蔡柏齡

[拼音]：kongjian huanjing dui feixingti de yingxiang

[英文]：effects of space environment on spacecraft

宇宙空間中的粒子、電磁場、電磁輻射、高真空、高空重力、高溫和低溫等環境條件對航行中的飛行器及宇航員所造成的影響。這是空間科學重要的應用課題之一。

高能帶電粒子對飛行體的作用

地球和木星輻射帶中的高能帶電粒子、銀河宇宙線和太陽耀斑噴發出的太陽宇宙線，主要由高能質子組成。它們的能量高，有一定的貫穿能力和破壞能力，在宇宙航行中需要採取措施進行防護。在地球輻射帶中，能量大於5×104電子伏的電子強度達2×103電子／(釐米2·秒)，能量大於4×106電子伏的質子最大強度達 106質子／（釐米2·秒）。在一次太陽大耀斑爆發過程中，飛行體每一平方釐米的表面上可能受到109個能量大於3.0×107電子伏質子的轟擊。在傾角為30°，高度為2000公里的圓軌道上執行的衛星，若每平方釐米艙壁的質量為0.5克，輻射帶粒子在艙內每天的累積劑量達600拉德(rad)，即使每平方釐米艙壁質量增加到4克，每天累積劑量仍可達 60拉德，若以50拉德為宇航員允許劑量，那麼上述兩種劑量只能使宇航員在宇宙空間分別停留2小時和 20小時。在宇宙航行的歷史上也曾發生過高能帶電粒子損壞飛行體的例項，1962年7月9日，美國在太平洋上空進行的一次核爆炸（代號為“星魚”，當量為140萬噸），它所形成的人工輻射帶很強，衛星測量到的最大強度達 109電子／(釐米2·秒)。當時在上空執行的“子午儀”4B等 4顆衛星均先後停止了工作，其原因是暴露在外面的太陽能電池遭到破壞。高能電子照射到物質表面時，能破壞物質的晶體結構，造成缺陷，或者使分子、原子電離而改變物質的效能。高能電子受到物質的阻擋而減速時，將發出韌致X射線，它比帶電粒子有更大的貫穿本領，能進入飛行體內部，對艙內的儀器或宇航員造成不良影響。防護的辦法是：

（1）提高元件、器件的抗輻射能力。

（2）增加艙壁厚度，防護層的外層可採用原子序數低的材料，減少韌致X射線，內層則採用原子序數高的材料，吸收韌致X射線。

（3）選擇軌道。高能帶電粒子在空間並不是均勻分佈的，適當選擇軌道可以減少它的危害。例如，載人飛船多取低軌道，使飛船大部分時間在輻射帶下執行；或像“維拉”衛星那樣，為了減少輻射帶粒子的影響而採取大圓軌道（高度為10萬公里），遠遠超出輻射帶的範圍。

（4）選擇發射時機。對太陽質子事件進行預報，選擇適宜的時刻發射飛行器。

磁場對飛行體的作用

磁場的強度和方向是宇宙空間很重要的環境引數，在地球附近地磁場強度約數萬納特，在行星際空間或磁層內離地球幾個地球半徑以外的區域磁場較弱，只有幾個到幾百個納特。當飛行體具有磁矩

M

B

，使飛行體扭轉。若飛行體是不自旋的，這力矩將使飛行體的磁矩方向趨向於外磁場方向，若飛行體是自旋的，則力矩將使飛行體自旋軸圍繞磁場進動。例如，“泰羅斯”1號氣象衛星在磁場作用下自旋軸方位在赤緯－30°和＋40°之間擺動，50天時間內赤經變化了80°。此外，飛行體旋轉時，體內的導體產生感應電流，電流與外磁場相互作用的結果是使飛行體的自旋受到阻尼衰減，衰減速率除與飛行體的轉動慣量及轉動速度有關外，還與外磁場強度成正比。據實測結果，“先鋒”1號衛星在2年多的時間裡，自旋率從每秒二週半降到約30秒一週。因此，低軌道衛星，特別是需要進行長時間工作的、姿態精度要求比較高的衛星，必須考慮磁場的影響。減小磁場影響的辦法就是減小飛行體的磁矩，即儘量減少鐵磁性物質，在發射前檢測飛行體和各部件的磁性，通過退磁來減小各部件的磁性，並且合理安排帶磁性部件的位置，以減小飛行體的總磁矩。為了減小感應電流，在結構設計時應避免在衛星體中構成大的電流回路。利用磁場也可以主動控制衛星的姿態，例如在衛星的適當位置上安裝一組互相垂直的線圈，根據當時的磁場方向，在選定的線圈中通以一定的電流，即可產生所需要的改變衛星姿態的力矩。或者在衛星上安裝一根磁棒，使衛星平行磁棒的軸經常沿磁場方向，或在與自旋軸垂直的平面內安裝磁棒，以阻尼衛星的週期擺動。

