[拼音]：kongjian huanjing dui feixingti de yingxiang

[外文]：effects of space environment on spacecraft

宇宙空间中的粒子、电磁场、电磁辐射、高真空、高空重力、高温和低温等环境条件对航行中的飞行器及宇航员所造成的影响。这是空间科学重要的应用课题之一。

地球和木星辐射带中的高能带电粒子、银河宇宙线和太阳耀斑喷发出的太阳宇宙线，主要由高能质子组成。它们的能量高，有一定的贯穿能力和破坏能力，在宇宙航行中需要采取措施进行防护。在地球辐射带中，能量大于5×104电子伏的电子强度达2×103电子／(厘米2·秒)，能量大于4×106电子伏的质子较大强度达 106质子／（厘米2·秒）。在一次太阳大耀斑爆发过程中，飞行体每一平方厘米的表面上可能受到109个能量大于3.0×107电子伏质子的轰击。在倾角为30°，高度为2000公里的圆轨道上运行的卫星，若每平方厘米舱壁的质量为0.5克，辐射带粒子在舱内每天的累积剂量达600拉德(rad)，即使每平方厘米舱壁质量增加到4克，每天累积剂量仍可达 60拉德，若以50拉德为宇航员允许剂量，那么上述两种剂量只能使宇航员在宇宙空间分别停留2小时和 20小时。在宇宙航行的历史上也曾发生过高能带电粒子损坏飞行体的实例，1962年7月9日，美国在太平洋上空进行的一次核爆炸（代号为“星鱼”，当量为140万吨），它所形成的人工辐射带很强，卫星测量到的较大强度达 109电子／(厘米2·秒)。当时在上空运行的“子午仪”4B等 4颗卫星均先后停止了工作，其原因是暴露在外面的太阳能电池遭到破坏。高能电子照射到物质表面时，能破坏物质的晶体结构，造成缺陷，或者使分子、原子电离而改变物质的性能。高能电子受到物质的阻挡而减速时，将发出韧致X射线，它比带电粒子有更大的贯穿本领，能进入飞行体内部，对舱内的仪器或宇航员造成不良影响。防护的办法是：

（1）提高元件、器件的抗辐射能力。

（2）增加舱壁厚度，防护层的外层可采用原子序数低的材料，减少韧致X射线，内层则采用原子序数高的材料，吸收韧致X射线。

（3）选择轨道。高能带电粒子在空间并不是均匀分布的，适当选择轨道可以减少它的危害。例如，载人飞船多取低轨道，使飞船大部分时间在辐射带下运行；或像“维拉”卫星那样，为了减少辐射带粒子的影响而采取大圆轨道（高度为10万公里），远远超出辐射带的范围。

（4）选择发射时机。对太阳质子事件进行预报，选择适宜的时刻发射飞行器。

磁场的强度和方向是宇宙空间很重要的环境参数，在地球附近地磁场强度约数万纳特，在行星际空间或磁层内离地球几个地球半径以外的区域磁场较弱，只有几个到几百个纳特。当飞行体具有磁矩MB时，它将受外磁场B的作用，表现为飞行体受到一力矩，使飞行体扭转。若飞行体是不自旋的，这力矩将使飞行体的磁矩方向趋向于外磁场方向，若飞行体是自旋的，则力矩将使飞行体自旋轴围绕磁场进动。例如，“泰罗斯”1号气象卫星在磁场作用下自旋轴方位在赤纬－30°和＋40°之间摆动，50天时间内赤经变化了80°。此外，飞行体旋转时，体内的导体产生感应电流，电流与外磁场相互作用的结果是使飞行体的自旋受到阻尼衰减，衰减速率除与飞行体的转动惯量及转动速度有关外，还与外磁场强度成正比。据实测结果，“先锋”1号卫星在2年多的时间里，自旋率从每秒二周半降到约30秒一周。因此，低轨道卫星，特别是需要进行长时间工作的、姿态精度要求比较高的卫星，必须考虑磁场的影响。减小磁场影响的办法就是减小飞行体的磁矩，即尽量减少铁磁性物质，在发射前检测飞行体和各部件的磁性，通过退磁来减小各部件的磁性，并且合理安排带磁性部件的位置，以减小飞行体的总磁矩。为了减小感应电流，在结构设计时应避免在卫星体中构成大的电流回路。利用磁场也可以主动控制卫星的姿态，例如在卫星的适当位置上安装一组互相垂直的线圈，根据当时的磁场方向，在选定的线圈中通以一定的电流，即可产生所需要的改变卫星姿态的力矩。或者在卫星上安装一根磁棒，使卫星平行磁棒的轴经常沿磁场方向，或在与自旋轴垂直的平面内安装磁棒，以阻尼卫星的周期摆动。

