航天器空间环境初探及其展望

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1、航天器空间环境初探及其展望冯亮（西安卫星测控中心喀什测控站，新疆喀什844000）摘要本文着重介绍航天器经历的空间环境特点及空间环境对航天器的影响和国内外空间环境探测的情况，并对我国未来航天器的空间环境探测进行了展望。关键字空间环境磁场电场高层大气空间等离子体高能带电粒子微流星和空间碎片环境探测引言空间环境是卫星、飞船和空间站等航天器的运行环境，也是导航、定位、通信等卫星业务的路径环境。航天器经历的主要空间环境为：地球高层大气、地球辐射带、地磁场和空间磁场等。这些环境通过各种效应对航天员的生命安全、航天器的正常运行、导航定位通信等业务的开展都有重要的影响。1航天器空

2、间环境特点及影响1.1高层大气高层大气环境对航天器的影响主要表现在两个方面：一是增加了对航天器的阻力，导致轨道改变、轨道衰变直至陨落；二是高层大气中氧原子非常丰富，原子氧是非常活跃的具有腐蚀性很强的化学成份，对航天器表面材料、光学镜头等的剥蚀、老化和污染作用。1.1.1大气阻力航天器在大气阻力作用下使轨道大小和形状不断变化的效应。椭圆轨道的变化过程是：远地点高度逐渐降低，轨道周期不断减小，变成圆轨道后，轨道半径逐渐收缩直至陨落。在LEO轨道，中性大气气体分子与运行其中的航天器发生碰撞，把能量和动量传给航天器，因此航天器与大气阻力进行了动量交换。高层大气环境对航天器轨

3、道的阻力是低轨道航天器主要的轨道摄动力。大气对航天器的阻力与大气密度成正比，轨道越高大气阻力越小。此外，大气阻力与航天器垂直运动方向的截面积成正比。截面积越大、质量越小的航天器，其寿命越短。1.1.2原子氧低轨高层大气成份以原子氧为主，原子氧含量占大气中各种成份总量的70％～80％以上，并随高度的增加，含量快速增加。地磁扰动时，由于沉降粒子对轨道大气的加热，在中高纬区域底层大气上升，导致O原子下降，N2数密度增强，在200~1000km的高度范围内，原子氧大约占80%，特别是在300~500km的高度范围内，原子氧占有绝对优势；对800km轨道高度，在迎风面时原子氧

4、的影响约比太阳紫外辐照大3倍。归纳起来，原子氧对航天器的影响包括如下几个方面：1）对航天器结构材料的剥蚀和老化；2）对航天器温控材料的损耗；443）对太阳电池联接件的损耗；4）对遥感探测器或其他光学材料的污染和侵蚀。1.2空间等离子体空间里充满了等离子体，在低轨道主要是能量比较低的等离子体，在磁层中还有电离层、等离子体层和等离子体片等集中分布的等离子体区域。它的影响主要是对几百公里的大型的航天器，带有高压太阳电池阵，比如空间站、空间实验室，对太阳电池会产生电流的泄漏、弧光放电等等，使得太阳电磁的功率下降。等离子体带来的影响主要表现在以下几个方面：1.2.1航天器充电

5、空间等离子体导致的航天器充电可以分为两种形式：一种是能量不能穿透航天器表面的等离子体（数十千电子伏以下）与航天器相互作用而产生充电现象，称为表面充电。另一种是内部充电（或叫做深层充电），它是能量高于几十千电子伏的电子入射到航天器上，一般要1兆多电子伏特，或者2兆以上的电子伏特，可以穿透航天器表面，其穿透深度随入射电子能量的增加而增加，在航天器表面下数十微米处聚集入射电子与表面同能量的离子形成的充电现象。1.2.2太阳电池阵当低轨道大型航天器在电离层中运行时，高电压太阳电池阵与等离子体相互作用时，会产生下列严重的有害效应：1、高电压太阳电池阵的电流泄漏。2、高电压太阳

6、电池阵的弧光放电。1.2.3电离层对卫星导航定位系统的影响电离层分布在地面六十公里以上至几个地球半径的高度范围内，依高度从下往上可分为D、E、F几个区域，在白天F区又可细分为F1、F2区。电离层中电子密度随高度分布变化达四个量级，最大电子密度出现在F区，对应的等离子频率叫做F区临界频率。除了高度分布外，电离层中电子密度从高纬向低纬明显增加，低纬电离层电子密度强且异常变化最为剧烈，其重要原因是低纬赤道地区的水平地磁场与地球其他地区相比最强，且该地区接受的太阳辐射能量最多。在地磁场赤道两边，电子密度形成南北两个双峰结构，分别位于南北磁纬15度左右。形成的原因主要是赤道上

7、空的等离子体受电场和磁场的作用向上漂移，将赤道上空的电子输送到它的两侧。太阳活动和一定条件下大气层中出现的非线性不稳定性，可引起电离层电子密度的随机、快速的不均匀起伏变化，从而导致穿越电离层的无线电信号幅度和相位的快速起伏变化，称电离层闪烁。低纬地区的电离层闪烁非常严重，电离层电子密度不均匀体的尺度从几十厘米到上千公里，它通常是由多种不稳定过程引起的结果。它可能包括声重力波，其波长从几百到几千公里；碰撞瑞利—泰勒不稳定性；E×B梯度漂移不稳定性等；有比较复杂的空间尺度谱结构。电离层闪烁另一个频繁出现的地区是高纬地区。在低纬和中纬地区，白天闪烁出现较少较弱，闪烁主