1、2023年5月13日星期六第第2章空间环境及其对航章空间环境及其对航天活动的影响天活动的影响l概述概述l太阳电磁辐射太阳电磁辐射及其对航天活动的影响及其对航天活动的影响l地球大气地球大气l地球电离层地球电离层及其对导航定位的影响及其对导航定位的影响l地磁场地磁场及其对航天器姿态的影响及其对航天器姿态的影响l其他环境因素对航天活动的影响其他环境因素对航天活动的影响l太阳及日太阳及日地环境预报和预警地环境预报和预警r2.1 概述概述l外层空间环境对航天器的运动和各系统工作有明显的影外层空间环境对航天器的运动和各系统工作有明显的影响，这些环境包括电磁辐射、真空、高能粒子辐射、等响，这些环境包括电磁辐
2、射、真空、高能粒子辐射、等离子体、微流星体、空间碎片、行星大气、磁场和引力离子体、微流星体、空间碎片、行星大气、磁场和引力场等。场等。l根据各种空间环境的时间和空间分布特性，太阳系内的根据各种空间环境的时间和空间分布特性，太阳系内的空间环境大致可以分为：行星际空间环境、地球空间环空间环境大致可以分为：行星际空间环境、地球空间环境和其他行星空间环境。境和其他行星空间环境。l太阳电磁辐射太阳电磁辐射l太阳宇宙线太阳宇宙线l太阳风太阳风l行星际磁场行星际磁场l银河宇宙线银河宇宙线l微流星体和空间碎片微流星体和空间碎片l范范艾伦：美国著名的天文学家，地球艾伦：美国著名的天文学家，地球物理学家物理学家
3、，地球辐射带（，地球辐射带（范艾伦辐射带范艾伦辐射带）发现者，通过探险者一号与探险者三）发现者，通过探险者一号与探险者三号发现、验证了近地空间存在辐射带。号发现、验证了近地空间存在辐射带。l地球引力场地球引力场对低地球轨道上的航天器轨道和姿态控制影对低地球轨道上的航天器轨道和姿态控制影响最大，引力加速度及重力梯度力矩直接影响总体方案响最大，引力加速度及重力梯度力矩直接影响总体方案的选择和控制方案的选取，重力梯度力矩大小与航天器的选择和控制方案的选取，重力梯度力矩大小与航天器的特征长度五次幂成正比。的特征长度五次幂成正比。l地球大气地球大气对天地往返运输系统在进入和返回时产生气动对天地往返运输系
4、统在进入和返回时产生气动加热。在加热。在500km500km以下，大气是仅次于引力的第二大因以下，大气是仅次于引力的第二大因素，大气阻力对轨道维持、气动力及其力矩、推进剂消素，大气阻力对轨道维持、气动力及其力矩、推进剂消耗量影响十分重要，直接影响着空间站运营管理的控制耗量影响十分重要，直接影响着空间站运营管理的控制策略，对于大型空间站气动力矩正比于特征尺度的三次策略，对于大型空间站气动力矩正比于特征尺度的三次方，姿控推进剂消耗量正比于特征尺寸度的四次方，轨方，姿控推进剂消耗量正比于特征尺寸度的四次方，轨道阻力补偿量正比于特征尺寸度的平方。道阻力补偿量正比于特征尺寸度的平方。l太阳光辐射和反照太
5、阳光辐射和反照是空间站热设计中的外热源的环境依是空间站热设计中的外热源的环境依据，是太阳能电池光源的提供者，另外，太阳光压引力据，是太阳能电池光源的提供者，另外，太阳光压引力的阻力和力矩对空间站的影响不可忽略。的阻力和力矩对空间站的影响不可忽略。l地球磁场地球磁场与空间站剩余磁矩相互作用产生磁力矩，产生与空间站剩余磁矩相互作用产生磁力矩，产生感应电位，影响环境参数的测量和实验。感应电位，影响环境参数的测量和实验。l等离子体等离子体对太阳能电池帆板产生主动充电，并且使电磁对太阳能电池帆板产生主动充电，并且使电磁波的折射指数发生改变，进而改变电磁波传播路径。波的折射指数发生改变，进而改变电磁波传播
