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第1章 空间安全概论1

1.1 NASA与安全1

1.2安全与风险2

1.3管理安全与风险2

1.4关于本书3

参考文献4

第2章 空间环境：自然的和诱导的5

2.1大气层5

2.1.1组成5

2.1.2原子氧9

2.1.3电离层11

2.2轨道碎片与流星体13

2.2.1轨道碎片13

2.2.2流星体19

2.3微重力22

2.3.1微重力定义22

2.3.2实现方法24

2.3.3对生物过程和航天员健康的影响28

2.3.4月球及行星航天的独特方面29

推荐读物29

2.4声学31

2.4.1声学安全问题31

2.4.2声学要求31

2.4.3一致性与验证36

2.4.4结论和建议37

推荐读物37

2.5辐射38

2.5.1电离辐射38

2.5.2射频辐射48

推荐读物51

2.6自然及诱导热环境52

2.6.1热环境概论52

2.6.2航天器传热的考虑因素52

2.6.3自然热环境53

2.6.4诱导热环境57

2.6.5月球及行星环境的其他考虑因素62

2.7综合环境影响62

2.7.1环境影响概述62

2.7.2综合环境63

2.7.3综合影响63

2.7.4空间仿真地面试验66

参考文献67

第3章 生物航天学概述82

3.1空间生理学82

3.1.1肌肉系统82

3.1.2骨骼系统83

3.1.3心肺系统84

3.1.4神经前庭系统85

3.1.5辐射86

3.1.6营养86

3.1.7免疫系统87

3.1.8出舱活动87

3.2短期及长期飞行任务影响88

3.2.1肌肉系统88

3.2.2骨骼系统89

3.2.3心血管及呼吸系统90

3.2.4神经系统90

3.2.5辐射91

3.2.6营养92

3.2.7免疫系统92

3.2.8出舱活动93

3.3健康保持93

3.3.1飞行前准备93

3.3.2飞行途中的措施95

3.3.3飞行中的医疗监测102

3.3.4飞行后恢复104

3.4航天员生存105

3.4.1航天飞行中的健康威胁概述105

3.4.2早期工作106

3.4.3航天员在发射台、发射时及上升期间的生存106

3.4.4在轨安全避险和航天员转移110

3.4.5再入、着陆和着陆后110

3.5结论112

参考文献112

第4章 航天安全性的基本原则123

4.1事故原因123

4.2基本原则和方法124

4.2.1危险消除和限制124

4.2.2屏蔽和互锁装置125

4.2.3故障安全性设计125

4.2.4故障与风险最小化126

4.2.5监测、恢复与规避127

4.2.6航天员生存系统127

4.3安全评审流程127

4.3.1安全性要求128

4.3.2安全小组128

4.3.3安全评审129

4.3.4不合格产品129

参考文献130

第5章 适人性设计方案131

5.1适人性方案的定义131

5.1.1适人性系统131

5.1.2 NASA适人性设计及流程132

5.1.3适人性方案的计划132

5.1.4 NASA适人性方案的认证流程133

5.1.5商业载人航天飞行中适人性方案133

5.2适人性方案的需求和方法133

5.2.1适人性方案的关键技术要求134

5.2.2管理要求135

5.2.3试验要求136

5.2.4数据需求137

参考文献137

第6章 生命保障系统安全性138

6.1空气调节与控制140

6.1.1监测是控制的关键140

6.1.2空气条件142

6.1.3二氧化碳的清除145

6.2痕量污染物控制146

6.2.1紧密结构和航天器舱146

6.2.2痕量污染物控制方法148

6.2.3痕量污染物控制设计考虑153

6.3航天器环境中水质量的评估：缓解健康与安全问题154

6.3.1与航天飞行相关的水源范围154

6.3.2航天器水的质量和风险评估样例155

6.3.3水质监测158

6.3.4结论和未来方向160

6.4废物管理161

6.5生命支持系统概要161

参考文献162

第7章 紧急救援系统166

7.1太空救援166

7.1.1法律和外交基础166

7.1.2救援能力的要求166

7.1.3救援模式和概率169

7.1.4不同飞行阶段的风险170

7.1.5历史上发生的故障事件171

7.1.6历史上的救援系统172

7.1.7航天救援以自我救援为主179

7.1.8地面救援的限制181

