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第1章 概论1

1.1 概述1

1.2 近地空间环境2

1.3 空间环境及其效应2

1.3.1 真空环境及其效应2

1.3.2 原子氧环境及其效应4

1.3.3 粒子辐射环境及其效应5

1.3.4 太阳辐射环境及其效应7

1.3.5 热环境及其效应10

1.3.6 微流星与空间碎片环境及其效应11

1.3.7 地球磁场环境及其效应12

1.3.8 空间引力场环境及其效应14

1.3.9 空间冷黑环境及其效应14

1.3.10 空间污染及其效应15

1.3.11 空间等离子体环境及其效应15

1.3.12 空间微重力环境及其效应16

1.3.13 空间大气环境及其效应16

1.4 航天器经历的环境17

1.5 空间模拟器17

1.5.1 空间模拟器的分类17

1.5.2 热真空试验设备18

1.6 空间环境工程学研究的主要内容19

1.7 空间模拟器与整星空间环境试验技术20

1.7.1 空间模拟器是航天器环境试验验证工作的必要手段20

1.7.2 空间环境试验的必要性21

1.7.3 空间环境试验方法与使用程序22

1.7.4 空间环境模拟试验技术的主要研究方向23

1.7.5 在空间环境模拟器中进行典型试验的项目25

1.8 空间模拟器的主要环境参数29

1.8.1 真空环境29

1.8.2 冷黑环境30

1.8.3 空间外热流环境30

1.8.4 航天器真空热试验环境模拟参数31

1.9 建立空间模拟器的必要性31

1.9.1 热真空、热平衡试验的需要31

1.9.2 载人航天器试验的需要31

1.9.3 航天器特殊组件试验的需要32

1.9.4 航天器可靠性与经济上的需要32

1.9.5 航天器研制性试验与改进性试验的需要32

1.10 空间模拟器的国内外进展32

1.10.1 中国空间模拟器的发展概况32

1.10.2 国外空间模拟器的发展39

第2章 空间模拟器总体设计43

2.1 概述43

2.2 总体设计主要技术指标的确定43

2.2.1 明确服务对象43

2.2.2 总体技术指标要求44

2.3 总体技术指标中特殊要求的确定46

2.3.1 根据不同特殊使用要求增加对应分系统的特殊要求46

2.3.2 满足各分系统间的相互约束的特殊要求47

2.3.3 环境、污染与安全的特殊要求48

2.3.4 制造与工艺的特殊要求49

2.3.5 优化设计与计划进度的特殊要求50

2.3.6 测试与维修的特殊要求51

2.3.7 发展与接口的特殊要求51

2.4 总体方案设计任务与步骤51

2.4.1 总体方案设计的宗旨51

2.4.2 总体方案设计的步骤52

2.4.3 总体方案设计任务52

2.4.4 总体对分系统方案类型的选择和要求53

2.5 空间模拟器分系统组成53

2.6 总体设计方法与优化58

2.6.1 总体方案设计的基本任务58

2.6.2 总体综合设计59

2.6.3 优化设计59

2.6.4 预先研究60

2.6.5 总体方案可行性论证63

2.6.6 提出初步设计要求65

2.6.7 总体设计中的反馈与评审65

2.6.8 关键技术分析68

2.6.9 总体设计基本原则与质量保证69

2.7 分系统的设计原则77

2.7.1 真空容器的设计原则77

2.7.2 真空系统的设计原则79

2.7.3 热沉的设计原则82

2.7.4 液氮系统的设计原则86

2.7.5 气氮系统的设计原则87

2.7.6 氦系统的设计原则88

2.7.7 太阳辐照环境的设计原则88

2.7.8 测控系统的设计原则90

2.8 空间模拟器的投资与运转费用91

2.8.1 空间模拟器的投资91

2.8.2 空间模拟器的运转费用92

第3章 真空容器设计技术94

3.1 概述94

3.2 真空容器的结构设计与计算95

3.2.1 真空容器的结构设计与稳定性计算95

3.2.2 真空容器壳体及封头设计100

