【航天甲子年50讲】 06 空间环境

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文:晟宇(视频讲解)

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1.前言


空间环境是飞行器进入近地空间后的工作环境,是从卫星任务的一开始就需要认真考虑的重要因素,今天我们在有限的时间里对主要的空间环境因素进行介绍。



2.与太阳有关的空间环境问题


太阳是能量之源,因此我们首先要考虑的就是太阳带来的空间热环境。空间热环境与地面热环境最大的不同在于不同方向上的巨大温度差别。


造成这一差别的原因首先是空间位置的变化,地面有大气因此大气产生的对流,平流等过程以及大气本身的热容使得我们获得了一个有效的温度缓冲,使得地面的温度差别较小。





然而进入空间之后,没有了大气的调节,面向深空的一面温度就会快速下降,而面向太阳的一面温度则会急剧升高,使得飞行器的不同部分出现较大的温度差别。要理解这种快速变化,可以想象沙漠地区一天中的巨大温度变化。



太阳常数(到达近地的太阳能量)


这里给大家科普一个小知识也就是所有有温度的物体都会向外界辐射能量,这个能量的大小和这个物体的温度的四次方成正比,简单的讲就是随着温度的升高而快速增加。这个就是斯特凡玻尔兹曼定律。




由此我们可以看到在轨道上运行的航天器一方面接收了来自太阳的辐射,地球对太阳光的反射,地球的辐射。而面向真空的一面,卫星以自己的温度向外辐射。




卫星上的仪器和我们的手机电脑一样都是电子器件,这些器件都有自己的工作温度范围,而空间的热环境很多时候都会远超过合理的温度范围,因此卫星要采取主动和被动的措施来保证所有的仪器都工作在正常的温度范围之内。这就卫星的热控制,未来我们会专门安排一讲来介绍卫星的热控制。





同时太阳的活动如太阳风,太阳耀斑等也会造成影响。所幸的是我们的地球有自己的磁场,地球磁场实际上是对地球上生命的重要保护。地球磁场捕获了大量的太阳活动产生的高能粒子,这些粒子在磁场的作用下环状运动形成了范艾伦带。因此范艾伦带就是高能粒子带,有大量的电子和质子。




高速太阳风 credit ESA



当航天器处于高能粒子带中时,就好象我们人住在X射线房间里一样,航天器的上的电子会受到其带来的损伤,因此卫星需要进行防护。


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尤其是在南大西洋的上空存在一个地球磁场较弱,辐射带高度较低的区域,称为南大西洋异常区(SAA)。在低地球轨道运行的飞行器在飞临这一空域时容易出现异常。我们的背锅侠单粒子效应一般都在这里背锅,不过坐实了的也在多数。




对不同轨道的影响



防护要求

单粒子翻转是宇宙中单个高能粒子射入半导体器件灵敏区,使器件逻辑状态翻转的现象。



有一部分高能粒子会随磁场进入极地上空的大气,形成美丽的极光。






3.与大气有关的空间环境问题





空间中还有一个很重要的特点就是真空了,当然这个真空是相对意义上的真空,也就是大气的密度较低,依然存在大气粒子。同时也存在我们之前提到的高能粒子等等。



随着轨道高度的升高,大气的密度快速降低。由此带来的问题也因此出现,比如材料的升华,比如出气。很多升华或者出气后的物质会对诸如卫星上的光学镜头造成污染,因此要自造考虑很防范。



另外就是我们之前聊过的大气摄动了,这会造成低轨道飞行器的轨道衰减,因此要维持轨道寿命就需要为航天器提供速度增量,越低的轨道大气越稠密,所需要的速度增量也就越大。


另外很重要的影响还有原子氧,低地球轨道上大量的氧以原子的形态存在,这些原子氧具有很强的氧化性,会对飞行器造成很大的损害,需要进行一些主动的防护。



4.与人类有关的空间环境问题






最后,也是最让人类蒙羞的就是人类自己产生的空间环境危害,空间碎片。曾经的近地空间是一片净土,没有任何碎片。从六十年前开始,人类的太空探索活动留下了太多的垃圾,如今已经反过头来危害未来人类自身的太空活动了。为了我们再专门找一期聊一聊太空垃圾。


参考文献:

  1. Space System Design, MAE 342, Princeton University Robert Stengel
  2. Space Environmental Effects,NASA
  3. ENAE 483/788D U N I V E R S I T Y O F MARYLAND
  4. MAE 5595 University of Colorado Colorado Springs
  5. J. Mazur, Crosslink, vol. 4, no. 2, Summer 2003


下期我们聊一聊卫星的设计流程。



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[航天甲子年五十讲] 往期回顾


【航天甲子年50讲】 01 飞天

【航天甲子年50讲】 02 轨道力学

【航天甲子年50讲】 03 轨道摄动

【航天甲子年50讲】 04 奔月:从地球到月球

【航天甲子年50讲】 05 空间任务几何