航天器带电原理:航天器与空间等离子体的相互作用.pdf

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书籍描述

内容简介
《航天器带电原理——航天器与空间等离子体的相互作用》全面深入地介绍了航天器带电的基本原理,包括空间等离子体环境造成的航天器表面带电与高能电子辐射造成的航天器介质深层带电。《航天器带电原理——航天器与空间等离子体的相互作用》还介绍了太空缆索、等离子体接触器、超带电、带电抑制方法,反映本领域的最新研究进展。内容包括地球空间等离子体环境、航天器与等离子体相互作用、二次电子和背散射电子、麦克斯韦等离子体中的航天器充电、势阱和势垒、航天器放电、介质深层充电、带电抑制方法、流星体碰撞及中性气体释放等。

作者简介
作者:(美)黎树添著;李盛涛等

目录
前言
绪论 地球空间等离子体环境 1
P.1 太阳风 1
P.2 磁层 2
P.3 地磁亚暴 2
P.4 等离子体密度 3
P.5 电离层 3
P.6 极光区 4
P.7 辐射带 5
P.8 空间等离子体环境与航天器带电的相关性 7
参考文献 7
第1章 航天器带电简介 8
1.1 什么是航天器带电? 8
1.2 航天器充电有哪些效应? 9
1.3 航天器带电是如何发生的? 11
1.4 电容充电 12
1.5 其他电流 13
1.6 航天器充电发生在哪儿?13
1.7 练习 16
参考文献 17
第2章 像朗缪尔探针的航天器 19
2.1 轨道限制吸引作用 20
2.2 球面的电流收集 20
2.3 圆柱面的电流收集 21
2.4 平面的电流收集 21
2.5 评述 22
2.6 玻尔兹曼排斥因子 22
2.7 蔡尔德朗缪尔饱和电流 23
2.8 练习 24
参考文献 25
第3章 二次电子和背散射电子 26
3.1 二次电子发射 26
3.2 背散射电子 28
3.3 电子发射的总贡献 28
3.4 评述 30
3.5 与入射角的关系 30
3.6 关于经验公式的评述 31
3.7 练习 31
参考文献 32
第4章 在麦克斯韦等离子体中的航天器充电 33
4.1 速率分布 33
4.2 航天器起始充电临界温度:物理推理 34
4.3 电流平衡 35
4.4 带电水平 37
4.5 轨道限制区的电流平衡方程 38
4.6 与实际卫星数据的比较 39
4.7 练习 40
参考文献 40
第5章 在双麦克斯韦等离子体中的航天器充电 42
5.1 多重根一般理论 42
5.2 双麦克斯韦空间等离子体 43
5.3 航天器电位的三重根状态 43
5.4 三重根状态的物理解释 47
5.5 航天器电位的三重根跳变 48
5.6 迟滞 49
5.7 航天器三重根充电域 50
5.8 练习 54
参考文献 54
第6章 势阱与势垒 55
6.1 引言 55
6.2 势垒与势阱的形成 55
6.3 势垒对电子或离子分布函数的影响 57
6.4 实验数据的解释 58
6.5 由势垒形成的双麦克斯韦分布 58
6.6 自持充电 60
6.7 航天器尾流充电 62
6.8 练习 65
参考文献 65
第7章 航天器在阳光下充电 67
7.1 光电流 67
7.2 表面反射 67
7.3 太阳主谱线 69
7.4 阳光下的航天器可能被充电到负电位吗?69
7.5 航天器充电至正电位 70
7.6 负电位航天器的光发射电流 70
7.7 单极偶极电位 72
7.8 光电子发射电流的入陷比例 74
7.9 单极与偶极的竞争 75
7.10 航天器光照下带电电位的测量 76
7.11 练习 76
参考文献 77
第8章 太空缆索、等离子体接触器和鞘层电离 78
8.1 洛伦兹力 78
8.2 系绳切割环境磁场 78
8.3 裸线和导电系绳 81
8.4 等离子体接触器的浮动电位 82
8.5 鞘层模型 83
8.6 鞘层电离 84
8.7 鞘层电离模型的数值模拟方法 86
8.8 鞘层电离的结果 87
8.9 理论分析与空间实验的比较 88
8.10 练习 89
参考文献 90
第9章 电子束撞击引发的表面带电 91
9.1 电子束的碰撞能量 91
9.2 电子束撞击未带电表面 92
9.3 电子束碰撞初始带负电表面 92
9.4 电子束撞击初始带正电表面 94
9.5 总结 96
9.6 局限性 96
9.7 练习 97
参考文献 97
第10章 电子束发射诱导航天器充电 98
10.1 无束流发射时的电流平衡 98
10.2 电子束发射 99
10.3 正电位充电 101
10.4 评述 102
10.5 练习 103
参考文献 103
第11章 超带电 104
11.1 大束流发射感应充电 104
11.2 超带电 106
11.3 实验结果的物理解释 106
11.4 长杆表面带电 107
11.5 总结 108
11.6 练习 108
参考文献 109
第12章 从航天器的离子束发射 110
12.1 航天器电位的主动控制 110
12.2 离子束的返回 112
12.3 电位减小的下限 113
12.4 空间电荷效应 113
12.5 带电粒子束的电荷交换 115
12.6 在离子束中的化学反应 117
12.7 太阳光下的离子束 118
12.8 练习 119
参考文献 120
第13章 航天器放电 122
13.1 引言 122
13.2 航天器放电的位置 122
13.3 表面放电的相似定律 124
13.4 不等量带电 125
13.5 “刷状火花”放电 126
13.6 帕邢和非帕邢放电 127
13.7 汤逊准则 127
13.8 关于阈值电压的评述 129
13.9 放电时间的演变 129
13.10 放电的实验室观测 130
13.11 流星体或碎片碰撞诱发放电 131
13.12 练习 132
参考文献 132
第14章 高能粒子透入材料 134
14.1 引言 134
14.2 高能带电粒子在固体中的穿透特性 135
14.3 高能带电粒子透入固体的物理过程 135
14.4 带电粒子相互作用的玻尔模型 136
14.5 阻止本领 137
14.6 贝特-布洛赫方程 138
14.7 透入深度和射程 139
14.8 透入深度的近似公式 140
14.9 带电粒子的穿透效应 141
14.10 对航天员的影响 142
14.11 高能带电粒子在材料中透入的科学问题 142
14.12 练习 143
参考文献 144
第15章 航天器异常 145
15.1 引言 145
15.2 表面带电引起的航天器异常 145
15.3 表面放电能量 148
15.4 与空间环境的关系 148
15.5CRRES卫星介质深层带电的证据 149
15.6 深层介质带电的结论性证据 150
15.7 辐射带Twin卫星上观测到的异常 150
15.8 练习 153
参考文献 154
第16章 介质深层充电 155
16.1 引言 155
16.2 深层介质带电的重要性 155
16.3 高能电子和离子通量 156
16.4 高能电荷透入材料 158
16.5 介质特性 158
16.6 归结于深层介质充电的观察 163
16.7 高电场雪崩电离 164
16.8 相关问题和相关机理 165
16.9 莫特转变 165
16.10 普尔弗兰凯尔强电场效应 167
16.11 齐纳击穿 168
16.12 电子注量 169
16.13 介质深层带电的临界注量 170
16.14 有泄漏时的电荷密度 171
16.15 关于航天器异常的评述 171
16.16 电子沉积在电子器件内部的效应 172
16.17 练习 173
参考文献 173
第17章 抑制带电的方法 176
17.1 引言 176
17.2 尖角法 177
17.3 热灯丝发射法 178
17.4 导电栅网法 179
17.5 局部表面导电涂层法 179
17.6 高二次电子发射系数法 179
17.7 电子和离子发射法 180
17.8 DSCS带电控制试验 181
17.9 蒸发法 183
17.10 介质深层充电 183
17.11 练习 183
参考文献 184
第18章 流星体简介 186
18.1 尺寸分布 186
18.2 流星雨 187
18.3 流星体速率极限 189
18.4 非雨状流星体 190
18.5 碎片 191
18.6 流星体成分 191
18.7 练习 192
参考文献 192
第19章 流星体碰撞 194
19.1 流星粒子的动能 195
19.2 透入深度 196
19.3 对流星碰撞的防护 198
19.4 流星体屏蔽 199
19.5 流星的碰撞概率 200
19.6 角动量的扰动 201
19.7 中性粒子碰撞产生二次电子和离子 201
19.8 中性粒子碰撞产生等离子体 202
19.9 航天器突发放电的风险 203
19.10 总结 204
19.11 练习 205
参考文献 205
第20章 中性气体释放 208
20.1 电离和复合 208
20.2 临界电离速率 211
20.3 中性束剥离 215
20.4 练习 216
参考文献 216
第21章 补充知识和附录218
补充知识1:热电子漂移 218
补充知识2:坐标变换 226
补充知识3:麦克斯韦分布的归一化和维数 227
补充知识4:通量积分 228
补充知识5:能量分布 230
补充知识6:鞘淹没 231
补充知识7:PN结 235
补充知识8:概率函数 239
附录1:航天器带电计算软件 239
附录2:在木星和土星上的航天器带电 245
附录3:物理常量和单位变换 249
致谢 251
索引 252
译后记 255