7.1.9作为航天救援研究的航天员返回飞行器183

7.1.10安全救援所187

7.1.11结论188

7.2个人保护设备188

7.2.1个人保护设备的目的188

7.2.2个人保护设备的类型188

参考文献194

第8章 碰撞规避系统196

8.1对接系统和运行196

8.1.1对接系统是航天器在轨连接的一种方式196

8.1.2保证对接安全性和可靠性的设计途径198

8.1.3俄罗斯对接系统保证安全性和可靠性的设计特点201

8.1.4俄罗斯对接系统安全性和可靠性完成验证的分析与试验203

8.2下降与着陆系统204

8.2.1降落伞系统205

8.2.2已知的降落伞异常现象和经验教训214

参考文献217

第9章 机器人系统安全219

9.1一般机器人系统219

9.1.1控制器和操作界面220

9.1.2臂和关节220

9.1.3驱动系统220

9.1.4传感器220

9.1.5末端执行器220

9.2空间机器人概述220

9.3危险及其原因识别222

9.3.1电路和电子机械故障223

9.3.2机械和结构故障223

9.3.3控制路径故障223

9.3.4操作员失误223

9.3.5其他危险223

9.4在设计中减轻危险223

9.4.1电路和机械设计及其冗余223

9.4.2操作员失误224

9.4.3系统健康检查224

9.4.4紧急拦阻减速224

9.4.5接近操作224

9.4.6机内测试225

9.4.7安全算法225

9.5通过训练减轻危险225

9.6减轻操作危险226

9.7案例研究：了解Canadarm2和空间安全227

9.7.1 Canadarm2227

9.7.2照相机227

9.7.3力矩传感器228

9.7.4训练229

9.7.5危险关注和相关危险减轻230

9.8总结230

参考文献231

第10章 流星体和碎片防护232

10.1风险控制措施232

10.1.1机动232

10.1.2防护236

10.2航天器压力壁损坏的应急维修241

10.2.1平衡减轻计划的风险241

10.2.2泄漏定位系统和工作设计考虑244

10.2.3到达损坏区域的能力245

10.2.4工具包设计和验证考虑245

10.2.5航天员对维修后的压力舱进行重新鉴定245

参考文献246

第11章 噪声控制设计248

11.1前言248

11.2噪声控制计划248

11.2.1噪声控制策略248

11.2.2声学分析250

11.2.3试验和验证250

11.3噪声控制应用250

11.3.1噪声源的噪声控制252

11.3.2路径噪声控制252

11.3.3在接收空间的噪声控制256

11.3.4设计后噪声减轻257

11.4结论和建议258

推荐读物258

参考文献259

第12章 材料的安全性260

12.1有毒放气261

12.1.1材料放气控制261

12.1.2材料测试262

12.1.3航天器舱段测试262

12.2应力腐蚀开裂263

12.2.1什么是应力腐蚀开裂263

12.2.2应力腐蚀开裂的预防264

12.2.3材料的应力腐蚀开裂测试265

12.2.4应力腐蚀开裂的设计266

12.2.5航天器硬件需求267

12.2.6推进系统中的应力腐蚀开裂268

12.3结论270

参考文献270

第13章 氧气系统安全273

13.1氧气压力系统设计273

13.1.1介绍273

13.1.2设计方法275

13.1.3氧气兼容性评估工序281

13.2氧气发生器285

13.2.1氧气产生的电气化学系统285

13.2.2固体燃料氧气发生器（氧烛）289

参考文献291

第14章 宇航电子设备安全性294

14.1宇航电子设备的介绍294

14.2电气接地与电气连接295

14.2.1定义电气接地连接的特征295

14.2.2电流的控制296

14.2.3电气接地可以是信号返回通路296

14.2.4在什么位置、如何连接电气接地296

14.2.5定义电气连接的特征297

14.2.6电气连接类型298

14.2.7电气连接的异金属考虑298

14.2.8屏蔽的电气接地和连接299

推荐读物299

14.3安全性关键的计算机控制300

14.3.1局部计算机控制300

14.3.2全局计算机控制：故障安全301

14.4电路保护：熔断302

14.4.1电路保护方法302

14.4.2电路保护器303

14.4.3设计指导304

14.5静电放电控制304

14.5.1基本原理304

