空间环境及其对航天活动的影响

Click to edit Master title style,南京航空航天大学 航天学院,Body Text,Second Level,Third Level,*,空间,飞,飞行,器,器总,体,体设,计,计,第,2,章,空,空间,环,环境,及,及其,对,对航,天,天活,动,动的,影,影响,李,爽,爽,内容,大,大纲,概述,太阳,电,电磁,辐,辐射及其,对,对航,天,天活,动,动的,影,影响,地球,大,大气,地球,电,电离,层,层及其,对,对导,航,航定,位,位的,影,影响,地磁,场,场及其,对,对航,天,天器,姿,姿态,的,的影,响,响,其他,环,环境,因,因素,对,对航,天,天活,动,动的,影,影响,太阳,及,及日,地环,境,境预,报,报和,预,预警,2.1,概述,外层,空,空间,环,环境,对,对航,天,天器,的,的运,动,动和,各,各系,统,统工,作,作有,明,明显,的,的影,响,响，,这,这些,环,环境,包,包括,电,电磁,辐,辐射,、,、真,空,空、,高,高能,粒,粒子,辐,辐射,、,、等,离,离子,体,体、,微,微流,星,星体,、,、空,间,间碎,片,片、,行,行星,大,大气,、,、磁,场,场和,引,引力,场,场等,。,。,根据,各,各种,空,空间,环,环境,的,的时,间,间和,空,空间,分,分布,特,特性,，,，太,阳,阳系,内,内的,空,空间,环,环境,大,大致,可,可以,分,分为,：,：行,星,星际,空,空间,环,环境,、,、地,球,球空,间,间环,境,境和,其,其他,行,行星,空,空间,环,环境,。,。,行星,际,际空,间,间环,境,境,太阳,电,电磁,辐,辐射,太阳,宇,宇宙,线,线,太阳,风,风,行星,际,际磁,场,场,银河,宇,宇宙,线,线,微流,星,星体,和,和空,间,间碎,片,片,空间,环,环境,与,与航,天,天,范,艾伦,：,：美,国,国著,名,名的,天,天文,学,学家,，,，地,球,球物,理,理学,家,家,，,，地,球,球辐,射,射带,（,（范艾,伦,伦辐,射,射带）发,现,现者,，,，通,过,过探,险,险者,一,一号,与,与探,险,险者,三,三号,发,发现,、,、验,证,证了,近,近地,空,空间,存,存在,辐,辐射,带,带。,据统,计,计数,据,据，,16.5%,航天,故,故障,是,是由,于,于空,间,间环,境,境造,成,成的,。,。,近地,空,空间：一,般,般指,距,距离,地,地球,90,65000km,（,10,个地,球,球半,径,径）,以,以内,的,的范,围,围。,地球,引,引力,场,场对低,地,地球,轨,轨道,上,上的,航,航天,器,器轨,道,道和,姿,姿态,控,控制,影,影响,最,最大,，,，引,力,力加,速,速度,及,及重,力,力梯,度,度力,矩,矩直,接,接影,响,响总,体,体方,案,案的,选,选择,和,和控,制,制方,案,案的,选,选取,，,，重,力,力梯,度,度力,矩,矩大,小,小与,航,航天,器,器的,特,特征,长,长度,五,五次,幂,幂成,正,正比,。,。,地球,大,大气对天,地,地往,返,返运,输,输系,统,统在,进,进入,和,和返,回,回时,产,产生,气,气动,加,加热,。,。在,500km,以下,，,，大,气,气是,仅,仅次,于,于引,力,力的,第,第二,大,大因,素,素，,大,大气,阻,阻力,对,对轨,道,道维,持,持、,气,气动,力,力及,其,其力,矩,矩、,推,推进,剂,剂消,耗,耗量,影,影响,十,十分,重,重要,，,，直,接,接影,响,响着,空,空间,站,站运,营,营管,理,理的,控,控制,策,策略,，,，对,于,于大,型,型空,间,间站,气,气动,力,力矩,正,正比,于,于特,征,征尺,度,度的,三,三次,方,方，,姿,姿控,推,推进,剂,剂消,耗,耗量,正,正比,于,于特,征,征尺,寸,寸度,的,的四,次,次方,，,，轨,道,道阻,力,力补,偿,偿量,正,正比,于,于特,征,征尺,寸,寸度,的,的平,方,方。