受空间碎片撞击的性能，这类曲线被称作结构的弹道极限曲线。用弹道极限曲线拟合的公式称作弹道极限方程。11、简述什么是原子氧环境、产生的原因、主要环境参数。原子氧是指低地球轨道（通常认为200km700km高度）上以原子态氧存在的残余气体环境。原子氧环境是太阳紫外对残余大气中氧分子光致解离及残余大气在地球引力场下分层的结果。原子氧通量密度为：200km：41015个/cm2.s，600km：41012个/cm2.s，平均动能5.3eV。12原子氧地面模拟设备主要有那几部分组成？有几类原子氧源，简述它们的原理及特点。原子氧环境模拟实验的设备是一台多参数的综合空间环境模拟器，由原子氧源、试验容器、真空抽气系统与相应的测试仪器组成。根据原子氧源的形式可把地面模拟设备分为4种：热等离子体式：利用射频或微波放电产生氧等离子体，将样品置于其中，利用等离子体中粒子的热动能与样品发生作用。优点是技术成熟、设备结构简单、造价低。缺点是没有束流，粒子成分复杂，不能模拟束流高速碰撞的效应。定向等离子体式：使微波放电产生的等离子体，在磁场梯度作用下，沿磁力4线漂移，产生定向运动束流，撞击到靶上。这类设备的优点是束流密度大，缺点是粒子成分复杂，定向性差。氧气激光电离气动力加速式：高密度激光束使O2高温电离为等离子体，通过超音速喷管等熵膨胀加速，喷管加速过程中使e、O+复合为O。这类设备的优点是原子氧纯度高，通量密度大，暴露面积大。缺点是加速到8km/s的轨道速度难度比较大。氧气电离电磁加速式：利用气体放电，热电子轰击等方法，将氧气电离为等离子体，再通过离子引出、加速、质量选择、降能、中性化等手段获得中性原子氧束流。优点是易得到高速束流，束流速度可以通过改变减速极电压准确调节。缺点是中间过程多，束流密度损失大13、通常采用什么方法标定原子氧设备的束流通量密度？简述原理及标定方法。通常采用聚酰亚胺膜质量损失法，其原理及特点如下：聚酰亚胺的原子氧反应率很稳定，不随环境条件的变化而不同。因此把它作为标准样品，通过它在原子氧试验中的质量损失来计算等效原子氧通量。计算公式如下：f=m/(AtS)其中：f------通量密度，AO/cm2.s；m------聚酰亚胺样品质量损失，g；------聚酰亚胺密度，g/cm3；S------样品暴露在原子氧环境的面积，cm2；t------暴露时间，s；A------聚酰亚胺原子氧反应率，cm3/AO。14、简述地球轨道空间粒子辐射环境的构成。主要由地球辐射带、太阳宇宙射线、银河宇宙射线三种类型构成，主要成分是电子、质子、中子等及少量重离子。15、简述辐射的电离损失和辐射损失。5带电粒子与靶原子的核外电子发生非弹性碰撞，导致靶原子的电离或激发，造成入射粒子的能量损失叫做“电离损失”。入射带电粒子到达靶原子核的库伦场时，库伦力会使入射粒子的速度和方向发生变化，产生电磁辐射，这种电磁辐射叫韧致辐射，由此产生的入射粒子的能量损失称为“辐射损失”。16、分别简述辐射通量、注量及吸收剂量的定义辐射通量也叫注量率或通量密度，指单位时间通过单位面积的粒子数，单位为cm-2s-1,通常加上粒子的符号。注量为单位面积上入射粒子的时间积分通量，单位cm-2,通常加上粒子的符号。吸收剂量是单位质量靶物质中沉积的辐射能量，单位拉德（rad）和格瑞（Gy）。17、简述辐射对航天器的有哪些主要损伤机理，对微电子器件有哪些效应？辐射主要是对航天器材料和器件中造成损伤，主要损伤机理为电离损伤和原子位移损伤。对微电子器件的主要效应有总剂量效应和单粒子效应。辐射对物质作用位移效应电离效应微电子器件总剂量效应微电子器件单粒子效应618、日地空间等离子体是如何形成的，有哪些类型组成？。在日地空间，空间等离子体的形成主要来源于太阳。太阳的活动性改变了太阳的电磁辐射和粒子输出，造成日地空间等离子体环境的相应变化。日地空间等离子体主要由太阳风等离子体、磁层等离子体、电离层等离子体三部分组成。19、简述航天器表面绝对带电和不等量带电。绝对带电是指航天器表面结构相对于周围空间等离子体的电位差，不等量带电是指航天器不同表面之间存在的电位差。20、什么是航天器内带电效应，简述介质深层带电的机理。在太阳活动期间，地球中高轨道上将产生大量高能电子。这些电子能够穿透航天器表面面板，对星内结构进行充电，通常称作内部带电。