14.5.2静电放电考虑的各个阶段307

推荐读物310

14.6电弧跟踪312

14.6.1一个新的失效模式312

14.6.2电弧跟踪的特性314

14.6.3电弧跟踪事件的可能性315

14.6.4电弧跟踪的预防315

14.6.5危险的防护和管理验证316

14.6.6小结316

14.7高电压系统中的电晕控制316

14.7.1相关环境317

14.7.2设计原则317

14.7.3验证和测试318

推荐读物319

14.8舱外活动注意事项319

14.8.1太空中使用的显示器和指示器319

14.8.2通电电连接器的插拔320

14.8.3单根线熔点320

14.8.4电池的移除和安装322

14.8.5禁止功能的计算机或操作控制322

14.9飞行器电磁干扰和电磁兼容性控制322

14.9.1航天应用的电磁兼容性要求324

14.9.2基本的电磁兼容性作用和安全系数324

14.9.3任务驱动电磁干扰设计：接地例子325

14.9.4航天器的电磁兼容性计划326

14.10安全关键电路的设计与试验328

14.10.1安全关键电路：传导模式328

14.10.2安全性关键电路：辐射模式333

14.11电气危险336

14.11.1引言336

14.11.2电击336

14.11.3生理学考虑337

14.11.4电气危险分类338

14.11.5漏电流338

14.11.6生物仪器339

14.11.7电气危险控制339

14.11.8电气危险控制的验证341

14.11.9电气安全性设计考虑342

14.12宇航电子设备的经验教训342

14.12.1电子设计343

14.12.2物理设计343

14.12.3资料与来源344

14.12.4损害避免344

14.12.5系统方面344

参考文献345

第15章 软件系统安全347

15.1简介347

15.2软件安全问题347

15.2.1系统事故347

15.2.2与物理设计分离的作用和限制348

15.2.3软件可靠性和安全350

15.2.4系统工程存在问题352

15.2.5嵌入式软件的特点353

15.3目前的实践354

15.3.1系统安全性355

15.4最佳实践357

15.4.1软件密集型、安全关键项目的管理357

15.4.2基本的系统安全工程实践及其对软件密集型系统的意义358

15.4.3规范359

15.4.4需求分析360

15.4.5基于模型的软件工程和软件重复使用361

15.4.6软件架构361

15.4.7软件设计362

15.4.8人机交互设计364

15.4.9软件评审365

15.4.10验证和保证366

15.4.11操作366

15.5小结367

参考文献367

第16章 电池组安全性370

16.1介绍370

16.2通用设计和安全性规范370

16.3电池组类型371

16.4电池模型371

16.5危险与毒性分类371

16.6电化学371

16.6.1碱性电池371

16.6.2锂电池373

16.6.3银锌电池382

16.6.4铅酸蓄电池384

16.6.5镉镍蓄电池385

16.6.6镍金属氢化物电池386

16.6.7氢镍蓄电池389

16.6.8锂离子蓄电池391

16.7电池的贮存、运输和处理398

参考文献398

第17章 机械系统安全404

17.1安全系数404

17.1.1安全系数类型405

17.1.2安全系数是载人航天项目评估所特有的405

17.1.3影响安全系数选择的因素405

17.2航天器结构406

17.2.1机械需求407

17.2.2空间任务环境和机械载荷408

17.2.3项目总评：继承性设计和结构需求的反复验证409

17.2.4分析评估411

17.2.5结构的试验验证411

17.2.6航天器结构建模原理412

17.2.7材料和工艺413

17.2.8航天器结构的制造414

推荐读物415

17.3断裂控制416

17.3.1基本需求416

17.3.2执行416

17.3.3小结417

17.4压力容器、管路和接头417

17.4.1压力容器417

17.4.2管路和接头421

17.4.3空间压力系统标准422

17.4.4小结422

17.5复合物编织压力容器422

17.5.1复合物编织压力容器系统422

17.5.2整体式金属压力容器的失效模式423

17.5.3复合物编织压力容器失效模式424

17.5.4复合物编织压力容器冲击敏感度425

17.5.5小结426