3.2.3 球形真空容器设计112

3.2.4 箱型真空容器设计114

3.2.5 有限元计算在大型真空容器设计中的应用115

3.3 大型圆柱形真空容器参数简要说明116

3.3.1 真空容器参数说明116

3.3.2 容器壳体设计计算参数118

3.4 大型真空容器的制造工艺120

3.4.1 大型真空容器的制造流程120

3.4.2 真空容器筒体制造工艺121

3.4.3 法兰制造工艺127

3.4.4 大型真空容器开孔补强与对接焊接工艺133

3.4.5 门与封头制造工艺136

3.4.6 KM6大型喇叭形、锥形圆筒的焊接工艺140

3.5 球形真空容器的制造工艺140

第4章 热沉设计技术145

4.1 空间冷黑环境145

4.2 热沉模拟的有效性研究146

4.3 热沉模拟的热辐射147

4.3.1 有外部热源时，热沉温度对航天器的热辐射147

4.3.2 由压力、剩余气体引起的热传导误差148

4.3.3 没有外部热辐射时，热沉温度、尺寸与发射率对航天器热试验的影响148

4.4 热沉热负荷计算分析150

4.4.1 航天器对热沉的辐射与反辐射的数值模拟150

4.4.2 用太阳模拟器进行真空热试验对热沉辐射热的计算151

4.4.3 用红外模拟器进行真空热试验对热沉辐射热的计算151

4.4.4 热沉接受圆柱体真空容器壁辐射热的数值模型152

4.4.5 热沉传导漏热的计算153

4.4.6 容器内剩余气体的传导漏热153

4.5 热沉模拟的结构设计153

4.5.1 热沉的形式154

4.5.2 热沉壁板形式154

4.5.3 热沉材料的选择156

4.5.4 热沉支管间距设计160

4.5.5 热沉液氮进出口管设计160

4.6 分子沉模拟技术161

4.6.1 分子沉模拟的结构形式162

4.6.2 深冷抽气速率计算165

4.6.3 深冷泵的热负荷175

4.7 热沉制造工艺177

4.7.1 材料的检验178

4.7.2 焊接工艺及质量控制178

4.7.3 热沉的检漏179

4.8 热沉总装技术180

4.9 热沉测温技术181

第5章 真空系统设计技术182

5.1 概述182

5.2 真空系统设计流程183

5.3 真空获得系统组成186

5.3.1 概述186

5.3.2 空间环境模拟设备常用真空获得设备187

5.3.3 真空机组及其应用说明194

5.4 被抽气体分析及计算197

5.4.1 真空抽气过程197

5.4.2 粗抽阶段气体分析及计算199

5.4.3 高真空阶段气体分析及计算199

5.5 抽气时间和压力的计算202

5.5.1 气体流动状态及其判别202

5.5.2 容器有效抽速及管道流导204

5.5.3 抽气时间的计算207

5.5.4 真空容器压力计算210

5.6 真空获得系统的选择与匹配计算212

5.6.1 高真空系统的选择212

5.6.2 过渡系统214

5.6.3 粗抽系统设计计算215

5.7 复压系统设计217

5.8 换气系统218

5.9 尾气排放系统219

5.10 真空测量220

5.10.1 概述220

5.10.2 真空测量的特点及真空计的选用原则220

5.10.3 常用真空测量设备221

5.10.4 真空测量系统设计224

5.11 污染测量和控制227

5.11.1 概述227

5.11.2 污染测量方法227

5.11.3 降低污染的方法及措施229

5.12 真空检漏230

5.12.1 概述230

5.12.2 检漏规划与指标设计231

5.12.3 检漏方法的说明与选择236

5.12.4 大型真空系统检漏说明246

5.13 大口径低温泵研制252

5.13.1 研制流程说明253

5.13.2 低温泵总体设计254

5.13.3 设计计算262

5.13.4 制造及装配工艺262

5.13.5 低温泵测试266

第6章 液氮系统设计技术272

6.1 概述272

