空间环境可分为自然环境和诱导环境。自然环境是天然存在的(如高真空、冷背景、辐射、温度等)和航天器在空间飞行必然经历的环境。诱导环境是航天器某些系统工作时或在空间环境作用下产生的环境,如轨道控制推力器点火和太阳电池翼伸展引起的振动、冲击环境,航天器上的磁性材料和电流回路在空间磁场中运动产生的感应磁场,航天器上有机材料逸出物沉积在其他部位造成的分子污染等。空间环境对航天器的运动和各系统的工作有显著影响。太阳系内的自然环境大致可分为行星际空间环境、地球空间环境和其他行星的空间环境。
空间飞行环境
航天器在宇宙空间飞行时所处的环境。简称空间环境。
- 英文名称
- space flight environment
- 简称
- 空间环境
- 所属学科
- 航空宇航科学与技术
行星际空间是一个极高真空的环境,存在着太阳连续发射的电磁辐射、爆发性的高能粒子辐射、稳定的等离子体流(称太阳风)及行星际磁场。
①太阳电磁辐射。太阳连续发射的电磁波范围从波长短于10−5纳米的γ射线到波长大于10000米的无线电波。辐射总能量的99.9%集中在0.2~10.2微米波段内。在地球大气层外距离太阳1个天文单位处,垂直于太阳入射方向的单位面积上、在单位时间内所有波段的太阳总辐射能量称为太阳常数,其值约为1353±21瓦/米2。
②太阳宇宙线。从太阳表面爆发时喷射出来的高能粒子,其主要成分(90%以上)是能量在10兆电子伏和104兆电子伏之间的质子,太阳宁静时太阳宇宙线几乎可以忽略。太阳宇宙线在太阳活动高峰年及其后2~3年内出现的概率最大,每年可达10次或更多,甚至可出现强度极大的特大爆发性事件,每次爆发的持续时间为几个小时到几天,到达地球附近时,能量大于10兆电子伏的质子的最大瞬时通量超过10质子/(厘米2·单位立体角·秒),甚至可达104质子/(厘米2·单位立体角·秒)。
③太阳风。太阳连续发射的等离子体流。在距太阳1个天文单位处,宁静太阳风的平均速度为320千米/秒,电子和质子的密度约为8个/厘米3,质子的温度约为4×104K,电子的温度约为10K。在太阳发生日冕物质抛射事件或从冕洞喷发高速太阳风时,地球附近的太阳风速度可上升至近千千米/秒,甚至高达2000千米/秒。
④行星际磁场。太阳磁场随太阳风向空间延伸形成的磁场。太阳自转和太阳风沿径向向外运动的结果使行星际磁场具有螺线式结构。磁场的主要分量在黄道面内,由几个扇形区组成。在每个扇形区内,磁场的方向一致,全部向着太阳,或全部背着太阳。相邻的两个扇形区内的磁场方向相反。
⑤银河宇宙线。来自太阳系外的宇宙空间的各种高能带电粒子,大部分是质子(约85%),其次是α粒子,还有少量其他各种原子核。宇宙线高能粒子可对航天器的电子系统产生单粒子效应等重大影响,或在长期载人航天活动(空间站、月球基地、火星载人任务等)中对宇航员身体健康产生严重损伤。
⑥微流星体。在行星际空间的运动速度极高的非常小的固体颗粒,大多直径小于1毫米,质量小于1毫克,但相对地球的速度在10~30千米/秒,对航天器表面会产生沙蚀作用。
是指地球周围的空间环境,主要包括地球高层大气、电离层和磁层中的各种环境。地球空间也存在着太阳电磁辐射,太阳宇宙线、银河宇宙线和微流星体等。
①高层大气。地球大气的密度和压强随高度的增加按指数规律迅速下降。在距离地面高度1000千米处大气压强约为10−10~10−11帕,在10000千米处约为10−14帕。大气的密度和压强还与大气的温度有密切的关系,使高层大气呈现与地方时、季节、太阳活动、地磁活动等相关的极为复杂和多变的结构。地球高层大气吸收强的太阳极紫外辐射,使得大气中的分子氧在光子的作用下分解为原子氧。原子氧是一种强氧化剂,能与有机化合物、金属表面作用,剥蚀表面材料,有的情况下产生挥发性氧化物,引起材料质量损失及性能衰退。
②电离层。地球大气部分电离的区域。从距地面约60千米处开始,太阳的电磁辐射和粒子辐射使大气的中性成分部分或全部电离,成为电子和正离子,构成电离层。电离层的电子浓度随高度而变化,常出现几个极值区,称为“层”,有D层、E层和F(F1+F2)层。电子浓度还随昼夜、季节、纬度和太阳的活动而变化。
③磁层。在地球周围被太阳风包围并受地球磁场控制的区域。地球磁场近似于偶极子磁场,太阳风将地磁场压缩在地球周围的一定空间范围内,形成地球磁层。它从距地球表面600~1000千米处开始向远处空间延伸,其外边界称为磁层顶,磁层顶朝向太阳的方向与地面的距离约为地球半径的8~11倍。磁层的形状在朝向太阳的一面很像一个略被压扁的半圆球,背向太阳的一面有一个很长的近似于圆柱形的尾部,称为磁尾。太阳风的扰动会引起地球磁层结构发生剧烈变化,有时还会发生磁层暴和磁层亚暴。在磁层亚暴时,磁尾的等离子体片中会出现3~200千电子伏的高能等离子体向地球注入,可达到地球静止卫星的轨道高度,是引起高轨卫星表面充放电效应的主要诱发源。磁层中还存在着高能带电粒子,其相对密度较大的聚集区域称为地球辐射带,又称范艾伦辐射带。辐射带高能粒子的通量较大,是引起航天器的一些材料、器件和人体辐射损伤的主要原因。在地磁暴事件约1-2天后,外辐射带中心区域附近会产生能量大于1MeV的高能电子通量剧增并持续数天的现象,称为高能电子暴,可对该区域内的中高轨卫星产生内带电效应影响。
空间探测器已经对水星、金星、火星、木星和土星等的环境进行过探测,证实这些行星空间也存在着太阳电磁辐射、太阳宇宙线、银河宇宙线和微流星体等。但对行星环境的探测工作还没有达到能准确描述的程度。
①水星。太阳系中靠太阳最近的行星。水星上大气极稀薄,昼夜温差极大,白天太阳光直射处的温度高达700K,夜间为100K。水星的磁场很弱,磁层很薄。
②金星。有极稠密的大气层,表面的大气压约为地球的90倍,主要成分是二氧化碳(占97%以上)。由于大气的“温室效应”,金星表面的温度高达465~485℃,而且昼夜温差很小。金星基本上没有磁场,没有磁层。太阳风可以与电离层直接相互作用。
③火星。火星上的大气稀薄,主要成分是二氧化碳,约占95%。表面大气压为750帕,表面温度有明显的日变化,火星的磁场很弱,磁层也很薄。
④木星。太阳系中最大的行星。木星有浓密的大气,主要的成分是氢,大气温度很低,底部的气体已经液化。木星具有很强的磁场,磁场与太阳风相互作用而形成很厚的磁层,磁层中有很强的辐射带,同时具有很强的射电辐射。
⑤土星。土星的大气成分以氢和氦为主,并含有甲烷和其他气体,大气中漂浮着由稠密的氨晶体组成的云。土星的大气温度比木星低。土星有很强的磁场,磁层的范围比地球的磁层大千余倍,但比木星的小。