宇宙空间存在各种波段的电磁辐射，对飞行体有影响的电磁辐射主要来自太阳。美国发射的“天空实验室”，由于铝制微流星体防护板在发射时脱落，太阳辐射使舱内温度迅速升高到43℃，宇航员采取措施遮挡阳光以后才得以正常工作。太阳光谱中除了占能量的主要部分的可见光与红外辐射以外，还有紫外线与X射线部分，它们所占的总能量比例小，但却会给人体和材料带来有害的影响。紫外辐射能使金属通过光电效应而产生自由电子，使金属表面带电；使晶体和玻璃改变颜色，影响透明度；破坏有机材料的化学键，引起化学反应；还能引起人体的皮肤癌。但紫外线的穿透能力比较低，很薄的防护层就可阻挡紫外线，只需对处于卫星表面的物体和材料，如太阳能电池、温控涂层等加以防护即可。太阳 X射线对电子元器件和人体都有影响，但剂量比较低还不足以引起损伤。

在空间飞行开始时，人们就认识到等离子体可以使飞行体充电，并估计飞行体相对等离子体的电位约几伏到十几伏。不会对飞行体产生严重影响。但70年代初，对同步轨道通信卫星接连出现的故障进行分析表明，空间高温等离子体（带电粒子能量在几万电子伏以上）使卫星充电，与等离子体的电位差可达1万伏，卫星各部件之间也可产生类似的电位差，它将导致卫星和等离子体之间及卫星各部件之间产生放电现象，放电中发出的电磁辐射将干扰卫星正常工作，还可将卫星的部件击穿，造成长久性的损坏。充电的原因主要是电子的沉积，在处于热平衡的等离子体中，电子和离子的能量相近，电子的热运动速度远大于离子的热运动速度，电子沉积到飞行体表面的速度比等离子体运动速度也大得多，使飞行体迅速处于负电位，它排斥电子而降低电子沉积速度，吸引离子而增加它的沉积速度。当电位达到一定数值时，电子和离子沉积速度相等，飞行体即处于平衡电位，平衡电位与等离子体温度（即电子能量）有关，温度越高，平衡电位越高。

大气密度随高度迅速降低，在200公里处只有3×10-13克／厘米3左右。虽然在200公里以上高空，大气已相当稀薄，但对飞行体的阻尼作用仍不能忽视。大气对飞行体作用力的大小与大气密度成正比，在高轨道上运行的卫星遇到的大气稀薄，阻力小，轨道寿命较长，整个轨道高度在800公里以上的卫星，寿命在几十年以上。在低轨道上运行的卫星遇到的大气较稠密，受到的阻力大，寿命短，高度在200公里左右的卫星寿命只有几天到几十天。对于椭圆轨道，卫星受到的大气阻力主要在近地点附近的一段轨道，近地点下降缓慢，远地点以较快的速率下降，卫星轨道成为一连串长半轴逐渐缩短的椭圆，变成圆轨道，以后再逐渐下降到大气层以内，使卫星陨落。大气阻力与卫星垂直于运动方向的截面积成正比。卫星在大气阻力作用下产生的减速度与卫星质量成反比，截面越大，质量越小的卫星，寿命越短。实时的高层大气密度的数值，对于预报卫星轨道、卫星陨落的时间和地点，预测 的命中精度都是很重要的。反过来也可以利用卫星轨道的变化，来测定高层大气密度的分布（见高层大气卫星阻尼观测）。

微流星体通常指直径在1毫米以下，质量在1毫克以下的固体颗粒，它们在太阳引力作用下运动，相对于地球的平均速度约为10～30公里／秒，较大速度可达72公里／秒。由于微流星体的速度很高，当它与飞行体相撞时释放出巨大的能量，对飞行体有很大的危害。质量小的微流星体主要是对飞行体表面的沙蚀作用，使表面粗糙，对于光学表面、太阳电池等影响很大。质量较大的微流星体由于其能量较大，还能造成飞行体表面发生裂痕或穿透壳壁。根据实测结果，主要危害来自质量低于10-7克，直径小于100微米以下的微流星体，这种微流星体数量大，碰撞机会多。而由较大流星体造成的壳壁破裂的机会是很小的。飞行体壳壁被碰撞破裂的机会也与壳壁的厚度有关，当壳壁厚度为1毫米的铝时，每平方米表面几十年内才可能有一次产生破裂的碰撞，而0.1毫米厚的铝制壳壁，在近地空间则可能每年有1000次产生破裂的碰撞。

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