空间人工环境主要是伴随着人类对太空的开发、利用以及空间对抗产生的,是一个全新的技术领域,主要包括空间碎片环境、空间人工等离子体环境、空间人工强电磁环境、空间强激光环境和空间高能粒子环境等。本书全面介绍了空间人工环境发展现状、空间人工环境对航天器的影响及其作用机理、空间人工环境模拟技术、空间人工环境效应实验技术和空间环境防护技术等。
本书适合于空间科学、空间技术和空间安全等领域的教学、科研和管理人员阅读,也可作为高等院校相关专业学生的参考书。
空间,这里特指人类从事航天活动的太空领域。在人类没有进入太空以前,太空是一个纯净的自然环境。这个环境是一个高真空环境,也是一个稀薄等离子体环境;这个环境是一个高辐射环境,存在辐射能量从几 eV 量级至百 GeV 量级的各类辐射粒子;这个空间是一个弱磁场环境,磁场强度变化由近地轨道的 30000nT 至同步轨道的 100nT; 这个空间是一个高度洁净的空间,除了偶尔有几颗流星划过地球留下几道美丽的“彩虹”;这个空间除了阳光就是星光,除了背景微波辐射,尚存在巨大的电磁频谱间隙。
然而,人类的航天活动几乎改变了这一切。空间密布着各类废弃的航天器及其产生的碎片,已经成为名副其实的垃圾场;空间电磁频谱的宽度很快被占满,以至于开始启用在地面上尚不成熟的太赫兹频段;空间的真空环境也被各类航天器的推进剂所“污染”。更让人感到深深忧虑的是太空将极有可能沦为人类未来的新战场,更多具有特定功能的“人造碎片”将涌入太空,动能反卫已在多个国家陆续开展实验,形似垃圾的大规模微纳卫星星座未来必将成为密布太空的新乌云。人类初期的核活动已经大大污染了太空的电磁环境,但高功率微波武器的发展及其潜在的太空应用将使太空增加新的“死亡”电磁辐射;强激光武器的发展及其太空应用将使阳光不再温暖;粒子束武器的发展使传统航天器粒子辐射效应增添了更多的“死亡”气息。更有人疯狂地想要人工改变空间等离子体环境,如若实现,则人类的空间应用模式必将发生巨大的改变。
空间环境是空间科学研究的重要领域,从学科分类来看应该称之为空间环境学。人工空间环境是空间环境的一个重要组成部分,随着人类对空间环境的影响越来越大,人工空间环境将成为未来人类利用太空进行航天活动必须研究和认真对待的要素,其也必将发展成为一门独立的学科。限于著者才疏学浅,尚不能对这一新兴学科进行完整的归纳与论述,只能就其中著者认为比较重要的几个人工环境影响要素进行简要的概述,希望能够抛砖引玉,引起广大科研工作者的兴趣,大家共同努力,促进这门新兴学科的研究与发展。
本书共分为 6 章进行概述。第 1 章为绪论,简要介绍了空间自然环境及空间人工环境的定义及研究范畴;第 2 章介绍了空间碎片环境,包括空间碎片的成因、趋势及未来对人类航天活动的影响;第 3 章介绍了空间强电磁环境,包括人类核活动及高功率微波武器对空间环境的影响;第 4 章介绍了空间强激光环境,包括激光武器的发展及太空应用趋势,对航天器潜在的损伤效应等;第 5 章介绍了空间高能粒子环境,详细描述了自然空间粒子效应,在此基础上论述了粒子束武器空间应用对航天器带来的新威胁;第 6 章介绍了空间人工等离子体环境,重点描述了几种人工影响空间等离子体环境的方法及可能产生的效应,并探索了航天器的初步防护策略。
