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、實施風險大、操作條件苛刻,很難廣泛應用于所有航天器在軌故障修復.目前,航天器在軌故障最有效的解決方法還是在航天器設計、研制、生產(chǎn)以及地面測試階段,充分采用各種技術手段發(fā)現(xiàn)、預防、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.在這個研究領域中, “空間環(huán)境與材料相互作用科學與技術”是其中最關鍵的環(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與技術”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技術發(fā)展奠定了良好基礎.
　　在科技部、總裝備部、國防科工局及外國專家局等上級機關的大力支持下,哈爾濱工業(yè)大學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域最權威、最全面、最有價值的工具書,可為航天器設計、壽命預測、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和技術支撐,對促進和發(fā)展我國航天事業(yè)有著重要的意義.
　　當前,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變做出新的更大的貢獻.
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　　前　言
　　當今,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、最偉大的科學活動之一.半個多世紀以來,人類不斷探索和研究航天科學技術領域,其成果已廣泛應用于科學研究、國防建設、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.因此,提高航天器的在軌壽命和可靠性是航天技術發(fā)展的關鍵,也是航天科學技術發(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子、太陽宇宙射線、太陽風、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.一類效應是空間環(huán)境使航天器的材料及器件在軌服役性能不斷退化,當航天器的材料及器件性能退化到低于設計指標時,航天器就會出現(xiàn)功能失效并終止服役.另一類效應是空間環(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.航天活動的實踐表明,大部分航天器失效都是由關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、方法及技術規(guī)范,已成為航天科學技術的重要組成部分.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,包括所產(chǎn)生的各種效應及機理、性能退化與可靠性問題出現(xiàn)的規(guī)律、預測理論和方法,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可為航天器的設計選材、故障診斷與防護、性能退化預測以及新材料研究提供理論與技術支撐.
　　通常,航天器一旦發(fā)射就具有不可修復性,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困難且耗資巨大.為了解決這一問題,人類在半個多世紀中,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上,建立表征空間環(huán)境與效應的模式和仿真軟件,用以計算軌道環(huán)境參數(shù)和所產(chǎn)生的效應.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)化設計和選材的必要依據(jù).第２種途徑是空間環(huán)境效應地面模擬試驗,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科問題,揭示在空間環(huán)境作用下航天器關鍵材料和器件的動態(tài)行為與物理本質,這也是驗證航天器完成設計后其材料、器件及分系統(tǒng)等能否滿足設計指標要求的最基本途徑.然而,空間環(huán)境極其復雜,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,才能成為航天器設計選材的依據(jù);否則,測試得到的數(shù)據(jù)無法有效地應用于航天器設計.如果單憑經(jīng)驗進行航天器設計而忽視這些成果,所設計的航天器不可避免地會存在各種薄弱環(huán)節(jié),導致出現(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與技術,為設計高水平、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研究提出了越來越高的要求.１９９６年,哈爾濱工業(yè)大學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研究空間材料手冊(第２卷)空間環(huán)境與效應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)化設計、性能退化預測、故障診斷與防護以及新材料研究提供豐富的信息和資料,希望能夠對提高航天器的在軌壽命和可靠性提供必要的理論、方法及數(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,涉及問題復雜,書中錯誤及不足之處在所難免,敬請讀者批評指正.
　　作　者
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