序
　　空間環(huán)境是影響航天器在軌可靠性及壽命的最基本、最主要的因素之一.絕大多數(shù)航天器不具備入軌后可維修功能,雖然在國際空間站、哈勃望遠鏡等航天器上成功實施過航天員在軌維修試驗,但這種在軌維修運行成本高、實施風(fēng)險大、操作條件苛刻,很難廣泛應(yīng)用于所有航天器在軌故障修復(fù).目前,航天器在軌故障最有效的解決方法還是在航天器設(shè)計、研制、生產(chǎn)以及地面測試階段,充分采用各種技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)、預(yù)防、避免航天器在軌故障,這就要求我們對空間環(huán)境影響航天器可靠性及壽命的問題有深刻的認識和深入的研究.在這個研究領(lǐng)域中, “空間環(huán)境與材料相互作用科學(xué)與技術(shù)”是其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一.
　　中國的航天事業(yè)經(jīng)過５０多年的發(fā)展,鑄就了“兩彈一星”、載人航天、月球探測三大里程碑,取得了舉世矚目的成就.在航天事業(yè)發(fā)展歷程中,廣大航天科技工作者一直特別注重對空間環(huán)境影響航天器可靠性及壽命問題的研究,通過空間環(huán)境地面模擬試驗、計算機數(shù)值仿真以及空間搭載等方法,結(jié)合對大量航天器在軌運行狀態(tài)和在軌故障問題的深入分析研究,在“空間環(huán)境與材料相互作用科學(xué)與技術(shù)”環(huán)節(jié)取得了顯著的成就,獲得了寶貴的經(jīng)驗數(shù)據(jù)和研究成果,為推動我國航天科學(xué)技術(shù)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ).
　　在科技部、總裝備部、國防科工局及外國專家局等上級機關(guān)的大力支持下,哈爾濱工業(yè)大學(xué)與中國航天科技集團公司密切合作,把近２０年來已在空間環(huán)境與材料相互作用方面取得的豐碩研究成果,編纂成１０卷本«空間材料手冊»,由中國宇航出版社出版.這套手冊是目前空間材料領(lǐng)域最權(quán)威、最全面、最有價值的工具書,可為航天器設(shè)計、壽命預(yù)測、故障診斷與防護以及航天新材料研制等提供必要的理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐,對促進和發(fā)展我國航天事業(yè)有著重要的意義.
　　當(dāng)前,中國航天事業(yè)的發(fā)展正面臨難得的歷史機遇和新的挑戰(zhàn),希望«空間材料手冊»能夠為航天工程管理者和航天科技工作者提供有效的幫助和支撐,也希望在各個領(lǐng)域自強不息、默默奉獻的航天人,能夠秉承航天精神,攜手共進,再接再厲,為推動我國從航天大國向航天強國轉(zhuǎn)變做出新的更大的貢獻.
　　２０１２年５月
　　前　言
　　當(dāng)今,人類已清醒地認識到,作為人類生存基本環(huán)境的地球,總有一天其資源、能源會耗盡.探索、開發(fā)和利用太空是人類尋求繼續(xù)生存和發(fā)展的最宏偉、最偉大的科學(xué)活動之一.半個多世紀(jì)以來,人類不斷探索和研究航天科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,其成果已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、國防建設(shè)、國民經(jīng)濟和社會生活的各個方面,對人類的文明與進步產(chǎn)生了重大而深遠的影響.
　　航天器是人類實現(xiàn)航天活動的主要裝備.隨著航天活動的不斷深入與擴展,航天器的種類越來越多,包括各種應(yīng)用衛(wèi)星、載人飛船、空間站、航天飛機以及空間探測器等.人類航天活動成功與否與航天器的在軌壽命和可靠性密切相關(guān).因此,提高航天器的在軌壽命和可靠性是航天技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵,也是航天科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的集中體現(xiàn).
