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1、第三讲 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。太阳系内的空间环境可分为：n n地球空间环境n n行星际空间环境n n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（IUGG-1975 IUGG-1975）推荐值）推荐值参考椭球体：长半径 a=6378.14km 短半径 b=6356.76km 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
2、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 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
3、区域称为地球空间，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)：近地空间近地空间（Near-earth SpaceNear-earth Space）：）：100km 100kmRR 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90km90kmRR6.5106.51044km(10km(10RREE).).影响航天器活
4、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mm大气大气5.13105.13101818kgkg，占地球，占地球质量的百万分之质量的百万分之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场和地磁场束缚，位于地球表面和水圈之上的气体层。7 7图 图3.1 3.1 地球大气层
5、 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：1.1.对流层：南北极对流层：南北极778km8km，赤道上，赤道上161618km18km，中高，中高纬度处纬度处8812km12km。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.
6、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1/3000。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。10 10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11 11按大气被电离情况,分为电离层和非电离层：非电离层：H50km，
7、大气处于中性原子状态；电离层：50km以上到大气层边缘，是电离介质区，由电子、正负离子及中性粒子组成。电离层受地磁场影响，从而影响短波通讯。12 12图 图3.3 3.3 正常电离层结构示意图 正常电离层结构示意图按电子浓度可将电离层细分为：D D层 层：H H=5090km,=5090km,电子 电子10 103 310 104 4/cm/cm3 3（昼）；（昼）；E E层 层：H H=90140km,(12)10=90140km,(12)105 5/cm/cm3 3（昼大夜小）；（昼大夜小）；F F层 层：F F1 1：H H=140200km=140200km，电子，电子3 10 3 1
8、05 5/cm/cm3 3（夏昼）；（夏昼）；F F2 2：H H=2001000=2001000或 或2000km,(12)10 2000km,(12)106 6/cm/cm3 3（昼大夜小、（昼大夜小、冬大夏小）冬大夏小）13 13(1).(1).密度（表31）海平面处01.225103g/cm31.2kg/m3。密度随高度急剧下降。在100km高度，只有107 0。也随时间、纬度、季节、太阳活动和地磁活动影响而变化。3.2.2 地球大气的物理特性14 14表 表3 3 1 1 不同海拔高度的大气密度 不同海拔高度的大气密度海拔高度 海拔高度(km)(km)大气密度 大气密度(g/cm(g
9、/cm3 3)海拔高度 海拔高度(km)(km)大气密度 大气密度(g/cm(g/cm3 3)0 018 1833 3349 4967 6782 8296 96110 110125 125 0 0=1.225=1.225 10 10-1-110 10-1-1 0 010 10-2-2 0 010 10-3-3 0 010 10-4-4 0 010 10-5-5 0 010 10-6-6 0 010 10-7-7 0 010 10-8-8 0 0165 165245 245370 370540 540730 730980 9801600 16002750 275010 10-9-9 0 010
10、10-10-10 0 010 10-11-11 0 010 10-12-12 0 010 10-13-13 0 010 10-14-14 0 010 10-15-15 0 010 10-16-16 0 015 15(2).温度 海平面大气温度的标准为海平面大气温度的标准为 T T001515（288K288K）。）。120120300km300km之间：之间：式中，T，T120分别为外层和H=120km处的大气温度，K；TZ海拔高度，km；S常数，S=0.291exp(-q2/2),(3-1)16 16n n 海拔3001000km之间,接近等温;n n 海拔1000km以上,大气温度随高度增
