空间飞行器设计-第3讲

单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第三讲 近地空间环境,1,航天器在空间飞行时所处的环境（包括自然的和人为的）称为,空间环境,。,太阳系内的空间环境可分为：,地球空间环境,行星际空间环境,其他行星空间环境,大多数航天器运行在近地空间。,2,3.1 地球空间环境,3.1.1 地球的数学描述,采用国际大地测量与地球物理联合会（IUGG-1975）推荐值,参考椭球体：长半径,a,=6378.14km,短半径,b,=6356.76km,扁率,f,=1/298.257,引力常数,GM=3.98600510,5,km,3,/s,2,地球大气层以外的领域通称宇宙空间（外层空间、太空）,太阳系内宇宙空间分为：,行星空间、行星际空间。,行星空间指行星引力作用的范围,行星际指行星间其他空间。,3,表面重力加速度：,标准值,g,0,9.80665 m/s,2,45纬度处,g,45,9.80612 m/s,2,其他纬度处,g,9.78031(1+0.005302sin,2,- 0.000006sin,2,2,),半径向量,a,(1 - 0.00336317sin,2,0.00000639sin,2,2,),式中，, 地理纬度。,4,3.1.2 近地空间（Near-earth Space),地球引力作用以内的区域称为,地球空间,， 为一个球体：,R,9.310,5,km(约150个地球半径),平均地月距离：,e,EM, 3.8410,5,km（384404km,约60个地球半径）,月球对地球也有其作用空间：,R,月, 6.610,4,km,5,3.1.2 近地空间,深层空间,(深空，Deep Space)：,近地空间,（Near-earth Space）：,100km,R,35786km (地球静止轨道);,也有人定义为90km,R,6.510,4,km(10,R,E,).,影响航天器活动的因素：,地球大气、地球电离层、地球磁场、太阳电子辐射、空间离子辐射。,深空,6,3.2 地球大气,大气质量,m,大气,5.1310,18,kg，占地球质量的百万分之0.86。90%以上集中在15km高度以内，99.9%在50km高度以内，2000km以上及其稀薄。,地球大气指由地球引力场和地磁场束缚，位于地球表面和水圈之上的气体层。,7,图3.1 地球大气层,8,3.2.1 地球大气的结构,按温度垂直分布特性分为以下五层：,1.对流层：南北极78km，赤道上1618km，中高纬度处812km。占3/4空气质量，空气状况经常变化，风雨雷电在此发生。,2.平流层：,50km，大气无上下对流，只有水平方向的流动，空气质量占1/4。20km以下温度一般保持在216.65K,(-56.5,),。2032km气温逐渐升高。层内水蒸气、尘埃很少。,9,3.中间层：,80km，空气只有1/3000。5053km之间，气温随高度上升，达282K,0,，以后下降，到80km处降为196.86K。,4. 热层：,400km。80km以上，气温随高度上升，到150km处，达1000K。 在400km处，达15001600K。,5. 外层：4001600km。 大气边界位于20003000km。,10,图3.2 地球大气温度随高度的变化关系,11,按大气被电离情况, 分为电离层和非电离层：,非电离层,：,H,1，超重力状态；,K,1，在水准面上，称1g,0,状态；,10,4,K,1，低重力状态；,10,7,K,10,4,，微重力状态，称,g,0,状态,。,40,2. 微重力物理现象,液体的对流、沉降、分层、静压力等均有不同程度的减弱或消失，表面张力特别突出。统称微重力物理现象。具体表现在：,(1)晶体的生长,在1,g,0,状态下，溶液的对流使生成的晶体出现条纹，生长的树状晶体形成结构严重缺陷；,在,g,0,状态，由于对流现象减弱，晶体均匀，结构完整，颗粒较大，强度较高。