内部带电包括两种，一种是不接地的孤立导体的带电，另一种是星内介质的深层带电。介质深层带电的机理为：高能电子穿透航天器表面面板入射到内部的介质材料中而沉积。当电荷累积速率大于电荷的泄漏速率时，不同能量的电子将沉积于介质材料的不同深度并建立内部电场。21简述高压太阳电池阵电离层等离子体带电及电流泄漏的机理。高压太阳电池阵电池片间的金属连接线地面暴露大气或加工中产生一层绝缘的氧化层、污染层、气体分子膜层。在轨道电离层等离子体环境下，带负电的连接线吸引收集正离子，随着离子积累，电场不断加强，最终将绝缘层击穿，发生电弧放电。太阳电池阵带正电的部分会从等离子体中吸引电子，吸引的电子撞击到太阳阵表面会造成二次电子发射，进一步增加太阳电池阵表面的电子密度，导致电池阵表面整个被电子云覆盖，形成表面导电层。太阳阵裸露在等离子体中的带不同电位的金属互连片部分，将会通过表面电子云鞘形成电流回路，产生电流泄漏，造成太阳电池阵功率下降。722、简述常用磁场反演法测量磁矩的原理及方法在离开航天器一定距离处测量航天器磁场，由磁场计算出航天器磁矩。这类方法称磁场反演法，目前使用较多的有3种。（1）偶极子法。这种方法是把试件看作偶极子，测量探头离开试件一定距离，测量试件的径向和切向磁场分量。有下式计算航天器磁矩：磁场径向分量Hr=（2M/R3）cosθ，磁场的切向分量Hθ=（M/R3）sinθ式中：M------磁矩R------传感器与试件中心距离θ------传感器到试件中心连线与试件轴线的夹角（2）球谐分析法。这种方法也叫球面作图法，航天器附近的磁场是由偶极子和其他多极子产生的。这种方法是通过测量包围航天器的球面上各点的径向磁场来反推磁矩的3个分量Mx，My，Mz，从而求得磁矩的大小与位置。（3）近场分析法。这种方法又称赤道作图法，在零磁场环境下，试件放在可绕垂直轴转动的转台上。在卫星赤道平面内，用4台三分量探测器，分别放在距离r=r1,r2,r3,r4处进行测量。试件绕竖直轴转动360°每转动一定角度，测量一个数值。由磁场来反推磁矩的大小与位置。23、航天器污染有哪几类，污染对航天器有什么影响？航天器污染包括分子污染、颗粒污染和羽流污染。羽流污染包括航天器发动机点火燃烧生成的气体分子污染及颗粒污染。由于其特殊性及重要性被单独划分出来。污染会使光学表面的反射率与透射率下降、热控表面性能退化、引起太阳电池阵输出功率衰减、造成电子仪器失灵和失效。24、什么是仿真，有几种仿真，各有什么特点？仿真是通过模型描述客观世界的系统、过程或现象。有3种仿真：8（1）物理仿真：在分析真实系统物理性质的基础上建立物理模型，在物理模型上进行试验，这一过程被称为物理仿真。（2）数值仿真：实际系统被抽象为数值或其它逻辑表达，建立数值模型，通过计算机对数值模型进行运算并获得演化规律，称作数字仿真。（3）半物理仿真：数值模型与物理模型甚至实物相结合进行实验的过程称作半物理仿真。25、简述仿真的理论依据。相似性（等效性）是仿真的主要理论依据。仿真是通过研究模型来揭示原型的形态和本质，从而达到认识客观世界的目的。相似理论基本内容包括相似定义、相似定理、相似类型和相似方法等。26、什么是微重力环境，它是如何产生的？重力加速度值为10-3～10-6g的环境，称为微重力环境。航天器在圆轨道上运动时，地球引力产生的重力方向指向地球中心，把航天器拉向地球。航天器进入空间轨道后有一定的速度υ，产生的离心力使航天器飞离地球。当航天器的速度值达到第一宇宙速度，重力和离心力两者抵消。这种情况称为“失重”。实际情况下，卫星轨道为椭圆形，其重力不可能绝对为零。另外，轨道上各种运动也会影响重力的大小。这样，就造成了微重力环境。27、简述月球轨道带电粒子环境的内容及特点。月球轨道没有电离层、磁层、辐射带，只有太阳风、太阳宇宙射线、银河宇宙射线，所以，月球轨道带电粒子环境比地球轨道带电粒子环境简单。28、月球尘埃有什么特点，它对月面探测活动有什么影响？月尘具有颗粒小、带电、容易悬浮等特点，月尘会造成月球着陆器及月球车热控涂层及光学镜头等敏感表面污染，活动部件出现磨损、阻塞，太阳电池阵介质表面产生静电等。929、真空热试验的三个模拟要素是什么？热平衡试验和热真空试验的目的是什么？三个模拟要素是真空、冷黑、