第十一章空间真空环境及其效应1.
航天器空间环境规范
航天器空间环境规范1. 引言航天器是人类探索宇宙的重要工具，然而在极端的空间环境下，航天器将面临各种挑战和风险。
为了确保航天器能够安全地工作并完成任务，在航天领域建立了一系列的空间环境规范。
本文将深入探讨航天器空间环境规范，介绍其重要性和内容。
2. 太阳辐射保护太阳辐射是航天器在太空中面临的主要挑战之一。
强烈的紫外线、带电粒子和高温度都可能对航天器的外表面和内部元件造成损坏。
因此，航天器的设计和材料选择要考虑到太阳辐射的影响，并采取相应的防护措施，如使用遮阳板、特殊材料和涂层来减少辐射的影响。
3. 真空环境要求太空是一个极端的真空环境，对航天器的密封性和材料使用提出了高要求。
航天器在真空环境下应保持良好的密封性，以防止气体泄漏和压力变化对设备和系统的影响。
此外，航天器使用的材料应具有足够的抗辐射和耐温性能，以确保其长期在太空中运行稳定。
4. 温度控制航天器在进入和离开地球轨道时会面临极端的温度变化，从极低的温度到极高的温度。
因此，航天器需要有效的温度控制系统，以确保设备和系统在不同温度环境下正常工作。
同时，航天器还需要考虑到太阳辐射的热效应，采取相应的散热措施来保持合适的工作温度。
5. 粒子辐射防护航天器在太空中会遇到带电粒子辐射，如太阳风、宇宙射线等。
这些粒子辐射会对航天器的电子设备和人员健康产生负面影响。
因此，航天器需要进行粒子辐射防护设计，包括屏蔽和减轻措施，以减少辐射对航天器和航天员的影响。
6. 微重力环境要求航天器在地球轨道上会面临微重力环境，与地球上的重力环境有很大的不同。
在微重力环境下，航天器内的液体、气体和固体材料的行为将发生改变，对航天器的设计和系统运行提出了新的挑战。
为了适应微重力环境，航天器需要相应的设备和控制系统，以确保其正常工作和操作。
7. 尘埃与微陨石防护太空中存在大量的尘埃和微陨石，它们可能对航天器的表面和窗户造成损坏。
因此，航天器需要采取相应的防护措施，如使用特殊涂层、覆盖物和窗户设计，以减少尘埃和微陨石对航天器的影响。
空间真空环境及其效应
航天器运行
航天器在空间真空环境中 运行，需要面对各种挑战 和效应。
空间探测器
空间探测器需要适应空间 真空环境，并进行各种科 学实验和探测。
02
空间真空环境中的物理效应
热力学效应
热传导
在空间真空环境中，由于缺乏气 体分子，热传导的机制受到限制
，导致物体散热困难。
热辐射
物体在空间真空环境中会通过热辐 射方式散热，因为空间中几乎没有 气体分子吸收和再辐射热量。
空间真空环境及其效应
目录
• 空间真空环境概述 • 空间真空环境中的物理效应 • 空间真空环境对航天器的影响 • 空间真空环境中的生命维持问题 • 空间真空环境的利用与挑战
01
空间真空环境概述
定义与特性
定义
空间真空环境是指宇宙空间中接近真 空的状态，其中气体非常稀薄，接近 于零。
特性
空间真空环境具有极低的压力、极低 的温度、高真空度、高洁净度等特点 。
参与反应。
辐射效应
电磁辐射
空间真空环境中存在大量的电磁辐射，如太阳光、宇宙射线等，这 些辐射对航天器和人类有潜在影响。
辐射剂量
在空间真空环境中，由于缺乏大气层的保护，航天器和宇航员会直 接暴露在高强度的电磁辐射下，需要采取措施减少辐射剂量。
辐射生物学效应
高强度的电磁辐射对生物体具有潜在的生物学效应，如影响DNA结构 、细胞代谢等，需要采取措施保护宇航员的健康。
真空环境下，电子设备中的电触点容易出现氧化和电弧放电现象，导致接触不良或 短路。
空间辐射对电子设备中的微电子芯片有潜在的威胁，可能导致芯片故障或数据丢失 。
对航天器推进系统的影响
空间真空环境下，推进剂在储罐 和管路中容易蒸发和泄漏，影响
第十一章空间真空环境及其效应课件
2023/9/16
第十一章空间真空环境及其效应1
2.1 空间真空环境
• 是指在给定空间内低于一个大气压力的气体状态， 也 就是该空间内气体分子密度低于该地区一个大气 压的 分子密度。
• 气压和分子密度同步变化，标准状态（0 C，101325Pa）下， 气体的分子密度为2.6870 1025/3m； 真空度为1.33 10 -P4 a 时， 气体分子密度为3.24 10 /m1。6 3
第十一章空间真空环境及其效应1
2.4 真空度测量技术
• 电离真空计、热偶真空计、压阻真空计、 B-A真空规、石 英 真空计、全量程真空规
• 真空计的选择： （1） 105 ～2 10 Pa 压阻真空计、静态变形式真空计 （2） 10 ～10 P2 a-1 热偶真空计
•
（3） 10-1～-4 10 Pa 电离真空计 （4） 10-4～-8 10 Pa B-A真空规 • （5） 105 ～-7 10 Pa 全量程真空规
合性能好。
小型罐：0~2m直径
第十一章空间真空环境及其效应1
KM6空间模拟器
Байду номын сангаас
真空容器由三个容器组成：
主容器（立式）：直径12m，
高22.4m
辅容器（卧式）：直径7.5m，
长15m
载人试验舱： 直径5m，
长15m
总容积：
3200m3
总质量：
420t
第十一章空间真空环境及其效应1
3. 尺寸： DM：模拟器有效直径， DV：航天器特征尺 寸
•
第十一章空间真空环境及其效应1
• 热偶真空计
气体分子热传导与压力有关。在一玻璃管壳中支撑一根热丝， 热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度， 于是在热丝和管壳之间产生热传导。当达到热平衡时，热丝 的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压力。
高考物理一轮复习课件：第十一章 第1讲 分子动理论 内能
(2011·上海高考)在“用单分子油膜估测分子大小” 实验中， (1)某同学操作步骤如下： ①取一定量的无水酒精和油酸，制成一定浓度的油酸酒精 溶液； ②在量筒中滴入一滴该溶液，测出它的体积； ③在蒸发皿内盛一定量的水，再滴入一滴油酸酒精溶液， 待其散开稳定； ④在蒸发皿上覆盖透明玻璃，描出油膜形状，用透明方格 纸测量油膜的面积． 改正其中的错误：___________ (2)若油酸酒精溶液体积浓度为0.10%，一滴溶液的体积为 4.8×10－3 mL，其形成的油膜面积为40 cm2，则估测出油酸 分子的直径为________m.
