1、空間飛行器總體設計第2章 空間環境及其對航天活動的影響李 爽內容大綱概述太陽電磁輻射及其對航天活動的影響地球大氣地球電離層及其對導航定位的影響地磁場及其對航天器姿態的影響其他環境要素對航天活動的影響太陽及日地環境預告和預警2.1 概述外層空間環境對航天器的運動和各系統任務有明顯的影響，這些環境包括電磁輻射、真空、高能粒子輻射、等離子體、微流星體、空間碎片、行星大氣、磁場和引力場等。根據各種空間環境的時間和空間分布特性，太陽系內的空間環境大致可以分為：行星際空間環境、地球空間環境和其他行星空間環境。 行星際空間環境太陽電磁輻射太陽宇宙線太陽風行星際磁場銀河宇宙線微流星體和空間碎片空間環境與航天范

2、艾倫：美國著名的天文學家，地球物理學家 ，地球輻射帶范艾倫輻射帶發現者，經過探險者一號與探險者三號發現、驗證了近地空間存在輻射帶。據統計數據，16.5%航天缺點是由于空間環境呵斥的。近地空間：普通指間隔地球9065000km10個地球半徑以內的范圍。地球引力場對低地球軌道上的航天器軌道和姿態控制影響最大，引力加速度及重力梯度力矩直接影響總體方案的選擇和控制方案的選取，重力梯度力矩大小與航天器的特征長度五次冪成正比。地球大氣對天地往返運輸系統在進入和前往時產生氣動加熱。在500km以下，大氣是僅次于引力的第二大要素，大氣阻力對軌道維持、氣動力及其力矩、推進劑耗費量影響非常重要，直接影響著空間站運

3、營管理的控制戰略，對于大型空間站氣動力矩正比于特征尺度的三次方，姿控推進劑耗費量正比于特征尺寸度的四次方，軌道阻力補償量正比于特征尺寸度的平方。太陽光輻射和反照是空間站熱設計中的外熱源的環境根據，是太陽能電池光源的提供者，另外，太陽光壓引力的阻力和力矩對空間站的影響不可忽略。地球磁場與空間站剩余磁矩相互作用產生磁力矩，產生感應電位，影響環境參數的丈量和實驗。等離子體對太陽能電池帆板產生自動充電，并且使電磁波的折射指數發生改動，進而改動電磁波傳播途徑。快速帶電粒子對元器件產生電離、輻射損傷，導致軟錯誤，硬錯誤，部分或永久失效。流星、人造殘骸對航天器構造撞擊、磨蝕導致機械損傷。空間環境最大特點是其

4、參數隨時間和空間不斷變化而變化，所以，一成不變的環境模型式對航天活動而言是沒有任何價值的，需求進展動態的補充和更新。在軌運轉的航天器處于非常復雜的空間環境包圍之中。大氣密度對低地球軌道上的航天器的軌道壽命的影響很大，空間帶電粒子輻射對航天資料、儀器設備和航天員都有損害作用。電離層影響著無線電波的傳播，因此影響通訊、導航與定位。太陽電磁輻射及其反照影響航天器的環境的外熱源。地磁場對航天器姿態控制方法有很大的影響。近地空間的微流星和空間碎片對航天器的構造存在潛在損害。2.2 太陽電磁輻射及其對航天活動的影響 太陽是日地空間主要的輻射源，輻射類型包括：太陽黑子和11年周期 黑子活動有11年周期，稱為

5、太陽黑子周。太陽耀斑太陽射電發射太陽電磁輻射太陽輻射對航天活動的影響在軌運轉的航天器建立本身熱平衡的主要熱源就是太陽能，它是航天器設計尤其是熱設計的主要環境條件。地球反照和地球及其大氣系統的紅外輻射也是在進展航天器熱設計時要思索的要素。太陽的紫外輻射會使熱控闡明深層和熱控資料、器件的潛能退化，能夠導致航天器失去熱平衡。此外，紫外輻射對絕緣資料、光學資料和高分子資料也非常有害。太陽電池方陣功率的準確計算與太陽光譜數據相關。太陽光壓對航天器的姿態控制力矩估計及航天器軌道堅持才干都有影響。2.3 地球大氣 大氣方式指大氣形狀和變化過程的方式，它是以數學方程組表示的實際模型。大氣方式是對真實大氣的某種

6、運用的初步近似，找出某一過程的主要因子。統計方式以大量的觀測資料為根底，經過數學處置后給出一定的公式或計算程序。可以查到不同條件下各種大氣構造參數的時間和空間分布。所謂大氣構造是指其物理和化學形狀的根本參數，如溫度、壓力、密度、成分，以及大氣運動的空間分布和隨時間的變化。規范大氣和參考大氣的異同？地理條件和季節條件航天領域內常用的大氣方式主要包括Jacchia方式和Msis方式。 Jacchia方式主要有J65、J70、J77，運用了19581975年間17年的衛星阻力數據，用該方式進展軌道跟蹤丈量與設計時與真實大氣擬合的最好。任何方式都力圖根據要求盡能夠的反響大氣隨季節、晝夜、太陽活動和緯度

7、的變化。實踐上，真實的大氣包括的物理過程很復雜，要從實際上得到大氣主要物理量的分布是不現實的，完全從實測資料發現規律也是很困難的，所以現有的大氣方式絕大部分都是半閱歷半實際的。2.4 地球電離層及其對導航定位的影響大氣層包括了兩部分：中性大氣和部分電離大氣，后者對應于低溫的等離子體。電離層對在其中傳播的電磁波產生折射、反射、散射、吸收和色散的景象。電離層改動電波傳播途徑，導致時延和到達角改動；電離層內的不規那么體是經過的信號產生聚焦或散焦，呵斥波能損失，信號失真甚至喪失。部分電離層還能夠產生噪聲，改動天線的阻抗特性；航天系統涉及到很多電波傳播問題，比如測控系統的定軌問題，制導導航系統的定位問題

8、。電離層對通訊和航天活動的影響電離層對無線電波的吸收電子從無線電波獲得的能量經過碰撞轉移給大氣的中性成分多普勒頻移由于電離層的運動或電離層特性隨時間變化，導致電波在電離層中傳播的途徑隨時間變化，接納到的電波信號的頻率發生了偏移航天器與電離層的相互作用等離子體鞘對航天器的不等量充電400600km高度上航天器上的電流走漏2.5 地球磁場及其對航天器姿態影響 在近地空間環境中對航天活動有危害的帶電粒子有三個來源，即地球輻射帶范艾倫帶，主要成分是質子和電子，被地球磁場所捕獲，經常穩定地存在，強度大。太陽宇宙線，主要指太陽發生耀斑時射出的帶電粒子，繼續時間短、強度大。銀河宇宙線，來自銀河系，單個粒子能量很高，強度卻很小。地球磁場與航天器剩余磁矩相互作用產生磁力矩，有用的磁力線圈是控制系統的一部分。由于有磁場影響改天了航天器本體外表的電磁形