,太阳光辐,射,射和反照是空间站,热,热设计中,的,的外热源,的,的环境依,据,据，是太,阳,阳能电池,光,光源的提,供,供者，另,外,外，太阳,光,光压引力,的,的阻力和,力,力矩对空,间,间站的影,响,响不可忽,略,略。,地球磁场与空间站,剩,剩余磁矩,相,相互作用,产,产生磁力,矩,矩，产生,感,感应电位,，,，影响环,境,境参数的,测,测量和实,验,验。,等离子体对太阳能,电,电池帆板,产,产生主动,充,充电，并,且,且使电磁,波,波的折射,指,指数发生,改,改变，进,而,而改变电,磁,磁波传播,路,路径。,快速带电,粒,粒子对元器件,产,产生电离,、,、辐射损,伤,伤，导致,软,软错误，,硬,硬错误，,部,部分或永,久,久失效。,流星、人,造,造残骸对航天器,结,结构撞击,、,、磨蚀导,致,致机械损,伤,伤。,空间环境最大特点,是,是其参数,随,随时间和,空,空间不断变化而变化，,所,所以，一,成,成不变的,环,环境模型,（,（式）对,航,航天活动,而,而言是没,有,有任何价,值,值的，需,要,要进行动,态,态的补充,和,和更新。,在轨运行,的,的航天器,处,处于十分,复,复杂的空,间,间环境包,围,围之中。大气密度对低地球,轨,轨道上的,航,航天器的轨道寿命的影响很,大,大，空间带电粒子,辐,辐射对航天材料,、,、仪器设,备,备和航天,员,员都有损害,作,作用。电离层影响着无,线,线电波的,传,传播，因,而,而影响通讯、导,航,航与定位。太阳电,磁,磁辐射及,其,其反照影响航天,器,器的环境,的,的外热源。地磁场对航天器姿态控制方法有很,大,大的影响,。,。近地空,间,间的微流星和,空,空间碎片对航天器,的,的结构存在潜在,损,损害。,2.2,太阳电磁,辐,辐射及其,对,对航天活,动,动的影响,太阳是日,地空间主,要,要的辐射,源,源，辐射,类,类型包括,：,：,太阳黑子,和,和,11,年周期,黑子活动,有,有,11,年周期，称为太阳黑子,周,周。,太阳耀斑,太阳射电,发,发射,太阳电磁,辐,辐射,太阳辐射,对,对航天活,动,动的影响,在轨运行,的,的航天器,建,建立自身热平,衡,衡的主要热,源,源就是太,阳,阳能，它,是,是航天器,设,设计尤其,是,是热设计,的,的主要环,境,境条件。地球反照和地球及,其,其大气系,统,统的红外辐射也是在进,行,行航天器,热,热设计时,要,要考虑的,因,因素。,太阳的紫外辐射会使热控,表,表明深层,和,和热控材,料,料、器件,的,的潜能退化，可能导,致,致航天器,失,失去热平,衡,衡。此外,，,，紫外辐,射,射对绝缘,材,材料、光,学,学材料和,高,高分子材,料,料也十分,有,有害。,太阳电池,方,方阵功率,的,的精确计,算,算与太阳,光,光谱数据,相,相关。,太阳光压对航天器,的,的姿态控制,力,力矩估计及航,天,天器轨道保持能力都有,影,影响。,2.3,地球大气,大气模式指大气状,态,态和变化,过,过程的模,式,式，它是,以,以数学方,程,程组表示,的,的理论模,型,型。大气,模,模式是对,真,真实大气,的,的某种应,用,用的初步近,似,似，找出,某,某一过,程,程的主,要,要因子,。,。统计模,式,式以大量,的,的观测,资,资料为,基,基础，,经,经过数学处,理,理后给出,一,一定的,公,公式或,计,计算程,序,序。可,以,以查到,不,不同条,件,件下各,种,种大气结,构,构参数的时间,和,和空间,分,分布。,所,所谓大气结,构,构是指其,物,物理和,化,化学状,态,态的基,本,本参数,，,，如温度、,压,压力、,密,密度、成分,，,，以及,大,大气运,动,动的空,间,间分布,和,和随时,间,间的变,化,化。,标准大,气,气和参考大,气,气的异同,？,？（地理条,件,件和季节条,件,件）,航天领,域,域内常,用,用的大,气,气模式,主,主要包,括,括,Jacchia,模式和,Msis,模式。