4．分子的势能 (1)意义：由于分子间存在着引力和斥力，所以分子具有由 它们的相对位置 决定的能． (2)分子势能的决定因素． 微观上——决定于 分子间距离 和分子排列情况； 宏观上——决定于 体积 和状态． 5．物体的内能 (1)等于物体中所有分子的热运动 动能 与分子势能 的总和 ，是状态量． (2)对于给定的物体，其内能大小由物体的 温度和 体积 决 定． (3)物体的内能与物体的位置高低、运动速度大小 无关 ．
A
(2)一个汞原子的体积为 － 200.5×10 3 Vmol M －29 3 V0＝ ＝ ＝ m3 . 3 23 m ＝2×10 NA ρNA 13.6×10 ×6.0×10 (3)1 cm3 的汞中含汞原子个数 －6 3 23 ρVNA 13.6×10 ×1×10 ×6.0×10 n＝ ＝ ＝4×1022 －3 M 200.5×10 M － 【答案】 (1)N (2)2×10 29 m3 (3)4×1022 A
力和分子间距离共同决定的，宏观上取决于气体的体积．
因此选项A正确． 【答案】 A
(2012·大纲全国高考)下列关于布朗运动的说法，正 确的是( ) A．布朗运动是液体分子的无规则运动 B．液体温度越高，悬浮粒子越小，布朗运动越剧烈 C．布朗运动是由于液体各部分的温度不同而引起的 D．布朗运动是由液体分子从各个方向对悬浮粒子撞击作 用的不平衡引起的 【解析】 布朗运动的研究对象是固体小颗粒，而不是液 体分子，故A选项错误；布朗运动的影响因素是温度和颗粒 大小，温度越高、颗粒越小，布朗运动越明显，故B选项正 确；布朗运动是由于固体小颗粒受液体分子的碰撞作用不平 衡而引起的，而不是由液体各部分的温度不同而引起的，故 C选项错误，D选项正确． 【答案】 BD
真空中的量子涨落效应
真空中的量子涨落效应在物理学中，真空被认为是一种完全空无一物的状态，不含有任何物质。
然而，量子涨落效应的发现揭示了这种常识的一层面纱。
量子涨落是指在真空中，由于量子力学的不确定性原理，存在着短暂的能量和粒子的波动，即使在绝对零度下也不能被消除。
经典物理学中，绝对零度被定义为物质的最低温度，接近于-273.15摄氏度。
在这个温度下，原子和分子的运动减缓至最低，触发任何形式的能量传递和粒子产生的机会也几乎为零。
然而，量子涨落效应的出现使得我们不得不重新审视传统的物理观念。
量子涨落效应不仅改变了我们对真空的理解，而且也对宇宙学和微观领域的研究产生了深远影响。
量子涨落的最早理论基础源于海森堡的不确定性原理，它指出在测量一个量的同时必然扰动另一个量。
基于这一原理，真空中存在着从无到有的粒子和反粒子产生和湮灭的过程。
这些虚拟粒子的存在仅在极短的时间尺度中，但却在宇宙的各个角落无处不在。
量子涨落效应对于宇宙学的影响首先体现在宇宙背景辐射中。
宇宙背景辐射，也就是宇宙大爆炸后剩余的微弱辐射，是宇宙诞生后的第一个信号。
通过精确测量宇宙背景辐射，科学家们发现了微小的涨落，这些涨落与宇宙大尺度的结构形成有着密切关系。
正是由于量子涨落效应，微弱的能量波动最终演化成了星系、星云和宇宙的结构。
在微观领域，量子涨落效应的研究推动了现代物理学的发展。
例如，在量子场论中，虚粒子的产生与湮灭过程是非常重要的组成部分。
虚粒子的产生是由于真空中的涨落引起的，它们在数学上的表达是无穷多的波动模式。
量子涨落的研究为我们揭示了更深层次的自然规律，例如粒子的自旋和它们之间的相互作用。
这对于我们理解量子领域的基本原理和微观世界的本质起到了重要作用。
此外，量子涨落效应还与热力学领域有着密切联系。
根据热力学第二定律，热量是从高温物体传递到低温物体的不可逆过程。
然而，由于量子涨落的存在，真空中也存在着短暂的热涨落。
这些短暂的热涨落被称为红外光子。
红外光子的存在表明即使在绝对零度下，物体的温度也不是完全无限制的。
空间的环境及其效应 副本 23页PPT文档
一、空间真空环境与其效应
• 航天器入轨后始终运行在高真空与超真空环境中， 所产生的效应如下。
• 压力差效应 • 真空放电效应 • 辐射传热效应 • 真空出气效应 • 材料蒸发、升华和分解效应 • 粘着和冷焊效应 • 空间大气密度对航天器的阻尼效应 • 真空下材料出气污染效应
• （一）压力差效应
压力差效应在10-5—10-2Pa的粗真空范 围内发生。真空环境可能使密封舱变形或 损坏，使储罐中校体或气体的泄漏增大， 缩短了使用时间。
• (二)真空放电效应 ’
当真空达到10-2Pa或更高时，在真空中分开一 定距离的两个金属表面，在受到具有一定能量的 电子碰撞时，会从金属表面激发出更多的次级电 子。它们还可能与两个面发生来回多次碰撞，使 这种放电成为稳定态，这种现象称为放电。它会 使金属受到侵蚀，引起温度升高，使附近压力升 高，甚至会造成严重的电晕放电。射频空腔、波 导管等装置，有可能由于微放电面使其性能下降， 甚至产生永久性失效。