6、路径。l快速带电粒子快速带电粒子对元器件产生电离、辐射损伤，导致软错对元器件产生电离、辐射损伤，导致软错误，硬错误，部分或永久失效。误，硬错误，部分或永久失效。l流星、人造残骸流星、人造残骸对航天器结构撞击、磨蚀导致机械损伤对航天器结构撞击、磨蚀导致机械损伤。l空间环境空间环境最大特点是其参数随时间和空间最大特点是其参数随时间和空间不断变化不断变化而变而变化，所以，一成不变的环境模型（式）对航天活动而言化，所以，一成不变的环境模型（式）对航天活动而言是没有任何价值的，需要进行动态的补充和更新。是没有任何价值的，需要进行动态的补充和更新。l在轨运行的航天器处于十分复杂的空间环境包围之中。在轨运行
7、的航天器处于十分复杂的空间环境包围之中。大气密度大气密度对低地球轨道上的航天器的对低地球轨道上的航天器的轨道寿命轨道寿命的影响很的影响很大，空间大，空间带电粒子辐射带电粒子辐射对对航天材料、仪器设备和航天员航天材料、仪器设备和航天员都有损害作用。都有损害作用。电离层电离层影响着无线电波的传播，因而影影响着无线电波的传播，因而影响响通讯、导航与定位通讯、导航与定位。太阳电磁辐射及其。太阳电磁辐射及其反照反照影响航天影响航天器的环境的器的环境的外热源外热源。地磁场地磁场对航天器对航天器姿态控制姿态控制方法有很方法有很大的影响。近地空间的大的影响。近地空间的微流星和空间碎片微流星和空间碎片对航天器的
8、对航天器的结结构构存在潜在损害。存在潜在损害。r2.2 太阳电磁辐射及其对航天活动的影响太阳电磁辐射及其对航天活动的影响 太阳是日太阳是日地空间主要的辐射源，辐射类型包括：地空间主要的辐射源，辐射类型包括：l太阳黑子和太阳黑子和1111年周期年周期 黑子活动有黑子活动有1111年周期年周期，称为，称为太阳黑子周太阳黑子周。l太阳耀斑太阳耀斑l太阳射电发射太阳射电发射l太阳电磁辐射太阳电磁辐射l在轨运行的航天器建立在轨运行的航天器建立自身热平衡自身热平衡的主要热源就是太阳的主要热源就是太阳能，它是航天器设计尤其是热设计的主要环境条件。能，它是航天器设计尤其是热设计的主要环境条件。地地球反照球反照
9、和地球及其大气系统的和地球及其大气系统的红外辐射红外辐射也是在进行航天也是在进行航天器热设计时要考虑的因素。器热设计时要考虑的因素。l太阳的太阳的紫外辐射紫外辐射会使热控表明深层和热控材料、器件的会使热控表明深层和热控材料、器件的潜能潜能退化退化，可能导致航天器失去热平衡。此外，紫外辐，可能导致航天器失去热平衡。此外，紫外辐射对绝缘材料、光学材料和高分子材料也十分有害。射对绝缘材料、光学材料和高分子材料也十分有害。l太阳电池方阵功率的精确计算与太阳光谱数据相关。太阳电池方阵功率的精确计算与太阳光谱数据相关。l太阳光压太阳光压对航天器的对航天器的姿态控制力矩姿态控制力矩估计及航天器估计及航天器轨
10、道保轨道保持持能力都有影响。能力都有影响。r2.3 地球大气地球大气 l大气模式大气模式指大气状态和变化过程的模式，它是以数学方指大气状态和变化过程的模式，它是以数学方程组表示的理论模型。大气模式是对真实大气的某种应程组表示的理论模型。大气模式是对真实大气的某种应用的用的初步近似初步近似，找出某一过程的主要因子。，找出某一过程的主要因子。统计模式统计模式以以大量的观测资料为基础，经过大量的观测资料为基础，经过数学处理数学处理后给出一定的公后给出一定的公式或计算程序。可以查到不同条件下各种式或计算程序。可以查到不同条件下各种大气结构参数大气结构参数的时间和空间分布。所谓的时间和空间分布。所谓大气
11、结构大气结构是指其物理和化学状是指其物理和化学状态的基本参数，如态的基本参数，如温度、压力、密度温度、压力、密度、成分，以及大气、成分，以及大气运动的空间分布和随时间的变化。运动的空间分布和随时间的变化。l标准大气和标准大气和参考大气参考大气的异同？（的异同？（地理条件地理条件和和季节条件季节条件）l航天领域内常用的大气模式主要包括航天领域内常用的大气模式主要包括JacchiaJacchia模式模式和和MsisMsis模式模式。Jacchia Jacchia模式主要有模式主要有J65J65、J70J70、J77J77，使，使用了用了1958195819751975年间年间1717年的年的卫星阻