　　航天活動的實踐表明,世界各國已發(fā)射航天器出現(xiàn)的各種故障中大約５０％是由空間環(huán)境引起的.空間環(huán)境是影響航天器在軌壽命的最主要、最基本的因素之一.世界各國均將空間環(huán)境與航天器相互作用作為航天活動長期、重要的研究領(lǐng)域.空間環(huán)境泛指太陽系環(huán)境,以及更為浩瀚的宇宙空間環(huán)境.目前,又因著眼于空間環(huán)境狀態(tài)的變化及其所產(chǎn)生的巨大影響,而稱其為空間天氣.
　　在相當(dāng)長的時期內(nèi),太陽系仍將是人類探索、開發(fā)和利用空間資源的主要空間范圍.太陽系環(huán)境是由太陽本身環(huán)境與各行星環(huán)境耦合構(gòu)成的,包括自然環(huán)境和人工環(huán)境兩類.自然環(huán)境包括:冷等離子體、熱等離子體、地球輻射帶電子和質(zhì)子、太陽宇宙射線、太陽風(fēng)、太陽電磁輻射、銀河宇宙射線、微流星體、月塵、火星沙塵暴、地球高層大氣(原子氧)、火星大氣、真空、溫度場、磁場、重力場及電場等.人工環(huán)境包括:航天器出氣、羽流及空間碎片等.從物理學(xué)角度可進一步將太陽系環(huán)境概括為是由空間粒子(電子、質(zhì)子、重離子、中子、光子、原子、分子、月塵、火星沙塵、微流星體及空間碎片等)與空間物理場(溫度場、磁場、引力場、電場及真空等)組成的.
　　空間環(huán)境與航天器相互作用會產(chǎn)生兩大類效應(yīng).一類效應(yīng)是空間環(huán)境使航天器的材料及器件在軌服役性能不斷退化,當(dāng)航天器的材料及器件性能退化到低于設(shè)計指標(biāo)時,航天器就會出現(xiàn)功能失效并終止服役.另一類效應(yīng)是空間環(huán)境使航天器出現(xiàn)各種突發(fā)性故障或事故,也能使航天器終止服役,即航天器可靠性問題也成為影響航天器在軌壽命的重要因素.航天器壽命是由航天器所用材料和器件的性能退化與可靠性決定的,材料和器件是制造航天器的基礎(chǔ).航天活動的實踐表明,大部分航天器失效都是由關(guān)鍵材料和器件失效造成的.
　　建立航天器材料和器件在軌性能退化和可靠性的理論、方法及技術(shù)規(guī)范,已成為航天科學(xué)技術(shù)的重要組成部分.通過開展空間環(huán)境與航天器相互作用的研究,可以揭示在空間環(huán)境作用下材料及器件的動態(tài)行為與物理本質(zhì),包括所產(chǎn)生的各種效應(yīng)及機理、性能退化與可靠性問題出現(xiàn)的規(guī)律、預(yù)測理論和方法,以及試驗方法與規(guī)范等.空間環(huán)境與航天器的相互作用理論與技術(shù)可為航天器的設(shè)計選材、故障診斷與防護、性能退化預(yù)測以及新材料研究提供理論與技術(shù)支撐.