• 对航天员的生理健康有影响，易疲劳。 • 微重力使航天器的结构设大型构件。
十、空间磁层亚爆环境与其效应
• 磁层亚爆是磁层的高纬地区夜半侧和磁尾 的强烈扰动。扰动区域包括整个磁尾、等 离子体片及极光带附近的电离层，持续时 间约1—2h。
• 当磁层发生亚爆时，航天器与热等离子体 相互作用，能量高达几千甚至几万电子伏 的电子，积累在表面可使航天器表面的负 电位达到几千伏，甚至上万伏。造成航天 器的充电放电效应。
• 卫星上某些有机材料在冷黑环境下会产生老化和 变脆，影响材料的性能。
五、空间原子氧环境与其效应
• 原子氧是低地球轨道大气的重要成分，美 国航天飞机的发射，使人们逐步认识到原 子氧环境的严重效应。特别对永久性空间 站，是必须考虑的一项重要环境。
小学教育ppt课件教案探索真空对物质相对密度的影响
01
真空技术可用于材料制备、表面处理和性能测试等方面。例如，在真空环境下进行金属冶炼、陶瓷烧结和薄膜制备等过程，可以提高材料的纯度和性能。
真空技术在物理学研究中的应用
02
真空环境为物理学研究提供了理想的实验条件。例如，在粒子物理实验中，真空室可用于探测粒子的轨迹和能量；在光学实验中，真空环境可消除大气对光的散射和吸收等干扰因素。
绝对压力表示法
以大气压力为基准来表示的压力，用压力表测得的数值即为相对压力。
相对压力表示法
真空度是指低于大气压力的压力值，也可以理解为真空的“深浅”程度。
真空度表示法
声音的传播需要介质，而真空中没有物质，因此声音无法在真空中传播。
真空不传声
热量的传递需要介质，真空中没有物质，因此热量无法在真空中传递。
02
CHAPTER
真空基本概念及性质
真空指的是没有物质存在的空间，即空的空间。在物理学中，真空也可以指不存在任何实物粒子，但可能存在场（如电磁场）的空间。
根据空间中气体压力的大小，真空可分为粗真空、低真空、高真空和超高真空四类。
真空分类
真空定义
以绝对零压为基准来表示的压力，通常用Pa作为单位。
真空不传热
在真空中，光的传播速度是一个恒定值，约为每秒299792458米。
真空中的光速恒定
在真空中，电场和磁场可以存在并传播，这是电磁波传播的基础。
真空中的电场和磁场
03
CHAPTER
物质相对密度概念及测量方法
相对密度是指物质的密度与参考物质（通常是水）的密度之比，是一个无量纲的物理量。
相对密度定义
实验原理
在真空环境中，物质受到的外部压力减小，分子间的相互作用力发生变化，导致物质的体积和密度发生相应变化。通过测量物质的质量和体积，可以计算出其在真空中的相对密度，并与常压下的数据进行比较。
空间真空环境及其效应1
完全没有气体的空间状态称为绝对真空，绝对真空实际上是 不存在的。
真空区域划分： 根据国军标GB3163-82，真空区划分为如下区段： 低真空：105～102Pa （0~50Km) 中真空： 102～10-1Pa （50~90Km) 高真空： 10-1～10-5Pa （90~330Km) 超高真空： ＜10-5Pa （330Km以上)
空间真空度随高度变化情况 海平面： 101308Pa 100km, 2.64×10-2Pa; 500km, 9.52×10-8Pa 200km, 7.50×10-5Pa; 600km, 4.12×10-8Pa 300km, 5.96×10-6 Pa;700km, 1.85×10-8Pa 400km, 8.69×10-7 Pa; 800km,1.03×10-8Pa
2、真空放电效应
真空放电效应发生在103Pa～10-1Pa低真空范围。 当电极之间发生自激放电时称为电击穿。对于航天 器发射上升阶段必须工作或通电的电子仪器，应防 止任何放电的可能。
（短路故障）
当真空度达到10-2Pa或更高时，在真空中分开一定 距离的两块金属表面受到具有一定能量的电子碰撞 时，会从金属表面激发出更多的次级电子，形成微 放电。
③渗透气体通过固体材料释放出来 分子污染 航天器材料在空间真空环境下出气，通 过分子流动和物质迁移而沉积在航天器其他部位上 造成的污染，称为分子污染。 严重的分子污染会降低观察窗和光学镜头的透明度， 改变热控涂层的性能，减少太阳能电池的光吸收率， 增加电器元件的接触电阻等。
空间真空技术
VGC-IV01/VGC-EV01真空控制器
Qt Qr Ql Qg
热偶真空计的工作原理示意图
因此：P 时，气体稀薄化 气体导热能力 Qg 相同灯丝电流下 Ql 热电偶温度 T