,Jacchia,模式主,要,要有,J65,、,J70,、,J77,，使用,了,了,1958,1975,年间,17,年的卫星阻,力,力数据，用该,模,模式进,行,行轨道,跟,跟踪测,量,量与设,计,计时与,真,真实大,气,气拟合,的,的最好,。,。,任何模,式,式都力,图,图根据,要,要求尽,可,可能的,反,反应大,气,气随季,节,节、昼,夜,夜、太,阳,阳活动,和,和纬度,的,的变化,。,。实际,上,上，真,实,实的大,气,气包括,的,的物理,过,过程很,复,复杂，,要,要从理,论,论上得,到,到大气,主,主要物,理,理量的,分,分布是,不,不现实,的,的，完,全,全从实,测,测资料,发,发现规,律,律也是,很,很困难,的,的，所,以,以现有,的,的大气,模,模式绝,大,大部分,都,都是半经验,半,半理论的。,2.4,地球电,离,离层及,其,其对导,航,航定位,的,的影响,大气层,包,包括了,两,两部分,：,：中性,大,大气和,部,部分电,离,离大气,，,，后者,对,对应于,低,低温的等离子,体,体。,电离层,对,对在其,中,中传播,的,的电磁,波,波产生折射、反射、散射、吸收和色散的现象,。,。电离,层,层改变,电,电波传,播,播路径,，,，导致,时,时延和,到,到达角,改,改变；,电,电离层,内,内的不,规,规则体,是,是经过,的,的信号,产,产生聚,焦,焦或散,焦,焦，造,成,成波能,损,损失，,信,信号失,真,真甚至,丢,丢失。,局,局部电,离,离层还,可,可能产,生,生噪声,，,，改变,天,天线的,阻,阻抗特,性,性；,航天系,统,统涉及,到,到很多,电,电波传,播,播问题,，,，比如测控系,统,统的定轨问,题,题，制导导,航,航系统的定位问,题,题。,电离层,对,对通讯,和,和航天,活,活动的,影,影响,电离层,对,对无线,电,电波的,吸,吸收（,电,电子从,无,无线电,波,波获得,的,的能量,通,通过碰,撞,撞转移,给,给大气,的,的中性,成,成分）,多普勒,频,频移（,由,由于电,离,离层的,运,运动或,电,电离层,特,特性随,时,时间变,化,化，导,致,致电波,在,在电离,层,层中传,播,播的路,径,径随时,间,间变化,，,，接收,到,到的电,波,波信号,的,的频率,发,发生了,偏,偏移）,航天器,与,与电离,层,层的相,互,互作用,等离子,体,体鞘,对航天,器,器的不,等,等量充,电,电,400,600km,高度上,航,航天器,上,上的电,流,流泄漏,2.5,地球磁,场,场及其,对,对航天,器,器姿态,影,影响,在近地,空,空间环,境,境中对,航,航天活,动,动有危,害,害的带,电,电粒子,有,有三个,来,来源，,即,即,地球辐,射,射带（范艾,伦,伦带）,，,，主要,成,成分是,质,质子和,电,电子，,被,被地球,磁,磁场所,捕,捕获，,经,经常稳,定,定地存,在,在，强,度,度大。,太阳宇,宙,宙线，主要,指,指太阳,发,发生耀,斑,斑时射,出,出的带,电,电粒子,，,，持续,时,时间短,、,、强度,大,大。,银河宇,宙,宙线，来自,银,银河系,，,，单个,粒,粒子能,量,量很高,，,，强度,却,却很小,。,。,地球磁,场,场与航,天,天器剩,余,余磁矩,相,相互作,用,用产生,磁,磁力矩,，,，有用,的,的磁力,线,线圈是,控,控制系,统,统的一,部,部分。,由,由于有,磁,磁场影,响,响改天,了,了航天,器,器本体,表,表面的,电,电磁状,态,态，并,产,产生感,应,应电位,，,，影响,对,对环境,参,参数的,测,测量和,实,实验。,地磁场,对,对航天,器,器姿控,已,已经环,控,控方案,设,设计造,成,成一定,的,的影响,。,。,2.6,其他环,境,境因素,及,及其对,航,航天活,动,动的影,响,响,微流星,，,，空间,高,高速运,动,动的、,天,天然的,微,微小颗,粒,粒。,空间碎,片,片主要,由,由在轨,工,工作和,已,已经停,止,止工作,的,的空间,