自S.E.DeForest(J.Geophys Res.,第77卷,第651~659頁,1972)觀察到了ATS5航天器被充電至負幾千伏電壓后,航天器充電現(xiàn)象開始得到關注。20世紀70年代到80年代,美國空軍學院召開了為期四屆的航天器充電專題會議,預示著航天器充電走上臺前。自那時起,航天器充電相關的論文、評論及教科書相繼出現(xiàn),F(xiàn)如今,航天器表面充電物理學已是一些大學和學院教授的課程。
過去30年,出版了兩本關于航天器表面充電物理學主題的實用教科書,分別是1996年由劍橋大學出版社出版的Hastings和Garrett創(chuàng)作的《航天器空間環(huán)境相互作用》;2012年由普林斯頓大學出版社出版的Lai創(chuàng)作的《航天器充電基礎》。
應出版商泰勒弗朗西斯出版集團要求,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于2017年出版的《等離子體技術百科全書》)擴展為專著。為完成此任務,筆者充分借鑒了麻省理工學院空間推進實驗室及波士頓學院舉辦的多次教學研討會成果。筆者很榮幸能在麻省理工學院和波士頓學院舉辦教學研討會,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。
請對知識內(nèi)容要求較為全面的讀者諒解:本書沒有介紹實驗室實驗、數(shù)值計算和模擬方法、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。
本書不是對理論的闡述,而是嘗試解釋航天器表面充電物理學的內(nèi)涵。引用愛因斯坦的名言:除非您能向祖母解釋,否則您不會真正理解某事。↙.Maiani,Euro Phys J.,doi:10.1140/epjh/e20178004092017)。在此向所有提出建設性問題的同事和學生們表示感謝,希望本書能夠幫助、激勵并吸引各位讀者。
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8
第2章航天器平衡勢10
2.1導言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26
4.2.3等離子體分析儀26
4.2.4長吊臂27
參考文獻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)驗公式33
5.5研究問題35
參考文獻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
6.2兩個重要特性40
6.3積分結果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48
第7章表面條件的重要性49
7.1不準確的主要原因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用52
參考文獻54
第8章高能級航天器電勢56
8.1超過臨界溫度56
8.2離子誘導的二次電子57
8.3Kappa分布59
參考文獻61
第9章航天器在日光下充電63
9.1光電效應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成對雙向反射面68
9.8.2日食結束69
9.9總結69
參考文獻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79
第11章航天器充電中環(huán)境電子密度的獨立性問題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導體航天器的日光充電82
11.6日光下導電航天器的負電壓充電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驅動力和響應94
12.6電子束發(fā)散95
12.7空間推進的束流發(fā)射96
12.8電子束發(fā)射造成的航天器損壞98
參考文獻99
第13章抑制方法100
13.1主動和被動方法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108