哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第2课-近地空间环境

《哈工大航天学院课程-空间飞行器动力学与控制-第2课-近地空间环境》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、一、近地空间环境及其对航天器的影响二、航天器控制的基本概念三、航天器动力学的发展与分类第二课近地空间环境航天器在点火升空、在轨运行和返回着陆的过程中，要经历近地空间环境的重重考验，不乏失败的事例。1990年风云一号单粒子事件导致卫星姿态失控，提前结束了工作。研究近地空间环境的要素及其对航天活动的影响，对飞行任务的完成和载人航天的安全具有重大意义。一、近地空间环境及其对航天器的影响近地空间的概念距离地面90～65000km（约为10个地球半径）的地球外围空间。地球周围大气层以外的空间对于航天活动，近地空间一般可以定义为航天器绕地球作轨道运动的空间范围

2、。近地空间环境的概念和组成要素近地空间环境由多种环境要素组成，其中对航天活动存在较大影响的环境要素主要包括太阳电磁辐射地球大气地球电离层地球磁场空间带电粒子辐射空间碎片等太阳电磁辐射基本概念到达地球大气上界的太阳辐射能量称为天文太阳辐射量。在地球位于日地平均距离处时，地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积在单位时间内所受到的太阳辐射的全谱总能量，称为太阳常数。太阳常数的常用单位为瓦/米2。因观测方法和技术不同，得到的太阳常数值不同。世界气象组织(WMO)1981年公布的太阳常数值是1368瓦/米2。地球大气上界的太阳辐射光谱的99％以上在波长0.15

3、～4.0微米之间。大约50％的太阳辐射能量在可见光谱区（波长0.4～0.76微米），7％在紫外光谱区（波长<0.4微米）,43％在红外光谱区（波长>0.76微米），最大能量在波长0.475微米处。由于太阳辐射波长较地面和大气辐射波长小得多，所以通常又称太阳辐射为短波辐射，称地面和大气辐射为长波辐射。太阳活动和日地距离的变化等会引起地球大气上界太阳辐射能量的变化。太阳活动周期和太阳黑子通过一般光学望远镜观测太阳，观测到的是光球层（太阳大气层的最里层）的活动。在光球上经常可以看到许多黑色斑点，叫太阳黑子。太阳黑子是光球层物质剧烈运动形成的局部强磁场区域

4、，是光球层活动的重要标志。天文学家们注意到，太阳黑子有平均11年的活动周期，这也是整个太阳的活动周期。天文学家把太阳黑子最多的年份称为“太阳活动峰年”，把太阳黑子最少的年份称为“太阳活动宁静年”。太阳辐射及其周期变化对航天活动的影响影响航天器的光照环境、对地观测光学背景，航天器表面材料等。太阳活动的周期变化还会影响航天器所处的磁场、高能带电粒子环境等。地球大气基本概念和分类地球大气是指被地球引力场和磁场所束缚、包裹着地球陆地和水圈的气体层。通常，地球大气仅指地球周围的中性大气层。高度在90km以上的大气称为高层大气。地球大气中，、、和的含量最高，约

5、占大气总量的99.997%左右。随着距地面的高度增加，地球大气根据大气温度或大气成分可在垂直方向上划分为若干层。大气分层结构的示意图（1）按温度的垂直分布划分对流层从地面向上至温度出现第一极小值所在高度的大气层。该层大气处于与地面表面辐射、对流平衡状态，湍流是它主要的能量耗散过程。对流层内温度随高度的增加而较均匀地下降，温度递减率大约为。平流层从对流层顶以上至温度出现极大值所在高度的大气层。地球大气中的臭氧主要集中在平流层内，平流层内温度随高度升高而增高，平流层顶的高度约在50km处，其平均温度约为273K。中间层从平流层顶以上至温度出现第二极小值

6、所在高度的大气层。中间层内温度随高度升高而下降，其降温的主要机制是二氧化碳发射的红外辐射。中间层顶的高度约在85km处，其平均温度约190K，高纬地区中间层顶温度季节变化强烈，夏季可降至160K。热层从中间层顶以上大气温度重新急剧升高，直至包含一部分温度不再随高度变化的高度区间的大气层。在约高度，由于大气吸收太阳辐射总波长小于200nm的远紫外辐射，引起大气分子的光化、电离，并伴随着放热过程，使得大气温度随高度有陡峭的增高。在200km高度以上，随着高度增加，储存在大气中的热量逐渐减少，热层大气逐渐趋近于等温状态。外层大气热层顶以上的等温大气称为外

7、层大气。由于原子氢和氦的质量较轻，并且它们还具有一定的能量，所以有时它们能脱离地球重力场，逃逸到外空间环境中去，因此外层大气也叫逃逸层。它的低层主要是原子氧，再向上主要是氦，在更高的高度上主要是原子氢。太阳活动和磁暴对外层大气也有较大影响。（2）按大气成分的均匀性质划分均质层从地面至约90km高度的大气层，基本上包含对流层、平流层和中间层。均质层大气通过湍流使大气成分均匀混合，大气成分基本均一，平均摩尔质量为常数。均质层遵从流体静压方程和理想气体状态方程。非均质层均质层顶之上，大气成分随高度有明显变化的大气层，基本上包含热层和外层大气。非均质层大气

8、的平均摩尔质量随高度而降低。太阳是决定地球高层大气性质的最主要的因素。太阳的电磁辐射进入大气以后，其中的紫外、远紫外辐射和