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  • 空间飞行环境

    空间飞行环境是航天器在外层空间飞行时所处的环境条件。它可分为自然环境和诱导环境,自然环境包括失重和各种空间环境。诱导环境是指航天器某些系统工作时或在空间环境作用下产生的环境。

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      航天器在外层空间飞行时所处的环境条件。它可分为自然环境和诱导环境,自然环境包括失重和各种空间环境。诱导环境是指航天器某些系统工作时或在空间环境作用下产生的环境。例如,轨道控制推力器点火和太阳电池翼伸展引起的振动、冲击环境,航天器上的磁性材料和电流回路在空间磁场中运动产生的感应磁场,航天器上有机材料逸出物沉积在其他部位造成的分子污染等。空间环境是空间飞行的基本环境条件,对航天器的运动和各系统的工作有显著影响(见空间环境影响)。空间环境包括:真空、电磁辐射、高能粒子辐射、等离子体、微流星体、行星大气、磁场和引力场等。根据空间存在的物质、辐射和力场的时空分布特性,太阳系内的空间环境大致可分为行星际空间环境、地球空间环境和(其他)行星空间环境(见太空)。
      行星际空间环境  行星际空间是一个广阔的极高真空的环境,存在着太阳连续发射的电磁辐射、爆发性的高能粒子辐射、稳定的等离子体流(称太阳风)及其行星际磁场。这里的环境主要受太阳活动的影响。行星际环境还包括来自外界的银河宇宙线和微流星等。
      ①太阳电磁辐射:太阳发射的电磁波范围从波长短于10-4埃的γ射线到波长大于10000米的无线电波。辐射总能量的99.9%集中在 0.2~10.2微米波段内。在地球大气层外距离太阳 1个天文单位处,垂直于射线方向的单位面积上、在单位时间内所有波段的太阳总辐射能量称为太阳常数,其值约为0.137瓦/厘米2或1.97卡/(厘米2·分)。

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      ②太阳宇宙线:从太阳表面爆发喷射出来的高能粒子的主要成分是能量在10兆电子伏和104兆电子伏之间的质子,称为太阳宇宙线。太阳宇宙线在太阳活动的高峰年及其后的2~3年内出现的概率为最大,每年可达10次或者更多,每次爆发时的持续时间约为十几个小时到几天,在到达地球附近时,能量大于10兆电子伏的质子的最大瞬时通量可达 104质子/(厘米2·秒),一次爆发的总通量可达109质子/(厘米2·秒),每年的总通量可达1010质子/(厘米2·年)。
      ③太阳风:在距太阳1个天文单位处,宁静太阳风的平均速度为320公里/秒,电子和质子的密度约为8个/厘米3,质子的温度约为4×104K,电子的温度约为10K。日面出现扰动时,太阳风也随之扰动,太阳风的速度有时超过1000公里/秒。
      ④行星际磁场:太阳自转和太阳风沿径向向外运动的结果使行星际磁场具有阿基米得螺线式结构。磁场的主要分量在黄道面内,由几个扇形区组成。在每个扇形区内,磁场的方向一致:全部向着太阳,或全部背着太阳,且相邻的两个扇形区内的磁场方向相反。
      ⑤银河宇宙线:来自宇宙空间的各种高能带电粒子,大部分是质子,其次是α粒子,还有少量其他各种原子核。宇宙线高能粒子的能量很高,但通量很低,对航天器的影响很小。
      ⑥微流星体:在行星际空间存在着运动速度极高的非常小的流星体,称为微流星体。它们的直径大多小于1毫米,质量大多小于1毫克,相对于地球的运动速度大多为10~30公里/时。
      地球空间环境  包括地球高层大气、电离层和磁层中的各种环境条件。地球空间也存在着太阳电磁辐射,太阳宇宙线、银河宇宙线和微流星体等。
      ① 高层大气:大气的密度和压强随高度的增加按指数规律迅速下降。在1000公里处大气压强约为10-10~10-11帕,在10000公里处约为10-14帕。大气的密度和压强除了随高度有显著的变化外,还与大气的温度有密切的关系,而温度又随季节、地方时差和太阳活动的程度等因素变化,致使高层大气呈现极为复杂和多变的结构。
      ② 电离层:大约从距地面60公里处开始,太阳的电磁辐射和粒子辐射使大气的中性成分部分或全部电离,成为电子和正离子,构成电离层。电离层的电子浓度随高度而变化,还常出现几个极值区,称为“层”,有D层、E 层和F(F1+F2)层。电离层的电子浓度还随昼夜、季节、纬度和太阳的活动而变化。
      ③ 磁层:地球磁场近似于偶极子磁场,太阳风将地磁场屏蔽在地球周围的一定空间范围内,形成地球磁层。它从距地表面 600~1000公里处开始向远处空间延伸,其外边界称为磁层顶,朝向太阳,磁层顶离地面的距离为地球半径的 8~11倍。磁层的形状在向太阳的一面很像一个略被压扁的半圆球,背向太阳的一面有一个很长的近似于圆柱形的尾部,称为磁尾。太阳风的扰动往往会引起地球磁层的剧烈变化,有时还会发生磁层暴和磁层亚暴。在磁层亚暴时,磁尾的等离子体片中会出现3~200千电子伏的高能等离子体,向地球注入时可以达到地球静止卫星的轨道高度。磁层中还存在着高能带电粒子,其相对密度较大的聚集区域称为地球辐射带,又称范爱伦辐射带。地球辐射带分为内辐射带和外辐射带,内辐射带主要由能量为几到几十兆电子伏的高能质子组成,外辐射带主要由能量为几十到几百千电子伏的高能电子组成。辐射带高能粒子的通量较大,是引起航天器的一些材料、器件和人体辐射损伤的主要原因。
      其他行星空间环境  空间探测器已经探测到水星、金星、火星、木星和土星等的周围空间环境。这些行星空间也存在着太阳电磁辐射、太阳宇宙线、银河宇宙线和微流星体等。
      ①水星:太阳系中靠太阳最近的行星。水星上大气极稀薄,昼夜温差极大,白天太阳光直射处的温度高达700K,夜间为100K。水星的磁场很弱,磁层很薄。
      ②金星:有极稠密的大气层,表面的大气压约为地球的90倍,主要成分是二氧化碳(占97%以上)。由于大气的“温室效应”,金星表面的温度高达465~485°C,而且昼夜温差很小。金星基本上没有磁场,没有磁层。太阳风可以与电离层直接相互作用。
      ③火星:火星上的大气稀薄,主要成分是二氧化碳,约占95%。表面大气压为750帕,表面温度有明显的日变化,火星的磁场很弱,磁层也很薄。
      ④木星:太阳系中最大的行星。木星有浓密的大气,主要的成分是氢,大气温度很低,底部的气体已经液化。木星具有很强的磁场,磁场与太阳风相互作用而形成很厚的磁层,磁层中有很强的辐射带,因而木星有很强的射电辐射。
      ⑤土星:土星的大气成分以氢和氦为主,并含有甲烷和其他气体,大气中漂浮着由稠密的氨晶体组成的云。土星的大气温度比木星低。土星有很强的磁场,磁层的范围比地球的磁层大千余倍,但比木星的小。

     

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