电压表上测得的热电势 V 特定气压范围内（102~10-1 Pa 间），成立： V P f ( P ) ！
因此，真空可分为
现代真空技术的极限：每 cm3空间内仅有数百个气体分子 对应气压 10-11 Pa
空间真空技术—概论
真空程度
粗真空 低真空 高真空
对应气压
105～103 Pa 103～10-1 Pa 10-1～10-6 Pa
对应高度
0~50km 50~90km
使用设备
水流泵 机械泵
90~330km 机械泵 + 扩散泵
真空测量技术—皮拉尼真空计
工作范围：102~10-1 Pa 之间（与热偶真空计相当）；
应用场合：大量用于真空度较低、精度要求不高的场合；
特
皮拉尼真空计的工作原理
点：1）响应速度比热偶真空计快得多；
2）一定程度上解决了零点漂移的问题。
真空测量技术—薄膜真空计
工作原理： 依靠金属薄膜在气体压力差下产生机械位移 测量气体的绝对压力。 1）利用金属薄膜将容器分隔为两部分，上
空间真空技术
汇报真空获得技术
3 真空检测技术
4 工作映射
1概论
空间真空技术—概论
概念：利用外力将一定密闭空间内的气体分子移走， 使该空间内的气压小于 1 个大气压， 则该空间内的气体的物理状态就被称为真空。 注意：真空，实际上指的是 一种低的气体状态， 而不是指“没有任何物质存在” 宇宙真空：宇宙空间内存在的真空 认为真空：利用真空设备忽的的容器内真空
初二物理真空的概念与应用
初二物理真空的概念与应用初二物理：真空的概念与应用在物理学中，真空是指不含任何物质的空间。
它是一个非常特殊且重要的概念，在各个领域都有着广泛的应用。
本文将介绍真空的概念以及一些在现实生活中的具体应用。
一、真空的概念真空是指没有气体、液体或固体分子存在的状态。
通常情况下，我们所说的真空主要指的是高度稀薄的气体状态，不过在实验室中，还可以通过物理手段将真空程度进一步提高，达到更为极端的状态。
真空状态的划分常使用帕斯卡（Pa）作为单位来表示。
一般大气压下的真空状态称为大气真空，其压力约为10^5Pa。
当压力降低到10^-3Pa时，即为高真空状态；当压力降低到10^-7Pa时，即为超高真空状态；而当压力降低到更低的10^-10Pa时，则称为极高真空状态。
二、真空的应用1. 真空泵道的应用真空泵道是一种通过机械或物理手段产生真空环境的装置。
它被广泛应用于各个领域，尤其是科研、制造业和航天领域。
在科研实验中，真空泵道可以用于制造高质量的材料、合成新材料以及研究微观领域中的物质性质。
而在制造业中，真空泵道则可用于制造电子元件、航天器零件等高精度产品。
航天领域则需要利用真空泵道模拟太空中真空的环境条件，对航天器进行测试和性能验证。
2. 真空绝缘体材料的应用真空绝缘体材料是一种具有优良隔热性能的材料，可广泛用于制造保温杯、真空瓶等保温容器。
这些容器内外都是真空环境，通过防止热传导，有效地阻止了热量的流失或进入。
这使得保温杯和真空瓶能够有效地保持热饮料的温度，延长食品的保鲜时间，并且在户外活动中提供热饮料和食物的便利性。
3. 真空电子器件的应用真空电子器件是利用真空环境中的特殊性质设计和制造的电子设备。
其中最著名的例子是电子真空管，它曾是早期电子技术的核心元件，如今在音频放大器、射频设备和高频通信系统中仍有应用。
此外，微观电子器件和纳米科技领域中也有需求利用真空环境来制造和测试器件。
4. 太空科学的应用太空中是真空的极端环境，因此在太空科学研究中，与真空相关的技术非常重要。
真空效应及其在生活中的应用
真空效应及其在生活中的应用林海奇（哈尔滨工业大学英才学院飞行器设计与工程）摘要：真空即虚空，即一无所有的空间。
工业和真空科学上的真空指的是，当容器中的压力低于大气压力时,把低于大气压力的部分叫做真空；另一种说法是,凡压力比大气压力低的容器里的空间都称做真空。
工业真空有程度上的区别：当容器内没有压力即绝对压力等于零时，叫做完全真空;其余叫做不完全真空。
按现代物理量子场论的观点，真空不空，其中包含着极为丰富的物理内容。
在真空环境下，会产生许多特殊的效应。
近年来，真空效应在国防、工业生产、日常生活中均有非常广泛的应用。
关键词：真空概念真空效应真空的应用一：真空的概念真空是一种不存在任何物质的空间状态，是一种物理现象。
在“真空”中，声音因为没有介质而无法传递，但电磁波的传递却不受真空的影响。
粗略地说，真空系指在一区域之内的气体压力远远小于大气压力。
[1]真空常用帕斯卡（Pascal）或托尔（Torr）做为压力的单位。
目前在自然环境里，只有外太空堪称最接近真空的空间。
历史上有许多注明的关于真空的实验。
比如1641年意大利数学家托里拆利做的“托里拆利实验”，完成实验的玻璃管为“托里拆利管”[2]。