文摘
辐射带也称为范•艾伦带或范•艾伦辐射带[810]。这里,辐射指的是高能(MeV或更高)电子和离子。有两个电子带和一个质子带(图P.8)。闭合磁场线将电子和质子限制在辐射带中,在存在电磁波的情况下,电子和质子做来回穿梭运动。有时,如果太阳喷出物压缩磁层的前端,磁瓶中的电子和离子可能被激发到更高能量状态。
内层辐射带起始于大约1000km,结束于大约2.5RE处。外层辐射带起始于大约2.8RE,终止于6.6RE。辐射带边界,尤其是外层辐射带的边界,在太阳活跃期会扩展。当发生异常活跃事件时,在内外层辐射带间的“狭槽”中可能出现第三个辐射带。
在靠近巴西南部的大西洋区域,磁场强度稍弱些,辐射带的高度下跌到大约250km。这个区域称为南大西洋异常区(SAAR),即使低轨卫星在那里也可能遭遇MeV级电子。
辐射带和等离子体层的位置有时会部分重叠。这也许听起来有点矛盾,平均电子能量只有几eV,而有些电子的能量却可以达到MeV,甚至更高。电子能量分布极广,大多数电子处于低能状态的同时,一些电子却拥有非常高的能量。如果考虑两类电子的密度,可以发现高能电子密度要比低能电子密度低几个数量级。
电子有两个小峰,而质子只有一个。辐射带会随着太阳活动(和受太阳活动控制的空间天气)而变化(L值表示离开地心的距离,其定义为L=1/cos2Λ,Λ是磁纬度(也称为不变纬度)。在赤道区域,特别是地球附近,L近似等于地球半径RE)。

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