電磁輻射對飛行體的作用

宇宙空間存在各種波段的電磁輻射，對飛行體有影響的電磁輻射主要來自太陽。美國發射的“天空實驗室”，由於鋁製微流星體防護板在發射時脫落，太陽輻射使艙內溫度迅速升高到43℃，宇航員採取措施遮擋陽光以後才得以正常工作。太陽光譜中除了佔能量的主要部分的可見光與紅外輻射以外，還有紫外線與X射線部分，它們所佔的總能量比例小，但卻會給人體和材料帶來有害的影響。紫外輻射能使金屬通過光電效應而產生自由電子，使金屬表面帶電；使晶體和玻璃改變顏色，影響透明度；破壞有機材料的化學鍵，引起化學反應；還能引起人體的面板癌。但紫外線的穿透能力比較低，很薄的防護層就可阻擋紫外線，只需對處於衛星表面的物體和材料，如太陽能電池、溫控塗層等加以防護即可。太陽 X射線對電子元器件和人體都有影響，但劑量比較低還不足以引起損傷。

等離子體對飛行體的影響

在空間飛行開始時，人們就認識到等離子體可以使飛行體充電，並估計飛行體相對等離子體的電位約幾伏到十幾伏。不會對飛行體產生嚴重影響。但70年代初，對同步軌道通訊衛星接連出現的故障進行分析表明，空間高溫等離子體（帶電粒子能量在幾萬電子伏以上）使衛星充電，與等離子體的電位差可達1萬伏，衛星各部件之間也可產生類似的電位差，它將導致衛星和等離子體之間及衛星各部件之間產生放電現象，放電中發出的電磁輻射將干擾衛星正常工作，還可將衛星的部件擊穿，造成永久性的損壞。充電的原因主要是電子的沉積，在處於熱平衡的等離子體中，電子和離子的能量相近，電子的熱運動速度遠大於離子的熱運動速度，電子沉積到飛行體表面的速度比等離子體運動速度也大得多，使飛行體迅速處於負電位，它排斥電子而降低電子沉積速度，吸引離子而增加它的沉積速度。當電位達到一定數值時，電子和離子沉積速度相等，飛行體即處於平衡電位，平衡電位與等離子體溫度（即電子能量）有關，溫度越高，平衡電位越高。

高層大氣對飛行體的阻尼作用

大氣密度隨高度迅速降低，在200公里處只有3×10-13克／釐米3左右。雖然在200公里以上高空，大氣已相當稀薄，但對飛行體的阻尼作用仍不能忽視。大氣對飛行體作用力的大小與大氣密度成正比，在高軌道上執行的衛星遇到的大氣稀薄，阻力小，軌道壽命較長，整個軌道高度在800公里以上的衛星，壽命在幾十年以上。在低軌道上執行的衛星遇到的大氣較稠密，受到的阻力大，壽命短，高度在200公里左右的衛星壽命只有幾天到幾十天。對於橢圓軌道，衛星受到的大氣阻力主要在近地點附近的一段軌道，近地點下降緩慢，遠地點以較快的速率下降，衛星軌道成為一連串長半軸逐漸縮短的橢圓，變成圓軌道，以後再逐漸下降到大氣層以內，使衛星隕落。大氣阻力與衛星垂直於運動方向的截面積成正比。衛星在大氣阻力作用下產生的減速度與衛星質量成反比，截面越大，質量越小的衛星，壽命越短。實時的高層大氣密度的數值，對於預報衛星軌道、衛星隕落的時間和地點，預測導彈的命中精度都是很重要的。反過來也可以利用衛星軌道的變化，來測定高層大氣密度的分佈（見高層大氣衛星阻尼觀測）。

微流星體對飛行體的作用

微流星體通常指直徑在1毫米以下，質量在1毫克以下的固體顆粒，它們在太陽引力作用下運動，相對於地球的平均速度約為10～30公里／秒，最大速度可達72公里／秒。由於微流星體的速度很高，當它與飛行體相撞時釋放出巨大的能量，對飛行體有很大的危害。質量小的微流星體主要是對飛行體表面的沙蝕作用，使表面粗糙，對於光學表面、太陽電池等影響很大。質量較大的微流星體由於其能量較大，還能造成飛行體表面發生裂痕或穿透殼壁。根據實測結果，主要危害來自質量低於10-7克，直徑小於100微米以下的微流星體，這種微流星體數量大，碰撞機會多。而由較大流星體造成的殼壁破裂的機會是很小的。飛行體殼壁被碰撞破裂的機會也與殼壁的厚度有關，當殼壁厚度為1毫米的鋁時，每平方米表面幾十年內才可能有一次產生破裂的碰撞，而0.1毫米厚的鋁製殼壁，在近地空間則可能每年有1000次產生破裂的碰撞。