以及1654年马德堡市长奥托·冯·格里克做的“马德堡半球实验”。
[3]在真空技术中按照压力的高低我们可以区分为：[4]1.粗略真空（Rough Vacuum）760 ~ 1 Torr2.中度真空（MediumVacuum） 1 ~ 10-3 Torr3.高真空（High Vacuum）10-3 ~ 10-7 Torr4.超高真空（Ultra-HighVacuum）10-7 Torr以下二：真空效应1: 压力差效应压力差效应在105Pa～102Pa的真空范围内发生。
压力差效应会使密封舱变形或损坏，因此增大了贮罐中液体或气体的泄漏，缩短了使用时间。
真空环境下的泄漏故障基本是有压力差效应造成的，约５０％的重大故障与真空环境泄漏有关。
量子真空的奥秘：零点能量、卡西米效应与时空泡沫
量子真空的奥秘：零点能量、卡西米效应与时空泡沫请想象一个真空的区域，比如将外太空中的一立方米空间内的氢以及其他粒子都移除，其中就真的没有能量和物质了吗？从量子宇宙的角度来看，答案是否定的。
如果空间内没有粒子，就无法知道运动和能量的信息。
你也许可以将所有的物质移除，但是量子测不准原理表明还会存在能量：能量也不可能为0。
如果你坚持认为虚空存在，其中不含有任何物质和能量，那就违背了测不准原理。
存在一个最小的值，称为零点能量，但这也是所能达到的极限了。
要达到这种状态，可以考虑的只有少数原子的不稳定态。
只有当粒子的位置未知时，才能确定粒子的准确速度。
这意味着如果用一条原子的线将一个小分子团吊起来并做钟摆运动，分子团最终不会在竖直方向上停下来，即这个分子球不会在最低位置保持静止，而这个最低位置就是我们所说的“零点”。
相反，量子测不准原理表明它必须在这个位置周围轻轻地晃动。
这个现象称为零点摆动。
由于摆动会受到重力作用，当分子团距零点越高时，它的重力势能就越大。
当摆动到最高点，宏观摆动的势能也达到最大，此时动能为零；相反，当到达最低点时，势能为零，动能最大。
当这个摆动发生在“纳观”尺度时，事情就变得更加微妙了。
此时，如果我们将这个摆球限制在高度零点，此时势能最小，它的运动状态和后端动能就变得不可测量了。
相反，使摆球处于静止状态，此时动能最小，而相对零点的高度变得不可测量。
量子力学认为，只能达到一个最小的动能和势能和，而动能和势能不能同时都为零。
这个最小值就是原子集合的零点能量。
图7.2（a）钟摆起点处于静止的高点：其势能较大，动能为零。
在重力作用下，它开始下摆；在最低点时没有势能，而动能最大。
在摆动的过程中，动能＋势能的总和保持不变。
（b）经典钟摆可以保持静止下垂。
此时动能和势能都为零，因而总能量为零。
（c）对于量子钟摆而言，动能和势能不能同时为零。
将它悬在最低点，此时势能等于零，但运动状态不可测，所以动能也就无法得知，这就是“零点运动”。
真空中的物理现象探索
真空中的物理现象探索真空是指一种几乎没有物质存在的状态。
科学家们对真空的研究始于17世纪，随着技术的进步，人们逐渐揭开了真空中的许多奥秘。
本文将深入探讨真空中的物理现象，包括声波传播、光速、热传导、电磁辐射以及在真空中进行的实验，帮助读者更好地理解这一神秘的物理领域。
一、真空的定义与性质在物理学中，真空通常被定义为一个压力低于101.3千帕斯卡（或760毫米汞柱）的空间。
尽管真空看似是一个“空”的状态，其实这个环境中仍然存在某些基本的物理现象。
相对完整性：虽然绝对完美的真空并不存在，但科学家可以通过抽取气体达到非常接近真空的条件。
在这样的状态下，气体分子间的碰撞几乎可以忽略，从而创造出特殊的实验环境。
量子效应：根据量子力学理论，即使在真空中也存在“虚粒子”的出现。
这些粒子会在极短时间内出现和消失，带来一定的量子涨落。
这表明，真空并非一片宁静，更是一个充满动态变化的场域。
二、声波在真空中的传播声波是一种机械波，依赖介质（如空气、液体或固体）进行传播。
由于声波需要介质来振动分子，因此它无法在真空中传播。
这一现象很好地揭示了声波的本质。
声波与介质：声波通过介质中的分子振动传递能量。
空气中的分子通过振动互相碰撞，将声波从一个位置传递到另一个位置。
无声世界：在外太空等极端真空环境中，即使是极大的爆炸，也无法听到声音。
这进一步说明了声音传播与介质密切相关。
在真空中，即使有源声，也没有媒介使其传播。
三、光速在真空中的特性光是一种电磁波，可以在真空中传播，这使得我们能够在外太空观察宇宙中的各种现象。
光速常数：在真空中，光速约为299,792,458米每秒，这个速度称为光速常数。
根据爱因斯坦的相对论，光速是宇宙速度的极限，没有任何物体可以超过这一速度。
