行星际空间环境对航天器的影响

行星际空间环境对航天器的影响摘要：本文简要介绍了近地空间环境的概念及其特点，分析了航天器所处空间环境的复杂性及多变性。与地球轨道航天器相比，行星际探测任务可能会遭受更加恶劣的空间环境，因此简要介绍了行星际空间环境对航天器的影响。关键词：空间环境；行星际探测器；航天器；极端环境1.空间环境简介空间环境是影响航天器寿命以及可靠性的主要因素，航天器所处空间环境主要为近地空间环境，近地空间环境包含高层大气、高能粒子、等离子体、流星体和空间碎片等，空间环境对航天器的影响并不单单是某一个环境因素的作用，通常情况下，是某两个或某些环境因素共同作用[1]。由于不同航天器的工作任务不同，因此航天器有着自己特定的轨道，不同轨道航天器所处的主要空间环境也有所差异，了解不同轨道卫星所处的空间环境对航天器进行针对性防护，从而保证航天器在轨正常运行。按影响分类，近地空间环境特指对航天器天基活动构成影响的所有环境因素，包括各种能量和成分的带电粒子、中性粒子、微流星、空间碎片、各波段的电磁辐射、电场、磁场、微重力场、真空和温度等。按区域分类，近地空间环境包括地球中高层大气、电离层、磁层、行星际空间和太阳[2]。1.1太阳大气太阳表面的高温气体可分为色球和日冕区。太阳表面发出强烈的电磁辐射，频谱极宽，按波长从长到短划分为：无线电波、微波、红外辐射、可见光、紫外辐射、X射线和能量极高的伽玛射线。其中紫外射线、X射线的能量高、流量大，可以使地球高层大气温度增高，大气密度上升，同时使大气的分子、原子电离而形成电离层。其强度变化也很大，太阳爆发时的强度可达到平静时的数百倍，是近地空间和地球高层大气扰动的根源[2]。1.2行星际空间行星际空间是太阳系内围绕着太阳和行星的空间，这个区域由行星际介质主导，向外一直延伸到太阳圈，在那儿银河系的环境开始影响到伴随着太阳磁场的粒子流量，并且超越太阳磁场成为主导。行星际空间由太阳风来定义，来自太阳连绵不绝的带电粒子创造了稀薄的大气圈(称为太阳圈)，深入太空中数十亿英里。风中的质点密度为5-10质子/cm，并且以350-400km/s的速度在移动[3]。太阳圈的距离和强度与太阳风活动的程度息息相关。自1995年起发现系外行星的意义为其它的恒星也有能力拥有自己的行星际介质。1.3磁层和辐射带在太阳风的作用下，地球磁场屏蔽在一个空穴里，形成磁层，其边界为磁层顶。磁层结构复杂。在向阳面，磁层顶距地球约有10余个地球半径。在背阳面，磁层有一个很长的柱形尾巴，称为磁尾。磁层内有高能粒子组成的辐射带和低能粒子组成的等离子体层、等离子体片、等离子体幔，以及环电流等。磁层是地球控制的最外层区域，它直接与太阳风、行星际磁场接触。太阳和行星际磁场的扰动和变化首先影响磁层，导致磁扰，严重时将产生磁暴、磁层亚暴等。这一变化的扰动还将耦合给电离层和高层大气，如发生电离层暴等。1.4高层大气根据大气的温度、密度及运动特征，大气层可分成对流层、平流层、中层、热层和外逸层。离地面约30km处还有一臭氧层(O3)。从地面至15km为对流层，该层大气受地面影响大，大气对流强烈；(15～50)km为平流层，该层大气流比较平稳；(50～80)km为中层；80km以上大气温度急剧上升，至(300~400)km以上接近恒温，温度可达1000K以上，故而称为热层；1000km以上，大气分子有可能克服地球引力而逃逸，因此称为外逸层[3]。1.5电离层从离地面60km高度开始，部分大气分子被太阳电磁辐射、粒子辐射电离，形成一个由电子、正离子和负离子以及中性粒子组成的空间电离介质区域。这个存在于高层大气中的电离介质区域被称为电离层。电离层一直延伸到大气层外缘几千公里高度的空间。