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1、第三讲第三讲 近地空间环境近地空间环境1 1 航天器在空间飞行时所处的环境（包括自然的和人为的）称为空间环境空间环境。太阳系内的空间环境可分为：n n地球空间环境地球空间环境n n行星际空间环境行星际空间环境n n其他行星空间环境其他行星空间环境 大多数航天器运行在近地空间。2 23.1 地球空间环境3.1.1 地球的数学描述 采用国际大地测量与地球物理联合会（采用国际大地测量与地球物理联合会（采用国际大地测量与地球物理联合会（采用国际大地测量与地球物理联合会（IUGG-1975IUGG-1975）推荐值）推荐值）推荐值）推荐值参考椭球体：长半径 a=6378.14km 短半径 b=6356.
2、76km 扁率 f=1/298.257 引力常数GM=3.986005105km3/s2 地球大气层以外的领域通称宇宙空间（外层空间、太空）地球大气层以外的领域通称宇宙空间（外层空间、太空）地球大气层以外的领域通称宇宙空间（外层空间、太空）地球大气层以外的领域通称宇宙空间（外层空间、太空）太阳系内宇宙空间分为：太阳系内宇宙空间分为：行星空间、行星际空间。行星空间、行星际空间。行星空间、行星际空间。行星空间、行星际空间。行星空间指行星引力作用的范围行星空间指行星引力作用的范围,行星际指行星间其他空行星际指行星间其他空间。间。3 3表面重力加速度：标准值 g09.80665 m/s2 45纬度处
3、g459.80612 m/s2 其他纬度处 g9.78031(1+0.005302sin2-0.000006sin22)半径向量 a(1-0.00336317sin20.00000639sin22)式中，地理纬度。4 43.1.2 近地空间（Near-earth Space)地球引力作用以内的区域称为地球空间地球空间，为一个球体：R9.3105km(约150个地球半径)平均地月距离：eEM 3.84105km（384404km,约60个地球半径）月球对地球也有其作用空间：R月 6.6104km 5 53.1.2 近地空间 深层空间深层空间(深空，深空，Deep Space)Deep Space
4、)：近地空间近地空间（Near-earth SpaceNear-earth Space）：）：100km 100kmR R 35786km(35786km(地球静止轨道地球静止轨道););也有人定义为也有人定义为90km90kmR R6.5106.5104 4km(10km(10R RE E).).影响航天器活动的因素：影响航天器活动的因素：地球大气、地球电离层、地球磁场、太阳电子地球大气、地球电离层、地球磁场、太阳电子辐射、空间离子辐射。辐射、空间离子辐射。深空深空6 63.2 地球大气大气质量大气质量m m大气大气5.13105.13101818kgkg，占地球，占地球质量的百万分之质量的
5、百万分之0.860.86。90%90%以上以上集中在集中在15km15km高度以内，高度以内，99.9%99.9%在在50km50km高度以内，高度以内，2000km2000km以上及以上及其稀薄。其稀薄。地球大气指由地球引力地球大气指由地球引力场和地磁场束缚，位于地球场和地磁场束缚，位于地球表面和水圈之上的气体层。表面和水圈之上的气体层。7 7图图3.1 3.1 地球大气层地球大气层8 83.2.1 地球大气的结构 按温度垂直分布特性分为以下五层：按温度垂直分布特性分为以下五层：按温度垂直分布特性分为以下五层：按温度垂直分布特性分为以下五层：1.1.对流层：南北极对流层：南北极7 78km8
6、km，赤道上，赤道上161618km18km，中高，中高纬度处纬度处8 812km12km。占。占3/43/4空气质量，空气状况经常空气质量，空气状况经常变化，风雨雷电在此发生。变化，风雨雷电在此发生。2.2.平流层：平流层：50km 50km，大气无上下对流，只有水平，大气无上下对流，只有水平方向的流动，空气质量占方向的流动，空气质量占1/41/4。20km20km以下温度一般以下温度一般保持在保持在216.65K216.65K (-56.5(-56.5)。202032km32km气温逐渐升气温逐渐升高。层内水蒸气、尘埃很少。高。层内水蒸气、尘埃很少。9 93.中间层：80km，空气只有1/
7、3000。5053km之间，气温随高度上升，达282K0，以后下降，到80km处降为196.86K。4.热层：400km。80km以上，气温随高度上升，到150km处，达1000K。在400km处，达15001600K。5.外层：4001600km。大气边界位于20003000km。1010图图3.2 3.2 地球大气温度随高度的变化关系地球大气温度随高度的变化关系1111按大气被电离情况,分为电离层和非电离层：非电离层：H1，超重力状态；K1，在水准面上，称1g0状态；104 K 1，低重力状态；107 K 104，微重力状态，称g0状态。40402.2.微重力物理现象微重力物理现象 液体的