11、加。17 17空间大气的温度仅仅是大气的温度，而非物体在空间的热平衡温度。因为宇宙空间空气极为稀薄，不足以加热物体。宇宙空间的能量密度在任何方向为10-5W/m2,相当于温度为3K的黑体（black body）发出的能量。【所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射当然黑体仍然要向外辐射)】太空只吸收、而不反射能量。这种环境称为空间冷黑环境，又称热沉(热汇)(heat sink)。18 18(3).压力（表（表3333）海平面标准压力海平面标准压力PP001.01325101.01325105 5
12、 PaPa。表 表3 3 3 3 不同海拔高度的大气密度 不同海拔高度的大气密度（中纬度、春秋）（中纬度、春秋）海拔高度 海拔高度(km)(km)大气压力 大气压力(Pa)(Pa)海拔高度 海拔高度(km)(km)大气压力 大气压力(Pa)(Pa)0 016 1631 3148 4865 6580 8092 92108 108p p0 0=1.01325=1.01325 10 105 510 10-1-1 p p0 010 10-2-2 p p0 010 10-3-3 p p0 010 10-4-4 p p0 010 10-5-5 p p0 010 10-6-6 p p0 010 10-7-7
13、 p p0 0135 135220 220350 350520 520730 7301100 11002100 210010 10-8-8p p0 010 10-9-9 p p0 010 10-10-10 p p0 010 10-11-11 p p0 010 10-12-12 p p0 010 10-13-13 p p0 010 10-14-14 p p0 0大气压力变化还与纬度、季节、太阳活动情况有关。大气压力变化还与纬度、季节、太阳活动情况有关。19 193.2.3 地球大气的成分 地球大气主要由C，N，O元素组成，从海平面到海拔80km高空，大气中各种气体的比例基本恒定，平均分子量为28
14、.96。大气密度随海拔高度增加而降低。如海拔100200km100200km处处,NN22:10:10131310109910101010个个/cm/cm33;O O22:10:101212(1(14)104)1088个个/cm/cm33;O:(28)10 O:(28)101111(1(155)101099个个/cm/cm3320 203.2.3 地球大气的成分（续）（续）20km以下，主要是氧分子、氮分子；2050km，臭氧层,O3 80120km，部分氧分子开始离解为氧原子。120300km，主要是氧原子、氧分子、氮分子。600700km以上是氦,He（表34）。21 21表 表3 3 4
15、 4 某些海拔高度处大气的平均分子量 某些海拔高度处大气的平均分子量海拔高度 海拔高度(km)(km)大气的平均分子量 大气的平均分子量0 0120 120200 200500 500800 8001000 10001500 15002000 20002500 25003000 300028.96 28.9626.90 26.9023.51 23.5116.19 16.1910.63 10.636.23 6.234.03 4.033.92 3.923.84 3.843.70 3.7022 223.2.4 高层大气对航天器飞行的影响 高层大气对航天器的影响主要是气动阻力、升力、气动加热，及原子氧
16、对航天器的腐蚀作用。原子氧会与薄的有机涂层、先进的复合材料和金属表面发生反应。例如:用于绝缘与密封的Kaptom，在1021个氧原子/m2的原子氧作用下，厚度将损失2.8m。材料机械力学性能下降、光学和电性能改变。23 23*F10.7*F10.7太阳对电辐射能量 太阳对电辐射能量,为太阳发出的波长 为太阳发出的波长10.7cm 10.7cm的电磁辐 的电磁辐射强度度量。单位：射强度度量。单位：10 10-22-22W/(m W/(m2 2.Hz).Hz)图 图3.5 3.5 不同 不同F10.7 F10.7时高度与 时高度与大气 大气密度的关系 密度的关系24 24图 图3.6 3.6 原子
17、氧密度 原子氧密度 原子氧密度随高度和太阳活动的变化关系见图3-6。航天器材料选择要考虑任务周期与太阳活动周期的关系。25 253.3 地球磁场基本概貌 内源场：起源于地球内部包括基本磁场和外源场变化时在地壳内的感生磁场。外源场：源于地球附近的电流体。主要部分来自太阳风，即太阳喷发出来的等离子体。地磁场:Geomagnetic field26 26 人们普遍认为：地磁场起源于地核中熔融金属流动时所产生的电磁效应。另一说法是：地核在6000K的高温和360万个大气压的环境中会有大量的电子逃逸出来，在地幔间形成负电层，因地球自转而产生地磁场。27 27 地磁场是变化的。其瞬时变化归因于两个因素：n
18、 n 电离层中的电流体变化；n n 太阳黑子活动。引起“磁暴”现象，如在漆黑的北极上空会出现美丽的极光；指南针摇摆不定，无线电短波广播突然中断，依靠地磁场“导航”的鸽子迷失方向，四处乱飞等。Magnetic StormMagnetic StormPolar LightPolar Light(aurora)28 28极光 极光地磁场的三要素：（11）磁偏角）磁偏角DD：磁场水平分量：磁场水平分量 与正北方向的夹角。与正北方向的夹角。（22）磁倾角）磁倾角II：磁场方向与水：磁场方向与水平平 面的夹角。面的夹角。（33）磁场强度（水平方向）磁场强度（水平方向HH，或垂直方向或垂直方向ZZ）29 2