12、力数据卫星阻力数据，用该模式，用该模式进行轨道跟踪测量与设计时与真实大气拟合的最好。进行轨道跟踪测量与设计时与真实大气拟合的最好。l任何模式都力图根据要求尽可能的反应大气随季节、昼任何模式都力图根据要求尽可能的反应大气随季节、昼夜、太阳活动和纬度的变化。实际上，真实的大气包括夜、太阳活动和纬度的变化。实际上，真实的大气包括的物理过程很复杂，要从理论上得到大气主要物理量的的物理过程很复杂，要从理论上得到大气主要物理量的分布是不现实的，完全从实测资料发现规律也是很困难分布是不现实的，完全从实测资料发现规律也是很困难的，所以现有的大气模式绝大部分都是的，所以现有的大气模式绝大部分都是半经验半理论半经
13、验半理论的的。r2.4 l大气层包括了两部分：中性大气和部分电离大气，后者大气层包括了两部分：中性大气和部分电离大气，后者对应于低温的对应于低温的等离子体等离子体。l电离层对在其中传播的电磁波产生电离层对在其中传播的电磁波产生折射折射、反射反射、散射散射、吸收吸收和和色散色散的现象。电离层改变电波传播路径，导致时的现象。电离层改变电波传播路径，导致时延和到达角改变；电离层内的不规则体是经过的信号产延和到达角改变；电离层内的不规则体是经过的信号产生聚焦或散焦，造成波能损失，信号失真甚至丢失。局生聚焦或散焦，造成波能损失，信号失真甚至丢失。局部电离层还可能产生噪声，改变天线的阻抗特性；部电离层还可
14、能产生噪声，改变天线的阻抗特性；l航天系统涉及到很多电波传播问题，比如航天系统涉及到很多电波传播问题，比如测控系统测控系统的的定定轨问题轨问题，制导导航制导导航系统的系统的定位问题定位问题。l电离层对无线电波的吸收（电子从无线电波获得的能量电离层对无线电波的吸收（电子从无线电波获得的能量通过碰撞转移给大气的中性成分）通过碰撞转移给大气的中性成分）l多普勒频移（由于电离层的运动或电离层特性随时间变多普勒频移（由于电离层的运动或电离层特性随时间变化，导致电波在电离层中传播的路径随时间变化，接收化，导致电波在电离层中传播的路径随时间变化，接收到的电波信号的频率发生了偏移）到的电波信号的频率发生了偏移
15、）l航天器与电离层的相互作用航天器与电离层的相互作用l等离子体鞘等离子体鞘l对航天器的不等量充电对航天器的不等量充电l400400600km600km高度上航天器上的电流泄漏高度上航天器上的电流泄漏r2.5 在近地空间环境中对航天活动有危害的带电粒子有三个在近地空间环境中对航天活动有危害的带电粒子有三个来源，即来源，即l地球辐射带地球辐射带（范艾伦带），主要成分是质子和电子，被（范艾伦带），主要成分是质子和电子，被地球磁场所捕获，经常稳定地存在，强度大。地球磁场所捕获，经常稳定地存在，强度大。l太阳宇宙线太阳宇宙线，主要指太阳发生耀斑时射出的带电粒子，主要指太阳发生耀斑时射出的带电粒子，持续时
16、间短、强度大。持续时间短、强度大。l银河宇宙线银河宇宙线，来自银河系，单个粒子能量很高，强度却，来自银河系，单个粒子能量很高，强度却很小。很小。l地球磁场与航天器剩余磁矩相互作用产生磁力矩，有用地球磁场与航天器剩余磁矩相互作用产生磁力矩，有用的磁力线圈是控制系统的一部分。由于有磁场影响改天的磁力线圈是控制系统的一部分。由于有磁场影响改天了航天器本体表面的电磁状态，并产生感应电位，影响了航天器本体表面的电磁状态，并产生感应电位，影响对环境参数的测量和实验。对环境参数的测量和实验。l地磁场对航天器姿控已经环控方案设计造成一定的影响地磁场对航天器姿控已经环控方案设计造成一定的影响。r2.6 l微流星，空间高速运动的、天然的微小颗粒。微流星，空间高速运动的、天然的微小颗粒。l空间碎片主要由在轨工作和已经停止工作的空间飞行器空间碎片主要由在轨工作和已经停止工作的空间飞行器及其爆炸残骸、火箭的排放物组成。及其爆炸残骸、火箭的排放物组成。