8、对流、沉降、分层、静压力等均有不同程度的减弱或消失，表面张力特别突出。统称微重力物理现象。具体表现在：(1)晶体的生长晶体的生长 在1g0状态下，溶液的对流使生成的晶体出现条纹，生长的树状晶体形成结构严重缺陷；在g0状态，由于对流现象减弱，晶体均匀，结构完整，颗粒较大，强度较高。4141(2)合金的形成合金的形成 在1g0状态下，重力的沉降使合金内部出现不均匀性;在 g0状态，沉降作用十分微弱，无需搅拌而获得的合金十分均匀。(3)微重力生理现象微重力生理现象 航天员刚进入失重状态时，有心悸、感觉错误等不舒适现象。长期处于失重环境，可能引起某些疾病。失重对人体免疫力和遗传情况也有不同程度影响。4
9、2424.4.微重力对空间飞行的影响微重力对空间飞行的影响 在g0状态，还会产生一些异常现象。如，火箭的液体推进剂会在储箱中飘浮，造成严重 事故。图图3.9 3.9 失重状态下推失重状态下推进剂的漂浮现象进剂的漂浮现象43433.6 空间碎片 航天活动在太空留下的人造物体称为空间碎片，也称空间垃圾。2006年2月3日，国际空间站抛出一个特别的卫星，太空服卫星一号(SuitSat-1)，这个卫星是一个经过改装的俄罗斯退役航天服。44443.6.1 空间碎片的来源 美、俄是空间碎片的最大制造者。只在1978-1981，1989-1992出现负增长。(1)工作产生的碎片工作产生的碎片 失效的有效载荷
10、、卫星发射或工作时抛弃的物体，如镜头盖、分离装置和包装部件、起旋装置、空推进剂箱、已燃尽和未使用的火箭体、有效载荷整流罩、航天器丢弃物等。4545图图3.10 3.10 记录在册的空间物体数记录在册的空间物体数1986，1993年发生的Ariana和质子号末级爆炸，使该两个年度空间碎片陡增。4646 (2)(2)碎裂生产的碎片碎裂生产的碎片 碎裂原因：内部装置，如蓄电池等装置的爆炸 推进剂箱的爆炸(属高能爆炸)，DeltaDelta火箭末节火箭末节 充压箱爆炸(属低能爆炸)故意炸毁 (3)(3)老化生产的碎片老化生产的碎片 航天器表面长期暴露在真空环境中会逐渐分解、剥蚀产生微小的空间碎片。也有
11、热防护层和隔热材料因老化分解而脱落。4747(4)(4)固体火箭发动机粒子固体火箭发动机粒子 固体发动机燃料喷出的粒子(氧化铝)，尺寸小，约0.1mm以下。对处于该环境下的空间飞行器表面有有腐蚀和污染作用，影响光学镜头、太阳能电池的性能等。不过，由于粒子质量小，发动机工作时停泊的轨道低，陨落快，只有少数粒子在太阳光压作用下扩散，其影响只是短期的。48483.6.2 空间碎片的数量、分类与分布 美国通过地面空间监视网（SSN）进行观测。大碎片：直径大于10cm风险碎片：直径大于1cm、小于10cm小碎片：直径小于1cm 轨道越高，空间碎片最小尺寸越大。1000km高度处，空间物体最多。大碎片数量
12、很少，但质量总数占99.93%。49493.6.3 空间碎片对航天器的影响 直径小于0.01cm的碎片会使航天器表面产生凹陷和剥蚀，长期与卫星碰撞会造成累积影响。直径为0.011cm的碎片影响视航天器耐受性和防护措施。比如直径为0.1cm的碎片会对卫星结构造成损害。直径大于1cm的碎片将对航天器造成灾难性的破坏。5050 目前，航天器上实际采取的防护措施能抵御直径小于1cm、质量小于1.46g的空间碎片；对2cm的碎片，不能有效地防护；对于大于2cm碎片，唯一的方法是躲避。幸而大多数航天器尺度为中等大小，遇到2cm以上空间碎片概率极小；对大尺寸航天器则需专门研究其防护措施。在地球同步轨道内，空
13、间碎片密度较低、空间物体相对速度较小(约为低轨道处1/10),碎片破坏性相应较小。5151 目前太空碎片数量已超过了3000万个。我国对空间碎片的研究起步晚，在神二、神三、神四的时候都没有成熟的成果应用，神五的时候在前期工作的基础上做了一些比较简单的东西，当时也是起了一定的作用。神五飞船曾经和一个空间碎片擦身而过，当时概率比较高，所幸后来是有惊无险。“神六”轨道附近有500个左右空间碎片，不过，都是哪些碎片还不是很清楚。“中国科学院空间目标与碎片观测研究中心中国科学院空间目标与碎片观测研究中心”2005年3月在中科院紫金山天文台成立，将为中国在空间航天领域建起安全预警系统。5252美国1997年发射的一颗卫星（铱33），在美国东部时间2009年2月10日上午11时55分(北京时间11日0时55分)，与俄罗斯一颗1993年发射的、现已报废的卫星相撞，地点位于西伯利亚上空；这是历史上首次卫星相撞事故。俄罗斯Cosmos 2251“铱33”模拟动画模拟动画5353