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1、空间飞行器总体设计第2章空间环境及其对航天活动的影响 李爽 内容大纲 概述太阳电磁辐射及其对航天活动的影响地球大气地球电离层及其对导航定位的影响地磁场及其对航天器姿态的影响其他环境因素对航天活动的影响太阳及日 地环境预报和预警 2 1概述 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 等离子体 微流星体 空间碎片 行星大气 磁场和引力场等 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 地球空间环境和其他行星空间环境 行星际空间环境 太阳电磁辐射太阳宇宙线太阳风行星际磁场银河宇宙线微流星体和空间碎片 空间环境
2、与航天 范 艾伦 美国著名的天文学家 地球物理学家 地球辐射带 范艾伦辐射带 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 据统计数据 16 5 航天故障是由于空间环境造成的 近地空间 一般指距离地球90 65000km 10个地球半径 以内的范围 地球引力场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 地球大气对天地往返运输系统在进入和返回时产生气动加热 在500km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 推进剂消耗量影响十分重要
3、 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 太阳光辐射和反照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 太阳光压引力的阻力和力矩对空间站的影响不可忽略 地球磁场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 等离子体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 快速带电粒子对元器件产生电离 辐射损伤 导致软错误 硬错误 部分或永久失效 流星 人造残骸对航天器结构撞击 磨蚀导致机械损伤
4、空间环境最大特点是其参数随时间和空间不断变化而变化 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 在轨运行的航天器处于十分复杂的空间环境包围之中 大气密度对低地球轨道上的航天器的轨道寿命的影响很大 空间带电粒子辐射对航天材料 仪器设备和航天员都有损害作用 电离层影响着无线电波的传播 因而影响通讯 导航与定位 太阳电磁辐射及其反照影响航天器的环境的外热源 地磁场对航天器姿态控制方法有很大的影响 近地空间的微流星和空间碎片对航天器的结构存在潜在损害 2 2太阳电磁辐射及其对航天活动的影响 太阳是日 地空间主要的辐射源 辐射类型包括 太阳黑子和11年周期黑子
5、活动有11年周期 称为太阳黑子周 太阳耀斑太阳射电发射太阳电磁辐射 太阳辐射对航天活动的影响 在轨运行的航天器建立自身热平衡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 地球反照和地球及其大气系统的红外辐射也是在进行航天器热设计时要考虑的因素 太阳的紫外辐射会使热控表明深层和热控材料 器件的潜能退化 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 太阳电池方阵功率的精确计算与太阳光谱数据相关 太阳光压对航天器的姿态控制力矩估计及航天器轨道保持能力都有影响 2 3地球大气 大气模式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
6、气模式是对真实大气的某种应用的初步近似 找出某一过程的主要因子 统计模式以大量的观测资料为基础 经过数学处理后给出一定的公式或计算程序 可以查到不同条件下各种大气结构参数的时间和空间分布 所谓大气结构是指其物理和化学状态的基本参数 如温度 压力 密度 成分 以及大气运动的空间分布和随时间的变化 标准大气和参考大气的异同 地理条件和季节条件 航天领域内常用的大气模式主要包括Jacchia模式和Msis模式 Jacchia模式主要有J65 J70 J77 使用了1958 1975年间17年的卫星阻力数据 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 任何模式都力图根据要求尽可能的反应大气随
7、季节 昼夜 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半经验半理论的 2 4地球电离层及其对导航定位的影响 大气层包括了两部分 中性大气和部分电离大气 后者对应于低温的等离子体 电离层对在其中传播的电磁波产生折射 反射 散射 吸收和色散的现象 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 航天系统涉及到很多电波传播问题 比如测控系统的定轨问题
8、 制导导航系统的定位问题 电离层对通讯和航天活动的影响 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 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 接收到的电波信号的频率发生了偏移 航天器与电离层的相互作用等离子体鞘对航天器的不等量充电400 600km高度上航天器上的电流泄漏 2 5地球磁场及其对航天器姿态影响 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 即地球辐射带 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 太阳宇宙线 主要指太阳发生耀斑时射出的带电粒子 持续时间短 强度大 银河宇宙线 来自银河系 单个粒子能量很高 强度却很小 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 地磁场对航天器姿控已经环控方案设计造成一定的影响 2 6其他环境因素及其对航天活动的影响 微流星 空间高速运动的 天然的微小颗粒 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