红移现象：科学家通过观测遥远星系发出的光，发现由于宇宙膨胀现象导致光波拉伸，光谱向红色方向移动，这一现象被称为红移。
红移使得我们能够推测遥远天体的运动状态。
四、热传导在真空中的表现在经典物理学中，热传导有三种主要方式：导热、对流和辐射。
真空环境
（1）肠道和呼吸道内的气体会从口鼻和肛门等处排出，由于气体总量并不大。所以不会产生车胎拔气门心 的效果，充其量也就是速度快些的慢撒气。
（2）血管内的微气泡会膨胀，并且由于无处可去，而产生大量泡沫状的血液并堵塞血管。血管内的压力会 升高，但是由于血管壁和其外的肌肉组织都具有弹性，所以不会爆裂。但是由于血管壁有一定的渗透性，还有毛 细血管等位置会由于压力升高导致内出血。
获得方式
获得方式
利用真空泵可以轻易获得真空环境。水环式真空泵其工作原理：由两个叶轮工作，在泵体中装有适量的水作 为工作液。当叶轮旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚 度的封闭圆环。水环的下部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的上部内表面刚好与叶片顶端接触（实际上叶片 在水环内有一定的插入深度）。此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，一侧半个月牙形空间内相邻两叶 片间的空间不断增大，气体通过吸气口不断吸入气体；另一侧半个月牙形空间内相邻叶片间的空间不断缩小，吸 入的气体不断被压缩，压力不断增大，当压强大于外界压强时，气体经排气孔排出。在泵连续运转过程中，不断 的进行吸气、压缩、排气的过程，从而获得真空。
法新社在题为《中国欢呼太空漫步英雄并将眼光投向月球》的报道中称，第一位漫步太空的中国人28日受到 “国家英雄”的赞誉，因为中国这个新兴太空大国明确表示它将奔向月球。不过报道也提到，中国的官方文件还 没有将有人登月定为正式目标，在开始全面“登月”之前，中国更有可能集中精力建立太空实验室，接下来的神 舟系列飞船发射就是为了实现那个目标。中国长期的目标是建立能有与美、欧、俄、日等共同建设的国际空间站 相媲美的属于自己的空间站。
真空物理现象的原理和应用
真空物理现象的原理和应用1. 真空物理现象的概述•定义：真空是指没有气体分子和离子的状态•气体分子与真空：根据气体分子与容器壁碰撞的频率和选择性的逸出，实验者可实现降低气体分子密度的过程•真空的分类：高真空、低真空、超高真空、超低真空2. 真空物理现象的原理2.1 真空中气体行为的基本原理•真空与气体分子：气体分子在真空中的平均自由程呈现指数递增的特征•分子碰撞与扩散：分子的碰撞和扩散在气体行为中起到重要作用•流体动力学方程：描述气体行为的数学模型，涉及质量守恒、动量守恒和能量守恒2.2 真空条件下的物质行为•蒸发：液体和固体表面分子失去足够的能量以克服表面吸引力，进入气相•气体扩散：气体在真空条件下的扩散速率与压力差成正比•物质的沉积和析出：通过物理或化学手段，在表面上形成薄膜•分子束外延：通过在真空中蒸发源产生分子束，让其沉积到衬底上，实现单层或多层沉积3. 真空物理现象的应用3.1 科学研究领域•粒子加速器技术：用于加速微观粒子，进行基础粒子物理学研究•原子能技术：利用核反应进行能量的转化和控制•太空科学研究：在真空环境中进行对宇宙空间的观测和实验3.2 工业生产领域•真空包装：将产品包装于真空环境中，保持产品的新鲜和质量•电子器件制造：在真空条件下进行薄膜沉积、外延生长等工艺•光学镀膜：利用真空沉积技术在光学元件表面形成薄膜，提高光学性能3.3 医疗领域•真空吸引设备：用于吸引体内或体外的血液和其他分泌物•真空包扎技术：通过应用真空包带固定伤口，加速创面愈合•真空管技术：用于制造电子设备中的真空管4. 结论真空物理现象具有广泛的原理和应用。
真空条件下的气体行为和物质行为的研究，为科学研究和工业生产提供了重要的理论和实践基础，同时在医疗领域也发挥着重要作用。
充分理解和应用真空物理现象的原理，可以推动技术和科学的发展，为社会的进步做出贡献。
空间辐射环境
八、空间等离子体环境与其效应
• 是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产 生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛 存在于宇宙中。主要分布于电离层以上（70km～ 3000km） • 空间高温等离子体(带电粒子能量在几万电子伏以 上)使卫星充电，与等离子体的电位差可达10kv。 这使卫星各部件之间产生放电现象。放电中发出 的电磁辐射将干扰卫星正常工作，还可将卫星的 部件击穿，造成永久性损坏。 • 等离子体环境对轨道上运行的卫星会引起卫星附 加电阻力，使探测仪器产生假信号，高压太阳阵 电源系统漏电、大型天线增益下降和指向精度减 小等。