本书由李立编写第 2 章内容,其余章节由方进勇编写并对全书进行了统稿。在成书的过程中,秦子浩参与了第 1 章及第 2 章部分内容的编写,张浩亮及李奇威参与了第 3 章部分内容的编写,朱鹏参与了第 4 章部分内容的编写,古松和孙静参与了第 5 章部分内容的编写,彭凯参与了第 6 章部分内容的编写。特别感谢西安交通大学张冠军教授及中国空间技术研究院崔万照研究员对本书的审阅并提出的宝贵建议。本书的编写还得到了空间微波技术国家重点实验室基金的资助,在此一并表示感谢。
在编著本书的过程中,参考了大量国内外有关著作和论文,并引用了部分图表及论述,在此对相关作者表示衷心的感谢,如有引用不当或不能正确表达原著者的表述,敬请作者及时与我们取得联系,我们将虚心接受并在未来的版本中予以改正,同时也向您表示深深的歉意。虽然我们竭尽全力,但囿于理解水平及能力,书中难免有诸多不妥甚至疏漏之处,敬请广大读者不吝批评指正。
编著者
编辑委员会主任:苗圩
编辑委员会副主任:刘利华辛国斌
编辑委员会委员:
冯长辉梁志峰高东升姜子琨许科敏
陈因郑立新马向晖高云虎金鑫
李巍高延敏何琼刁石京谢少锋
闻库韩夏赵志国谢远生赵永红
韩占武刘多尹丽波赵波卢山
徐惠彬赵长禄周玉姚郁张炜
聂宏付梦印季仲华
专家委员会委员(按姓氏笔画排列):
于全中国工程院院士
王越中国科学院院士、中国工程院院士
王小谟中国工程院院士
王少萍“长江学者奖励计划”特聘教授
王建民清华大学软件学院院长
王哲荣中国工程院院士
尤肖虎“长江学者奖励计划”特聘教授
邓玉林国际宇航科学院院士
邓宗全中国工程院院士
甘晓华中国工程院院士
叶培建人民科学家、中国科学院院士
朱英富中国工程院院士
朵英贤中国工程院院士
邬贺铨中国工程院院士
刘大响中国工程院院士
刘辛军“长江学者奖励计划”特聘教授
刘怡昕中国工程院院士
刘韵洁中国工程院院士
孙逢春中国工程院院士
苏东林中国工程院院士
苏彦庆“长江学者奖励计划”特聘教授
苏哲子中国工程院院士
李寿平国际宇航科学院院士
李伯虎中国工程院院士
李应红中国科学院院士
李春明中国兵器工业集团首席专家
李莹辉国际宇航科学院院士
李得天国际宇航科学院院士
李新亚国家制造强国建设战略咨询委员会委员、
中国机械工业联合会副会长
杨绍卿中国工程院院士
杨德森中国工程院院士
吴伟仁中国工程院院士
宋爱国国家杰出青年科学基金获得者
张彦电气电子工程师学会会士、英国工程技术
学会会士
张宏科北京交通大学下一代互联网互联设备国家
工程实验室主任
陆军中国工程院院士
陆建勋中国工程院院士
陆燕荪国家制造强国建设战略咨询委员会委员、
原机械工业部副部长
陈谋国家杰出青年科学基金获得者
陈一坚中国工程院院士
陈懋章中国工程院院士
金东寒中国工程院院士
周立伟中国工程院院士
郑纬民中国工程院院士
郑建华中国科学院院士
屈贤明国家制造强国建设战略咨询委员会委员、工业
和信息化部智能制造专家咨询委员会副主任
项昌乐中国工程院院士
赵沁平中国工程院院士
郝跃中国科学院院士
柳百成中国工程院院士
段海滨“长江学者奖励计划”特聘教授
侯增广国家杰出青年科学基金获得者
闻雪友中国工程院院士
姜会林中国工程院院士
徐德民中国工程院院士
唐长红中国工程院院士
黄维中国科学院院士
黄卫东“长江学者奖励计划”特聘教授
黄先祥中国工程院院士
康锐“长江学者奖励计划”特聘教授
董景辰工业和信息化部智能制造专家咨询委员会委员
焦宗夏“长江学者奖励计划”特聘教授
谭春林航天系统开发总师