19、93.3.1 磁层磁层：由高能粒子辐射带、低能粒子辐射带、环电流、等离子体层、等离子体片、等离子体幔等组成。磁层顶：在向阳面，为磁层的边界。磁尾：在背阳面，为柱状拖尾。30 30等离子体层：电离化大气。等离子体片：主要成分有H+,O+,He+，电子能量几百至10keV；电离层等离子体：在距地面703000km的空间，为电子、正负离子和中性粒子组成的气体混合物。以电子浓度分为D，E，F（F1，F2）层和外电离层。31 31图 图3.7 3.7 地球磁层剖面图 地球磁层剖面图32 32地磁场控制着近地空间带电粒子的运动，并通过大气增温对航天器轨道产生影响。同时，磁力矩影响航天器姿态。太阳风，即太阳
20、喷发出来的等离子体。太阳风及行星际磁场可能引起磁暴或磁层亚暴。此时对卫星表面电位影响巨大，强电弧、电磁脉冲影响星上电源系统、控制和通讯系统的正常工作。33 333.4 空间粒子辐射空间粒子辐射分：天然粒子辐射环境和高空核爆炸后形成的核辐射环境。无论是高能带电粒子辐射还是核辐射都能对航天器上的电子元件及功能材料发生相互作用；在载人航天中，对航天员产生不良影响。34 34天然粒子辐射环境中主要的带电粒子来源：n n 地球辐射带（Van Allen Belt）：主要成份为质子和电子。n n 太阳宇宙线：是太阳耀斑时喷射出的高能带电粒子。主要是质子、粒子和少量电子，又称太阳质子。n n 银河宇宙线：来
21、自银河系，单粒子能量很高、强度很低。绝大多数为质子，其次为粒子。35 35图38 地球辐射带结构示意图36 363.5 空间真空和空间失重3.5.1 空间真空 宇宙空间是一个巨大的真空环境。航天器大多在宇宙空间是一个巨大的真空环境。航天器大多在超高真空中飞行，面对一系列新的物理现象：超高真空中飞行，面对一系列新的物理现象：1.材料表面升华加速2.热传导变坏 真空中，不存在对流，就没有对流热传导，只有热辐射。压力下降时，空气热传导系数下降。37 374.材料雾化 航天器在大气层中飞行时，若受到空间带电粒子的撞击，表面材料将会发生雾化。在外层空间中，由于氢离子的扩散，材料表面充满着氢离子，材料的光
22、学性能会改变。3.表面电导发生改变和放电 物质发生挥发和离解，介电特性发生变化，引起放电、漏电，材料表面层的导电率也有相应的变化。38 385.材料的机械性能改变 极低的空间压力下，材料表面发生变化，出现微细的裂纹或晶隙腐蚀，表面保护膜破坏，机械性能变坏。6.材料与外部环境介质间的摩擦加剧 正常大气压时，材料表面有氧化膜保护。在空间，氧化膜破坏，材料与航天器周围环境介质之间的摩擦加剧。39 393.5.2 空间失重 物体在引力场中自由运动时，有质量而不表现重量的一种状态，叫做失重，又称零重力状态。有时也泛指零重力和微重力状态。1.载荷系数 大地水准面，重力加速度为g0，设某运动状态时重力加速度
23、为g，K称该状态的载荷系数：K=g/g0 K1，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。40 402.微重力物理现象 液体的对流、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 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。41 41(2)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
24、十分均匀。(3)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。42 424.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43 433.6 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。44 443.6.
25、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 失效的有效载荷、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。45 45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。46 46(2)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)，Delta Delta火箭末节 火箭末节 充压箱爆炸(属低
26、能爆炸)故意炸毁(3)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。也有热防护层和隔热材料因老化分解而脱落。47 47(4)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。48 483.6.2 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
27、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。大碎片数量很少，但质量总数占99.93%。49 493.6.3 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。50 50 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
28、，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。51 51 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”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。52 52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53 53