• 微流星体通常指直径在1mm以下、质量在 1g以下的固体颗粒，它们在太阳引力作用 下运动，其速度相当于地球的平均速度， 约为10～30km/s，最大速度可达72km／s。 • 由于微流星体的速度很快，当它与航天器 相撞时，释放出巨大的能量，对航天器有 很大的危害。（沙蚀、影响太阳能电池效 率；产生裂痕和撞击）
二、空间高能带电粒子环境与其效应
• 地球和木星辐射带的高能带电粒子，银河 宇宙线和太阳耀班喷发出的太阳宇宙线，主 要由高能质子组成，它的能量高，有一定的 贯穿能力和破坏能力。 • 总剂量效应 • 单粒子事件效应（翻转效应、锁定效应） • 航天器在宇宙航行中场环境与其效应
空间环境及其效应
丁言虎
• 航天器从运输、发射、人轨、返回地面，要经受 各种环境的考验，特别是在空间长期运行期间， 会遭遇很复杂的空间环境。 • 美国1965—1986年发射的航天器发生了近2000 个异常现象与故障。美国“探险者”14号、15号、 “电星一号”由于空间辐射而损坏。“阿波罗13 号”的失败，原苏联“联盟11号”在返回途中三 名航天员的死亡，以及欧洲、日本、中国发射的 航天器也出现了各种各样的故障。这些故障很大 程度上与环境有关。
真空中的粒子与辐射效应
真空中的粒子与辐射效应在理论物理中，我们经常遇到一种特殊情况，即真空中的粒子和辐射效应。
虽然我们通常认为真空是没有任何东西的，即不含有物质和能量的空间，但实际上，根据量子力学的观点，真空中的粒子和辐射是存在的。
量子场论是描述真空中粒子和辐射的一种理论框架。
它将粒子和辐射看作是场的激发，而真空则是场的基态。
根据这个理论，真空中并不是完全虚空的，而是充满了虚粒子和虚辐射。
虚粒子是指一种特殊的粒子，它们没有质量、电荷和自旋，并且随机地在真空中产生和湮灭。
根据海森堡不确定性原理，由于虚粒子的产生和湮灭是在极短的时间内发生的，我们无法直接探测到它们的存在。
虚粒子的产生和湮灭过程与物理学中常见的波动现象相似，被称为虚粒子的湮灭-产生对。
虚辐射则是指在真空中存在的电磁辐射。
在真空中，根据麦克斯韦方程组，电磁场的能量可以取不同的值。
虽然平均而言，真空中的电磁场能量为零，但在某些情况下，真空中的电磁场能量可以波动起来，形成虚辐射。
虚粒子和虚辐射的存在对于物理学的发展具有重要意义。
根据量子场论的计算，虚粒子和虚辐射对真空的性质产生了微小但可测量的影响。
例如，虚粒子的存在导致了一种称为Casimir效应的力，在两个金属平板之间产生吸引力。
这个效应被广泛应用于微纳米器件中。
此外，真空中的粒子和辐射也与量子场的量子涨落有关。
根据量子力学的观点，粒子和辐射都具有一定的不确定性。
在真空中，量子场的涨落会导致能量上的涨落，这就是所谓的真空涨落。
真空涨落在实验中可以观测到，例如在冷原子实验中，由于真空涨落的影响，实际温度并非绝对零度。
真空中的粒子和辐射效应也与宇宙学中的一些重要问题相关。
例如，在宇宙学中，研究物质的起源和宇宙的早期演化过程，真空中的粒子和辐射效应起着重要的作用。
早期宇宙中的高温和高密度条件下，虚粒子和虚辐射的产生和湮灭过程对宇宙学的演化有重要影响。
虽然真空中的粒子和辐射效应并不容易直接观测到，但它们对物理学的基本理论和实际应用都有重要影响。
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③渗透气体通过固体材料释放出来 分子污染 航天器材料在空间真空环境下出气，通 过分子流动和物质迁移而沉积在航天器其他部位上 造成的污染，称为分子污染。 严重的分子污染会降低观察窗和光学镜头的透明度， 改变热控涂层的性能，减少太阳能电池的光吸收率， 增加电器元件的接触电阻等。
4、材料蒸发升华和分解效应 材料在空间真空环境下的蒸发、升华和分解都会造 成材料组分的变化，引起材料质量损失（简称质 损），造成有机物的膨胀，改变材料原有性能如热 物理性能和介电性能等。
完全没有气体的空间状态称为绝对真空，绝对真空实际上是 不存在的。
真空区域划分： 根据国军标GB3163-82，真空区划分为如下区段： 低真空：105～102Pa （0~50Km) 中真空： 102～10-1Pa （50~90Km) 高真空： 10-1～10-5Pa （90~330Km) 超高真空： ＜10-5Pa （330Km以上)
6、真空环境下的热辐射效应 在空间真空环境下，航天器与外界的传热主要通过 辐射形式，因此，航天器表面的辐射特性对航天器 的温度控制起着重要作用，为了使航天器保持在允 许的热平衡温度下，航天器的热设计必须考虑空间 真空环境下传热以辐射与接触传热为主导的效应。