6.2 方案设计272

6.3 系统热负荷的计算276

6.4 典型液氮系统举例284

第7章 气氮系统设计技术291

7.1 概述291

7.2 气氮回温系统291

7.2.1 方案设计291

7.2.2 设计计算293

7.2.3 典型气氮回温系统举例295

7.3 气氮调温系统298

7.3.1 气氮调温系统的应用目的与技术指标298

7.3.2 热沉调温方法299

7.3.3 调温系统的设计303

7.3.4 中国KFT空间环境模拟设备的调温系统308

第8章 氦低温系统设计技术310

8.1 概述310

8.1.1 氦低温系统在空间模拟器中的作用310

8.1.2 空间模拟器中常用的几种氦制冷系统311

8.2 中国几台典型的空间模拟器的氦制冷系统318

8.2.1 KM3空间模拟器的氦制冷系统318

8.2.2 KM4空间模拟器的氦制冷系统320

8.2.3 KM6空间模拟器的氦制冷系统325

8.2.4 直径5.2m空间模拟器的液氦低温系统341

8.3 国际上空间模拟器中应用的氦低温系统353

8.3.1 热真空试验用的空间模拟器中的氦低温系统353

8.3.2 红外与多光谱定标试验用的空间模拟器中的氦低温系统357

8.3.3 姿控发动机羽流试验用的空间模拟器中的氦低温系统359

第9章 太阳模拟器设计技术362

9.1 概述362

9.2 太阳辐射能量与太阳常数362

9.3 太阳辐照的环境特征366

9.3.1 空间外热流模拟366

9.3.2 太阳辐照的主要环境特征367

9.4 太阳辐照环境效应368

9.5 太阳辐照环境模拟技术370

9.5.1 太阳模拟器的分类370

9.5.2 光学系统设计373

9.5.3 光学系统装校与测量382

9.5.4 测控系统设计383

9.5.5 冷却系统设计385

9.6 太阳模拟器的光源386

9.6.1 对光源的要求386

9.6.2 短弧氙灯389

9.7 国内太阳模拟器394

9.7.1 KM4太阳模拟器394

9.7.2 KFT太阳模拟器397

9.7.3 TM-3000系列太阳模拟器399

9.7.4 KM2太阳模拟器399

9.7.5 KFTA太阳模拟器400

9.7.6 KM6太阳模拟器401

9.7.7 KM6A太阳模拟器411

9.7.8 辐照面积直径5m发散式太阳模拟器方案设计412

9.7.9 KM3E设备辐照面积直径2m离轴式太阳模拟器412

9.8 国外太阳模拟器414

9.8.1 美国典型太阳模拟器414

9.8.2 欧洲空间局ESTEC大型太阳模拟器416

9.8.3 俄罗斯大型太阳模拟器419

9.8.4 德国大型太阳模拟器420

9.8.5 日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）筑波中心两台大型太阳模拟器422

9.8.6 印度空间研究院（ISRO）的大型太阳模拟器422

9.9 光源性能和太阳模拟器性能测量423

9.9.1 光源性能测量423

9.9.2 太阳模拟器性能的测量426

9.9.3 模拟太阳辐照标准429

9.10 太阳紫外辐照模拟技术431

9.10.1 太阳紫外光谱分类431

9.10.2 紫外辐照效应432

第10章 吸收热流模拟方法及设计技术434

10.1 概述434

10.2 航天器热控制系统的需求和吸收热流模拟设备的作用436

10.2.1 航天器热控制系统对温度的需求分析436

10.2.2 吸收热流模拟设备在航天器热控制系统任务中的作用437

10.3 吸收热流模拟设备与真空热试验技术438

10.3.1 一般概念438

10.3.2 用吸收热流模拟设备做航天器真空热试验的重要性439

10.3.3 航天器真空热试验类别439

10.3.4 航天器真空热试验工况的确定440

10.4 空间外热流及其模拟试验441

10.4.1 空间外热流441

10.4.2 空间外热流模拟试验443