2行星际空间环境的特点太阳表面不断向外喷发由电子和离子(主要是质子)组成的等离子体，即太阳风。平静时的太阳风速度约为400km／s，在地球轨道附近的粒子密度为(1～10)个／cm。在向外运动的过程中，太阳风还携带了太阳表面的磁场，构成行星际磁场，此磁场会和地球磁场发生相互作用从而在地球两极外各形成一个漏斗区（如图1所示）。太阳表面发生强烈爆发时，或者在所谓的“日冕物质抛射”时，向外喷发出密度和速度都要比背景太阳风高很多的高速太阳风，在背景太阳风中产生“激波”形式的扰动[4-7]。行星际空间的体积内几乎是纯粹的真空，在地球轨道附近的平均自由半径大约是1天文单位。但是，这个空间并非完全的真空，到处都充满著稀疏的宇宙线，包括电离的原子核和各种的次原子粒子。这儿也有气体、等离子和尘粒、小流星体和到目前为止已经被微波光谱仪发现的数十种不同有机分子[8]。宇宙线是指存在于宇宙空间的能量较高的带电粒子，它是宇宙空间的一种物质。宇宙线部分来自银河系，叫做银河宇宙线，能量在(10～10)eV之间，强度约为几个粒子／(cm2·s)[10]。还有部分来自太阳，叫做太阳宇宙线，能量在(10～10)eV之间，太阳爆发时，其强度可达10粒子／(cm2·s)[9]。这种太阳突然发射高能带电粒子的现象，称为太阳质子事件。宇宙线的主要成分是质子，其次是a粒子，其他重核成分则不到1％。太阳宇宙线中还有少量的电子。流星体是宇宙空间高速运动的物质，相对地球的速度在(11～72)km／s之间，平均速度约为20km／s[10]。空间碎片是人类遗弃在空间的航天器和它们的碎片。由于都是在围绕地球的轨道上运动，它们对航天器构成的威胁将随着航天活动的增加而增加。图1行星际磁场与地球磁场的相互作用因此行星际空间是一个有着稀疏磁场，且充满高能粒子和空间碎片的等离子体环境。近地空间环境及太阳对地球空间环境的影响如图2所示。3行星际空间环境对航天器的影响航天器所处环境不同于地球表面，因此航天器以及航天器携带的仪器极易受空间环境影响。受等离子体、高能粒子、太阳辐射等空间环境的影响，航天器表面及介质材料会发生静电电荷的积累、泄放，这一过程称为航天器的充放电过程。通常情况下，航天器在充放电过程中会对仪器造成损伤、损坏，影响航天器的正常运行，进而可能造成航天器瘫痪。下面将从真空环境、高能粒子、等离子环境以及空间碎片四个方面简述行星际空间环境对航天器的影响。图2太阳对地球空间环境的影响3.1真空环境的影响由于地球引力的作用，地球表面包裹着一层厚厚的大气，但随着高度增加，地球引力不断减小，空气浓度也会降低，而大部分航天器工作在真空度较高的空间环境中，因此，真空环境对航天器影响是必须考虑的重要因素。1970年，阿波罗l3号在运行过程中，2号贮氧罐由于压力差效应发生爆炸，破坏了航天器上的氢氧燃料，致使航天器供电系统瘫痪，从而导致宇航任务被迫放弃。3.2高能粒子的影响高能带电粒子具有很强的穿透能力，对航天器上的太阳能电池、表面材料、结构材料、电子元器件造成严重危害。高能粒子作用到航天器电路上，会引发单粒子翻转(SEU)事件、单粒子锁定(SEL)事件以及辐照损伤，导致航天器上仪器功能降低[11]。3.3等离子体的影响空间环境存在大量等离子体，除了地球磁层外，由太阳活动产生的太阳风中也存在着大量等离子体，等离子体与航天器相互作用对航天器有着巨大影响，主要包括：影响飞行器的轨道飞行姿态；静电放电产生电磁脉冲，对星载仪器造成不同程度的损伤；作用于星上太阳电池板，引发电池阵列放电，破坏星上供电系统；形成静电电场，影响航天器上仪器测量结果。等离子体对航天器的充电包括：表面充电和内部充电,我国利用sJ-4卫星进行了航天器表面充电试验，测得表面充电电位可达2000V[12]。