,41,(2)合金的形成,在1,g,0,状态下，重力的沉降使合金内部出现不均匀性; 在,g,0,状态，,沉降作用十分微弱，无需搅拌而获得的合金十分均匀。,(3) 微重力生理现象,航天员刚进入失重状态时，有心悸、感觉错,误等不舒适现象。长期处于失重环境，可能引起某些疾病。,失重对人体免疫力和遗传情况也有不同程度,影响。,42,4.微重力对空间飞行的影响,在,g,0,状态，还会产生一些异常现象。,如，火箭的液体推进剂会在储箱中飘浮，造成严重 事故。,图3.9 失重状态下推进剂的漂浮现象,43,3.6 空间碎片,航天活动在太空留下的人造物体称为空间碎片，也称空间垃圾。,2006年2月3日，国际空间站抛出一个特别的卫星，太空服卫星一号(SuitSat-1)，这个卫星是一个经过改装的俄罗斯退役航天服。,44,3.6.1 空间碎片的来源,美、俄是空间碎片的最大制造者。只在1978-1981，1989-1992出现负增长。,(1)工作产生的碎片,失效的有效载荷、卫星发射或工作时抛弃的物体，如镜头盖、分离装置和包装部件、起旋装置、空推进剂箱、已燃尽和未使用的火箭体、有效载荷整流罩、航天器丢弃物等。,45,图3.10 记录在册的空间物体数,1986，1993年发生的Ariana和质子号末级爆炸，使该两个年度空间碎片陡增。,46,(2),碎裂生产的碎片,碎裂原因：,内部装置，如蓄电池等装置的爆炸,推进剂箱的爆炸(属高能爆炸)，,Delta火箭末节,充压箱爆炸(属低能爆炸),故意炸毁,(3),老化生产的碎片,航天器表面长期暴露在真空环境中会逐渐分解、剥蚀产生微小的空间碎片。,也有热防护层和隔热材料因老化分解而脱落。,47,(4),固体火箭发动机粒子,固体发动机燃料喷出的粒子(氧化铝) ，尺寸小，约0.1mm以下。对处于该环境下的空间飞行器表面有有腐蚀和污染作用，影响光学镜头、太阳能电池的性能等。,不过，由于粒子质量小，发动机工作时停泊的轨道低，陨落快，只有少数粒子在太阳光压作用下扩散，其影响只是短期的。,48,3.6.2 空间碎片的数量、分类与分布,美国通过地面空间监视网（SSN）进行观测。,大碎片：,直径大于10cm,风险碎片：,直径大于1cm 、小于10cm,小碎片：,直径小于1cm,轨道越高，空间碎片最小尺寸越大。,1000km高度处，空间物体最多。大碎片数量很少，但质量总数占99.93%。,49,3.6.3 空间碎片对航天器的影响,直径小于0.01cm的碎片会使航天器表面产生凹陷和剥蚀，长期与卫星碰撞会造成累积影响。,直径为0.011cm的碎片影响视航天器耐受性和防护措施。比如直径为0. 1cm的碎片会对卫星结构造成损害。,直径大于1cm的碎片将对航天器造成灾难性的破坏。,50,目前，航天器上实际采取的防护措施能抵御直径小于1cm、质量小于1.46g的空间碎片；对2cm的碎片，不能有效地防护；对于大于2cm碎片，唯一的方法是躲避。,幸而大多数航天器尺度为中等大小，遇到2cm以上空间碎片概率极小；对大尺寸航天器则需专门研究其防护措施。,在地球同步轨道内，空间碎片密度较低、空间物体相对速度较小(约为低轨道处1/10),碎片破坏性相应较小。,51,目前太空碎片数量已超过了3000万个。,我国对空间碎片的研究起步晚，在神二、神三、神四的时候都没有成熟的成果应用，神五的时候在前期工作的基础上做了一些比较简单的东西，当时也是起了一定的作用。,神五飞船曾经和一个空间碎片擦身而过，当时概率比较高，所幸后来是有惊无险。,“神六”轨道附近有500个左右空间碎片，不过，都是哪些碎片还不是很清楚。,“中国科学院空间目标与碎片观测研究中心”,2005年3月在中科院紫金山天文台成立，将为中国在空间航天领域建起安全预警系统。,52,美国1997年发射的一颗卫星,（铱33）,，在美国东部时间2009年2月10日上午11时55分(北京时间11日0时55分)，与俄罗斯一颗,1993年发射的、现已报废的卫星,相撞，地点位于西伯利亚上空；这是,历史上首次卫星相撞事故,。,俄罗斯Cosmos 2251,“铱33”,模拟动画,53,