10.4.3 吸收热流模拟装置的要求444

10.5 吸收热流模拟装置的类型与性能要求446

10.5.1 吸收热流模拟装置的类型446

10.5.2 吸收热流模拟装置的性能要求451

10.6 红外加热器的设计452

10.7 红外加热笼与试件的辐射换热计算456

10.8 红外加热笼设计中的关键技术461

10.9 红外灯模拟器的设计467

10.10 红外加热器与太阳模拟器的比较471

10.11 外热流模拟装置的选用原则472

10.11.1 选用外热流模拟装置的主要原则472

10.11.2 使用红外热流模拟器对空间模拟器的技术要求472

10.12 外热流测量与误差要求473

10.13 中国航天器真空热试验红外模拟器的设计和应用478

10.13.1 中国返回式卫星热平衡试验红外加热笼的设计478

10.13.2 中国东方红三号通信卫星通信舱南板红外灯阵的设计480

10.13.3 中国神舟号飞船真空热试验481

10.13.4 中国探月卫星真空热试验487

第11章 运动模拟器与试验平台设计技术491

11.1 概述491

11.2 国内外运动模拟器结构形式491

11.2.1 常平架式结构492

11.2.2 弓形结构493

11.2.3 半弓形式结构498

11.2.4 两端支承的双十字形结构501

11.3 KM6运动模拟器的设计503

11.3.1 方案选择503

11.3.2 技术指标503

11.4 运动模拟器设计的具体要求506

11.5 试验平台设计507

11.5.1 KM6防振平台设计507

11.5.2 具有自动水平调节机构的试验平台509

第12章 载人试验空间模拟器设计技术513

12.1 航天员舱外活动与舱外航天服试验舱设计513

12.1.1 概述513

12.1.2 舱外航天服试验舱用途515

12.1.3 舱外航天服试验舱系统组成及性能516

12.1.4 载人航天空间环境模拟试验技术518

12.2 人舱联合试验实验舱设计技术525

12.2.1 KM6水平舱舱门及舱体阀门设计技术525

12.2.2 舱体阀门的设计534

12.2.3 舱门系统和舱体阀门的研制结论536

12.2.4 环境控制系统设计537

12.2.5 综合复压系统设计538

12.2.6 KM6水平舱真空系统设计技术544

12.2.7 KM6水平舱消防系统设计551

12.3 载人航天热试验技术555

12.3.1 中国载人航天器热平衡与热真空试验技术555

12.3.2 美国载人航天器的热真空试验技术558

12.3.3 载人航天活动热真空试验的特殊要求559

第13章 管理与测控系统设计技术563

13.1 概述563

13.2 总体设计及任务分解564

13.3 试验管理子系统设计567

13.3.1 用户管理分系统568

13.3.2 试验任务分系统568

13.3.3 数据管理分系统569

13.4 设备运行子系统设计570

13.4.1 设备运行子系统设计要求571

13.4.2 设备测控分系统571

13.4.3 设备管理分系统581

13.5 测控系统接口需求582

第14章 太阳系环境空间模拟器探讨584

14.1 概述584

14.2 行星际环境584

14.2.1 热环境584

14.2.2 大气环境587

14.2.3 银河宇宙射线587

14.2.4 太阳宇宙射线587

14.2.5 太阳电磁辐照588

14.2.6 太阳风588

14.2.7 微流星体589

14.2.8 行星际磁场590

14.3 月球环境591

14.4 内行星环境596

14.4.1 金星环境596

14.4.2 水星环境598

14.4.3 火星环境599

14.5 外行星环境601

14.5.1 木星环境601

14.5.2 土星环境603

14.5.3 天王星环境603

14.5.4 海王星环境604

14.6 太阳系环境空间模拟器的设计探讨605

14.6.1 目标与任务605