17.6考虑空间系统安全的玻璃和陶瓷组件结构设计426

17.6.1玻璃和陶瓷的强度特征426

17.6.2定义载荷和环境430

17.6.3设计系数431

17.6.4满足玻璃和陶瓷的寿命要求432

17.7安全危险机构433

17.7.1失效容差设计433

17.7.2安全危险机构的设计和验证435

17.7.3减小的失效容差441

17.7.4安全危险机构的评审441

参考文献442

第18章 有害材料的控制策略445

18.1有毒材料446

18.1.1毒理学基础446

18.1.2空间飞行中的空气质量毒物学风险449

18.1.3风险管理办法452

18.2生物有害材料454

18.2.1与航天有关的微生物危险454

18.2.2风险减缓办法455

18.2.3主要的空间飞行特殊微生物危险456

18.3易碎材料461

18.3.1居住区内的易碎材料462

18.3.2计划实施462

18.3.3内部设备的防护方案463

18.3.4外部设备的防护概念465

18.3.5关于利用易碎材料工作的常规注释466

18.4防护设计措施467

18.4.1故障容差467

18.4.2最小风险设计467

18.5防护设计方法467

18.5.1防护环境467

18.5.2防护系统的设计468

18.6安全控制470

18.6.1合理设计470

18.6.2材料选择470

18.6.3材料兼容性470

18.6.4合适的工艺470

18.6.5合适的装载和填充470

18.6.6断裂控制471

18.7安全验证471

18.7.1强度分析471

18.7.2鉴定试验471

18.7.3验收试验472

18.7.4安全测试473

18.7.5程序鉴定473

18.8结论473

参考文献474

第19章 故障容差设计478

19.1安全478

19.1.1优先顺序478

19.2危险479

19.2.1危险控制手段479

19.2.2故障容差设计480

19.3危险功能481

19.3.1禁止工作的危险功能481

19.3.2必须工作的危险功能481

19.4最小风险设计482

19.5结论482

参考文献483

第20章 推进系统安全484

20.1固体推进剂推进系统安全484

20.1.1固体推进剂485

20.1.2航天领域的固体推进系统486

20.1.3安全性危险486

20.1.4操作、运输和贮存490

20.1.5意外点火490

20.1.6安全点火系统设计491

20.1.7结论492

20.2液体推进剂推进系统安全492

20.2.1计划493

20.2.2密封装置完整性494

20.2.3热控制495

20.2.4材料兼容性495

20.2.5污染控制495

20.2.6环境因素495

20.2.7发动机和推力器点火限制496

20.2.8风险增加（风险渐变）496

20.2.9仪器与遥测数据497

20.2.10端对端集成仪器、控制和冗余验证497

20.2.11鉴定497

20.2.12全面质量管理（ISO9001或类似标准）498

20.2.13保持完整性验证498

20.2.14推进剂加注498

20.2.15 结论498

20.3自燃推进剂499

20.3.1材料兼容性499

20.3.2材料性能下降499

20.3.3自燃推进剂分解500

20.4推进剂点火501

20.4.1肼和甲肼蒸气501

20.4.2液体肼和甲肼503

20.4.3肼和甲肼薄雾、雾滴和喷雾504

参考文献504

第21章 火工品安全509

21.1火工品装置509

21.1.1炸药509

21.1.2起爆器509

21.2电子爆炸装置510

21.2.1安全操作电子爆炸装置510

21.2.2安全电子爆炸装置操作设计512

21.2.3机械点火爆炸装置的火工品安全513

参考文献515

第22章 舱外活动安全516

22.1舱外活动环境516

22.1.1定义516

22.1.2舱外活动航天服517

22.1.3感觉退化519

22.1.4移动和无重状态519

22.1.5手套限制519

22.1.6航天员疲劳520

22.1.7热环境520

22.1.8舱外活动工具520

22.2航天服危险520

22.2.1无意中接触危险520

22.2.2导致危险的范围522

22.3航天员危险523

22.3.1居住环境污染523

22.3.2热限值523

22.3.3激光机动装置524

22.3.4电击和熔化金属524