　　通常,航天器一旦發(fā)射就具有不可修復(fù)性,絕大多數(shù)不能返回地球.空間環(huán)境與航天器的作用發(fā)生在太空,直接在太空研究相當(dāng)困難且耗資巨大.為了解決這一問題,人類在半個多世紀(jì)中,建立了開展空間環(huán)境與航天器相互作用研究的３種基本途徑.第１種途徑是在探索空間環(huán)境過程中獲得大量信息的基礎(chǔ)上,建立表征空間環(huán)境與效應(yīng)的模式和仿真軟件,用以計算軌道環(huán)境參數(shù)和所產(chǎn)生的效應(yīng).這是研究空間環(huán)境與航天器相互作用的前提條件,也是航天器優(yōu)化設(shè)計和選材的必要依據(jù).第２種途徑是空間環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗,用于在地面上系統(tǒng)研究空間環(huán)境與航天器相互作用所涉及的各種學(xué)科問題,揭示在空間環(huán)境作用下航天器關(guān)鍵材料和器件的動態(tài)行為與物理本質(zhì),這也是驗證航天器完成設(shè)計后其材料、器件及分系統(tǒng)等能否滿足設(shè)計指標(biāo)要求的最基本途徑.然而,空間環(huán)境極其復(fù)雜,呈動態(tài)變化特征,難以在地面上全面再現(xiàn),這使得上述兩種研究途徑形成的結(jié)果與空間實際情況有所差異.空間飛行或搭載試驗可提供反映空間實際的最真實、最可靠信息,已成為開展空間環(huán)境與航天器相互作用研究的第３種途徑.
　　由于空間環(huán)境與航天器相互作用的復(fù)雜性、特殊性,目前尚不能單獨用一種途徑的研究成果作為評價依據(jù).只有將這３種途徑正確結(jié)合,獲得空間環(huán)境與航天器材料及器件相互作用的理論、試驗方法和規(guī)范以及性能退化規(guī)律和數(shù)據(jù)庫等科研成果,才能成為航天器設(shè)計選材的依據(jù);否則,測試得到的數(shù)據(jù)無法有效地應(yīng)用于航天器設(shè)計.如果單憑經(jīng)驗進行航天器設(shè)計而忽視這些成果,所設(shè)計的航天器不可避免地會存在各種薄弱環(huán)節(jié),導(dǎo)致出現(xiàn)各種故障或事故.上述３種途徑的建立,需要解決一系列理論與方法問題,如地面等效模擬原理與方法、加速試驗原理與方法等.俄羅斯和美國等航天大國已在空間環(huán)境與航天器相互作用領(lǐng)域進行了大量系統(tǒng)的研究,形成了空間環(huán)境與材料相互作用科學(xué)與技術(shù),為設(shè)計高水平、長壽命航天器提供了系統(tǒng)的理論依據(jù)及豐富的數(shù)據(jù)支撐.
　　我國的航天事業(yè)已取得舉世矚目的成就,正在向航天強國的目標(biāo)快速邁進.這種發(fā)展機遇與挑戰(zhàn),對深入開展空間環(huán)境與航天器相互作用的基礎(chǔ)研究提出了越來越高的要求.１９９６年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)建立了我國首個從事空間環(huán)境與材料及器件相互作用基礎(chǔ)研究空間材料手冊(第２卷)空間環(huán)境與效應(yīng)計算及地面模擬試驗?的實驗室.十幾年來,在國家國防科工局、總裝備部、科技部和外國專家局的大力支持,以及國內(nèi)相關(guān)單位的密切合作下,實驗室在空間環(huán)境與材料及器件相互作用的基礎(chǔ)理論及性能退化規(guī)律等方面進行了較為系統(tǒng)的研究.
　　«空間材料手冊»的出版,可為我國航天器優(yōu)化設(shè)計、性能退化預(yù)測、故障診斷與防護以及新材料研究提供豐富的信息和資料,希望能夠?qū)μ岣吆教炱鞯脑谲墘勖�和可靠性提供必要的理論、方法及�?shù)據(jù)支撐.
　　在研究和確定«空間材料手冊»內(nèi)容的過程中,得到了以孫家棟院士、都亨研究員、黃本誠研究員等眾多專家的大力支持、指導(dǎo)與幫助,他們?yōu)楸緯�的成稿做出了重要貢獻,在此表示衷心的感謝.
　　由于研究內(nèi)容繁多,涉及問題復(fù)雜,書中錯誤及不足之處在所難免,敬請讀者批評指正.
　　作　者
　�。玻埃玻澳辏丛