14.6.2 总体技术指标与试验项目606

14.6.3 技术方案设想607

14.6.4 建立环形太阳系空间模拟器的必要性609

14.6.5 设计原则610

14.7 空间模拟器的分系统组成与技术指标610

14.7.1 真空容器610

14.7.2 模拟空间冷黑环境100K的热沉611

14.7.3 真空系统612

14.7.4 液氮系统设计612

14.7.5 热沉复温系统设计613

14.7.6 人机环境科学研究试验系统设计613

14.7.7 发散式太阳模拟器616

14.7.8 姿控发动机羽流效应试验单元617

14.7.9 模拟空间4.2K热沉设计618

14.7.10 模拟空间4.2K热沉的液氦系统设计619

14.7.11 月球环境科学研究试验单元620

14.7.12 模拟外星球（水星，金星）高温的红外板式模拟器624

14.7.13 太阳电池阵、天线展开微重力试验单元626

14.7.14 模拟地球反照与辐照的红外灯阵模拟器627

14.7.15 真空及温度环境效应真空热试验629

14.7.16 离轴式太阳模拟器630

14.7.17 模拟航天器相对太阳运动的姿态模拟器630

14.7.18 空间地磁亚暴环境效应试验单元632

14.7.19 电离层等离子体环境效应试验单元633

14.7.20 空间综合辐照环境效应试验单元635

14.7.21 高能质子单粒子效应辐照环境试验单元638

14.7.22 微流星体与空间碎片超高速撞击试验单元638

14.7.23 低地球轨道原子氧、紫外环境协合效应试验单元639

14.7.24 红外多光谱遥感器定标试验单元640

14.7.25 空间等离子体“黑障”效应试验单元641

14.7.26 测控中心642

14.7.27 仿真中心644

第15章 国内外空间模拟器646

15.1 国内外空间模拟器概述646

15.2 中国的空间模拟器648

15.2.1 KM1空间模拟器648

15.2.2 KM2空间模拟器649

15.2.3 KM2A空间模拟器650

15.2.4 KM3空间模拟器651

15.2.5 KM3A空间模拟器652

15.2.6 舱外航天服试验舱专用空间模拟器652

15.2.7 PES专用空间模拟器653

15.2.8 KM4空间模拟器654

15.2.9 KM5空间模拟器657

15.2.10 KM5A空间模拟器657

15.2.11 KM6空间模拟器658

15.2.12 KM6B空间模拟器666

15.2.13 KM7空间模拟器668

15.2.14 KM7A空间模拟器669

15.2.15 KM8空间模拟器671

15.3 国外空间模拟器676

15.3.1 美国空间模拟器677

15.3.2 欧空局欧洲空间研究与技术中心空间模拟器691

15.3.3 法国空间模拟器693

15.3.4 德国空间模拟器695

15.3.5 英国卢瑟福-阿普尔顿实验室的空间模拟器698

15.3.6 比利时列日大学宇宙物理研究所（IAL）空间模拟器698

15.3.7 苏联／俄罗斯大型空间模拟器699

15.3.8 日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）空间模拟器702

15.3.9 印度空间研究院（ISRO）的空间模拟器706

15.4 光学遥感器定标与功能评价的专用空间模拟器713

15.5 火箭发动机启动和羽焰热真空试验的空间模拟器715

附录A 实验室规划719

A.1 概述719

A.2 空间模拟器实验室总体规划719

A.2.1 真空容器安置区720

A.2.2 热真空试验区721

A.2.3 粗抽设备间722

A.2.4 程控电源间723

A.2.5 总控中心724

A.2.6 液氮配置间724

A.2.7 水路配置间725

A.2.8 气路配置间726

A.2.9 电路配置间726

A.2.10 液氮罐安置区726

A.2.11 其他727

参考文献728