5、粘着和冷焊效应 粘着和冷焊效应一般发生在10－７Pa以上的超高真 空环境下。 发生机理：在真空中固体表面的吸附气膜、污染膜 以致氧化膜被部分或全部清除，从而形成清洁的材 料表面，使表面之间出现不同程度的粘合现象，称 为粘着。如果除去氧化膜，使表面达到原子洁净程 度，在一定压力负荷和温度下，可进一步整体粘着， 即引起冷焊。 冷焊发生三要素：高真空、相同金属材料、压力
空间真空度随高度变化情况 海平面： 101308Pa 100km, 2.64×10-2Pa; 500km, 9.52×10-8Pa 200km, 7.50×10-5Pa; 600km, 4.12×10-8Pa 300km, 5.96×10-6 Pa;700km, 1.85×10-8Pa 400km, 8.69×10-7 Pa; 800km,1.03×10-8Pa
据统计，因真空环境下泄漏，全世界至少有２０枚 火箭发生爆炸。其中：有造成火箭发动机试验时提 前关机或未能二次点火；有火箭升空后未达到预定 推力，卫星偏离轨道不能入轨；有火箭升空后引起 爆炸，星箭自毁等。
据统计，全世界至少有８颗卫星因泄漏而发射失败， １０多颗卫星产生重大故障而缩短寿命或未达到使 用功能。 我国也有５颗卫星因泄漏而产生效应
真空放电效应发生在103Pa～10-1Pa低真空范围。 当电极之间发生自激放电时称为电击穿。对于航天 器发射上升阶段必须工作或通电的电子仪器，应防 止任何放电的可能。
（短路故障）
当真空度达到10-2Pa或更高时，在真空中分开一定 距离的两块金属表面受到具有一定能量的电子碰撞 时，会从金属表面激发出更多的次级电子，形成微 放电。
一般质损1%～2%时，材料的宏观性质无重大变化； 但质损达１０％时，材料性质出现明显的变化。因 此，一般把每年质损小于１０％作为航天器材料的 标准。
航天器表面材料不均匀的升华，引起表面粗糙，使 航天器表面光学性能变差。在高真空下材料的内、 外分界面可能变动，引起材料机械性能的变化。由 于蒸发缺少氧化膜或其他表面保护膜，因而可能改 变材料表面的适应系数及表面辐射率，显著改变材 料的机械性能、蠕变强度和疲劳应力等。
2.2 真空环境效应
1、压力差效应 压力差效应在105Pa～102Pa的真空范围内发生。压 力差效应会使密封舱变形或损坏，因此增大了贮罐 中液体或气体的泄漏，缩短了使用时间。 真空环境下的泄漏故障
约５０％的重大故障与真空环境泄漏有关。
１９７１年６月３０日苏联“联盟”１１号飞船的 ３名航天员返回地面时，因返回舱真空室漏气均窒 息死亡。
危害：活动部件、支承、传动、触点部位都可能出 现故障。冷焊将加速轴承的磨损，减少其工作寿命， 使电机滑环、电涮、继电器和开关触点接触不良， 天线或重力梯度杆展不开，太阳电池阵板、散热百 叶窗打不开等。
防止冷焊的措施：选择不易发生冷焊的配偶材料， 在接触表面涂覆固体润滑剂或设法补充液体润滑剂， 涂覆不易发生冷焊的材料膜层（碳化钨涂层）。
第二章
空间真空环境及试验技术
2.1 空间真空环境
是指在给定空间内低于一个大气压力的气体状态， 也就是该空间内气体分子密度低于该地区一个大气 压的分子密度。
气压和分子密度同步变化，标准状态（0C，101325Pa） 下，气体的分子密度为2.6870 1025/m3；真空度为1.33 104Pa时，气体分子密度为3.24 1016/m3。
1 200km处,大气压力10-9Pa； 10 000km处,大气压力为10-10Pa； 月球表面大气压力为10-10 Pa～10-12Pa，大 约相当于有100个氢分子/cm3; 银河系星际大气压力为10-13 Pa～10-18Pa。
真空测量单位 真空度通常可以用压强表示，压强为气体分子作 用在单位面积上的力的法向分量。 （1）国际单位 通常用压力单位Pa（帕）表示，1Pa 为1m2面积 上作用1N的力，即： 1Pa= 1N/ m2 （2）高斯单位 通常用压力单位Tor（托）表示，1 Tor=133Pa
（电弧放电故障）
金属由于发射次级电子而受到侵蚀，电子碰撞会引 起温度升高，而使附近气体压力升高，甚至会造成 严重的电晕放电。射频空腔波导管等装置有可能由 于微放电而使其性能下降，甚至产生永久性失效。
电子元器件故障或失效
3、真空出气效应 当真空度高于10-2Pa时，气体会不断地从材料表面 释放出来。这些气体的来源是： ①原先在材料表面吸附的气体，在真空状态下从表 面脱附； ②原先溶解于材料内部的气体，在真空状态下从材 料内部向真空边界扩散，最后在界面上释放，脱离 材料；