由于等离子体造成的卫星表面放电，欧空局MARECS．A卫星上太阳能电池板严重损坏，直接导致卫星失效[13]。3.4空间碎片和流星体的影响空间碎片和流星体虽然在行星际空间中的密度较小，但是它们具有极大的动能，一旦与航天器相碰撞，将会造成相当严重的后果。1981年7月，前苏联的“宇宙1275”导航卫星在美国阿拉斯加上空爆炸，被认为是空间碎片击中所致。4结束语航天工程的发展史令人信服地证明，几乎所有的空间环境参数对航天器的运行均有重要影响。据不完全统计，迄今为止，全世界共发生446起航天事故[14]。由于空间环境因素而导致航天器异常或故障的事例不胜枚举，人类有时因对环境不够了解而付出了沉重的代价，有时则因对其有充分认识并采取了有效措施而避免了灾难。因此，充分认识空间环境及其对航天器的影响，加强对策研究，并在航天器设计、制造和运行中充分加以考虑是十分必要的。参考文献[1]周立栋,孙永卫,蒙志成.复杂太空环境对航天器的影响[J].飞航导弹,2017,(7):65-68,76.DOI:10.16338/j.issn.1009-1319.2017.07.14.[2]朱光武,李保权.空间环境对航天器的影响及其对策研究[J].上海航天,2002,19(5):1-7.[3]杨晓超，王春琴，荆涛，等．中高地球轨道高能粒子辐射环境分析．第二十六届全国空间探测学术研讨会，2013[4]YingD.Liu,JanetG.Luhmann,.Observationsofanextremestormininterplanetaryspacecausedbysuccessivecoronalmassejections[c].NatureCommunications,2014[5]MrigakshiAI,MatthiäD,BergerT,etal.HowGalacticCosmicRaymodelsaffecttheestimationofradiationexposureinspace[J].AdvancesinSpaceResearch,2013,51(5):825-834.[6]BarthJLspaceandatmosphericenvironments：fromlowEarthorbitstodeepspace[M]．springerNetherlands，2006[7]TsurutanilBT，KallenrodeMB，KemsknRP．RadiationenvironmentneartheSun：S0larProbe[c]．Assesstheradiationenvironmentnearthesun，2000[8]CharanDwivediV,TiwariDP,AgrawalSP.StudyoftheLong-VariabilityofInterplanetaryParametersandTheirImpactonGeomagneticField[J].2010.[9]薛丙森,叶宗海.近地轨道宇宙线的强度分布[J].宇航学报,1998,19(2):99-104.[10]王荣华,张鹏锐,李锡元.空间环境及其对航空活动的影响[C]//空间环境及其应用专题研讨会论文摘要集.2006.[11]杨晓超，王春琴，荆涛，等．中高地球轨道高能粒子辐射环境分析．第二十六届全国空间探测学术研讨会，2013[12]师立勤，都亨，古土芳．实践四号卫星静电分析器和电位差计探测结果分析．航天工程，1995，4(3)[13]齐章年．载人飞船舱内的辐射剂量及其防护．空间科学学报，1993，13(3)[14]张兆明．盘点世界著名的航天事故．地理教育，2015(1)