自S.E.DeForest(J.Geophys Res.,第77卷,第651~659頁,1972)觀察到了ATS5航天器被充電至負(fù)幾千伏電壓后,航天器充電現(xiàn)象開始得到關(guān)注。20世紀(jì)70年代到80年代,美國空軍學(xué)院召開了為期四屆的航天器充電專題會(huì)議,預(yù)示著航天器充電走上臺(tái)前。自那時(shí)起,航天器充電相關(guān)的論文、評(píng)論及教科書相繼出現(xiàn),F(xiàn)如今,航天器表面充電物理學(xué)已是一些大學(xué)和學(xué)院教授的課程。
過去30年,出版了兩本關(guān)于航天器表面充電物理學(xué)主題的實(shí)用教科書,分別是1996年由劍橋大學(xué)出版社出版的Hastings和Garrett創(chuàng)作的《航天器空間環(huán)境相互作用》;2012年由普林斯頓大學(xué)出版社出版的Lai創(chuàng)作的《航天器充電基礎(chǔ)》。
應(yīng)出版商泰勒弗朗西斯出版集團(tuán)要求,將Lai和Cahoy的一篇題為《航天器充電》的文章(刊載于泰勒弗朗西斯出版集團(tuán)于2017年出版的《等離子體技術(shù)百科全書》)擴(kuò)展為專著。為完成此任務(wù),筆者充分借鑒了麻省理工學(xué)院空間推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室及波士頓學(xué)院舉辦的多次教學(xué)研討會(huì)成果。筆者很榮幸能在麻省理工學(xué)院和波士頓學(xué)院舉辦教學(xué)研討會(huì),在此向工作在這些單位的 Manuel MartinezSanchez、Paulo Lozano及Patricia Doherty等表示衷心的感謝。
請(qǐng)對(duì)知識(shí)內(nèi)容要求較為全面的讀者諒解:本書沒有介紹實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和模擬方法、空間儀器和工程、深層充電、三重根躍遷、臨界溫度的替代方案、表面材料特性和數(shù)據(jù)庫、放電起始、放電擴(kuò)展及更多內(nèi)容。本書內(nèi)容更專注于航天器充電的基本物理學(xué)。
本書不是對(duì)理論的闡述,而是嘗試解釋航天器表面充電物理學(xué)的內(nèi)涵。引用愛因斯坦的名言:除非您能向祖母解釋,否則您不會(huì)真正理解某事。↙.Maiani,Euro Phys J.,doi:10.1140/epjh/e20178004092017)。在此向所有提出建設(shè)性問題的同事和學(xué)生們表示感謝,希望本書能夠幫助、激勵(lì)并吸引各位讀者。
第1章概述1
1.1何為航天器充電?1
1.2何為航天器電勢?1
1.3為什么航天器充電如此重要?1
1.4航天器充電發(fā)生在哪里?2
1.5航天器充電何時(shí)發(fā)生?3
1.6電子和離子通量4
1.7一般參考資料6
參考文獻(xiàn)8
第2章航天器平衡勢10
2.1導(dǎo)言10
2.1.1同性電荷相斥10
2.1.2異性電荷相吸11
2.2瞬態(tài)充電11
2.3平衡水平12
2.4浮動(dòng)電勢13
2.5鞘區(qū)中的電子和離子能量13
2.5.1入射電子14
2.5.2出射電子14
2.5.3入射正離子15
2.5.4出射離子15
參考文獻(xiàn)17
第3章電流平衡18
3.1朗繆爾引力公式18
3.2入射電流20
3.3電子和離子電流的平衡20
3.4多個(gè)電流的平衡21
第4章如何測算航天器電勢23
4.1能量分布23
4.1.1互斥物質(zhì)24
4.1.2增強(qiáng)圖形24
4.1.3非麥克斯韋分布25
4.2測量分布的儀器25
4.2.1阻滯勢分析器25
4.2.2RPA缺點(diǎn)26
4.2.3等離子體分析儀26
4.2.4長吊臂27
參考文獻(xiàn)29
第5章二次電子和背散射電子30
5.1二次電子30
5.2背散射電子31
5.3輸入和輸出電通量32
5.4SEY和BEY的經(jīng)驗(yàn)公式33
5.5研究問題35
參考文獻(xiàn)37
第6章誘發(fā)航天器充電的臨界溫度39
6.1航天器充電初始電流平衡39
6.2兩個(gè)重要特性40
6.3積分結(jié)果41
6.4各種材料的臨界溫度43
6.5臨界溫度存在的證據(jù)44
6.6輸入和輸出麥克斯韋電流平衡45
參考文獻(xiàn)48
第7章表面條件的重要性49
7.1不準(zhǔn)確的主要原因49
7.2二次電子系數(shù)公式49
7.3表面條件50
7.4背散射電子系數(shù)52
7.5航天器表面條件的應(yīng)用52
參考文獻(xiàn)54
第8章高能級(jí)航天器電勢56
8.1超過臨界溫度56
8.2離子誘導(dǎo)的二次電子57
8.3Kappa分布59
參考文獻(xiàn)61
第9章航天器在日光下充電63
9.1光電效應(yīng)63
9.2光電發(fā)射63
9.3光電子電流64
9.4充電至正電勢65
9.5光電子產(chǎn)額66
9.6表面條件66
9.6.1重要屬性167
9.6.2重要屬性267
9.7日光下的差異充電67
9.8差異充電的潛在場景68
9.8.1成對(duì)雙向反射面68
9.8.2日食結(jié)束69
9.9總結(jié)69
參考文獻(xiàn)71
第10章單極偶極模型72
10.1簡介72
10.2單極偶極模型73
10.3說明性示例75
10.4電子通量逃逸率76
10.5捕獲低能電子的證據(jù)77
10.6三分之一電勢比率78
參考文獻(xiàn)79
第11章航天器充電中環(huán)境電子密度的獨(dú)立性問題80
11.1簡介80
11.2麥克斯韋等離子體充電的發(fā)端80
11.3麥克斯韋等離子體中的有限電勢充電81
11.4Kappa等離子體中的航天器充電81
11.5導(dǎo)體航天器的日光充電82
11.6日光下導(dǎo)電航天器的負(fù)電壓充電83
11.7單極偶極模型中的充電84
11.8雙麥克斯韋分布84
11.9電離層充電84
11.10航天器充電的多面性:臨界溫度和環(huán)境電子密度的依賴性
問題85
參考文獻(xiàn)87
第12章束流發(fā)射引起的航天器充電89
12.1簡要回顧89
12.2光束發(fā)射90
12.3電子束回掃91
12.4增壓93
12.5驅(qū)動(dòng)力和響應(yīng)94
12.6電子束發(fā)散95
12.7空間推進(jìn)的束流發(fā)射96
12.8電子束發(fā)射造成的航天器損壞98
參考文獻(xiàn)99
第13章抑制方法100
13.1主動(dòng)和被動(dòng)方法100
13.2電子場發(fā)射101
13.3兩種電子發(fā)射方法的缺點(diǎn)102
13.4低能離子發(fā)射103
13.5低能等離子體發(fā)射103
13.6局部導(dǎo)電涂層104
13.7極性分子噴霧104
13.8通過鏡面抑制105
13.9使用LED緩解106
參考文獻(xiàn)108