22.3.5滞留525

22.3.6紧急返回525

22.3.7碰撞525

22.3.8航天员意外伤亡526

22.4结论527

参考文献527

第23章 紧急事件、警告和预警系统528

23.1系统概述528

23.2 NASA历史上的紧急事件、警告和预警系统528

23.3紧急事件、警告和预警系统措施529

23.3.1事件分类措施529

23.3.2传感器措施530

23.3.3数据系统措施531

23.3.4警示措施531

23.4故障隔离和恢复533

参考文献533

第24章 激光安全534

24.1背景534

24.1.1光学频谱534

24.1.2生物效应534

24.2激光的特性535

24.2.1激光原理536

24.2.2激光类型537

24.3激光标准538

24.3.1 NASA约翰逊航天中心要求538

24.3.2 ANSI标准Z136-1538

24.3.3俄罗斯标准539

24.4空间中使用的激光539

24.4.1雷达539

24.4.2照明540

24.4.3敏感器540

24.5关于激光安全的设计考虑540

24.5.1地面测试540

24.5.2独特的空间环境541

24.6结论542

参考文献542

第25章 航天员安全培训：综合性过程544

25.1航天员安全培训544

25.1.1典型培训流程544

25.1.2培训阶段的安全培训原则549

25.1.3不同类型设备的特定安全培训551

25.1.4不同操作的安全训练556

25.2培训期间的安全性563

25.2.1概述563

25.2.2培训、测试或基线数据收集模型VS飞行模型：种类，保真度，资源，来源以及类别563

25.2.3培训环境和设施566

25.2.4培训模型、试验模型和安全要求572

25.2.5训练模型、测试模型和基线数据收集设备使用要求582

25.2.6训练人员资格的鉴定和认证584

25.2.7训练和测试模型文件584

25.3训练开发和验证过程588

25.3.1训练开发过程588

25.3.2训练评审过程589

25.3.3训练开发和验证过程中安全的作用590

25.3.4根据训练开发和验证过程给安全部门的反馈593

25.4结论594

参考文献595

第26章 对地面环境的安全考虑596

26.1如何理解“地面保障设备”596

26.2文件和评审596

26.3任务和责任597

26.4应急计划597

26.5故障容许误差597

26.6训练598

26.7危险操作598

26.8工具599

26.9人为因素599

26.10生物系统和物质600

26.11电力600

26.12辐射600

26.13压力系统601

26.14火工品601

26.15 机械和机电设备602

26.16推进剂602

26.17低温学602

26.18氧气602

26.19地面装运603

26.20软件安全603

26.21小结603

第27章 防火安全604

27.1火在太空中的特征604

27.1.1低重力燃烧综述604

27.1.2燃料和氧化剂供给及火焰特性605

27.1.3火的外观和特征606

27.1.4火焰燃烧和延燃608

27.1.5低重力环境下火焰燃烧特性的总结615

27.2防火设计616

27.2.1材料的可燃性616

27.2.2点燃源620

27.3航天器失火探测622

27.3.1先前航天器上的失火探测622

27.3.2低重力烟概述624

27.3.3航天器大气尘埃625

27.3.4失火探测传感器625

27.4航天器灭火628

27.4.1航天器灭火方法628

27.4.2航天器灭火注意事项630

参考文献638

第28章 有效载荷安全646

第29章 侧重于设计的概率风险评估649

29.1概率风险评估的基本元素649

29.1.1触发事件的识别649

29.1.2事件顺序图和事件树的应用650

29.1.3关键事件建模651

29.1.4事故场景的关联与量化652

29.2面向设计评估的概率风险评估的构建653

29.2.1概率风险评估的使用653

29.2.2基准任务653

29.3相对风险评估656

29.3.1绝对风险评估与相对风险评估的对比656

29.3.2相对风险评估在设计评估中的作用657

29.3.3定量评估658

29.4备选设计方案的相对风险评估659

29.4.1已开发的概率风险评估模型概述660

29.4.2备选设计方案的相对风险对比661

参考文献664