太空物理环境

第1章绪论 “宇宙是用不着抽象的，宇宙只能是非常具体的。”诺贝尔文学奖获得者、印度著名作家泰戈尔如是说！ 1.1太空环境与航天活动 航天先驱康斯坦丁 齐奥尔科夫斯基留下著名论断：“地球是人类的摇篮。然而，人类绝不会永远躺在这个摇篮里，而会不断探索新的天体和空间。首先，人类将小心翼翼地穿过大气层，然后征服整个太阳系。”从1957年**颗人造卫星发射上天，人类已走过六十多年的航天发展史，取得了辉煌的成绩：近地空间数目繁多、功能齐全的在轨运行航天器及其附属的导航、通信、遥感、侦察、数据中继等能力；宇航员出舱操控、载人登月、普通人航天观光旅游等常态化太空活动；国际空间站（International SpaceStation，ISS）、中国空间站等长期在轨运行科研平台持续发展；深空与星际无人飞行器探索、太空望远镜长期在轨运行及对太阳和银河宇宙的多维观测等。 太空环境探测与研究先于人类航天活动发展，随着航天兴起而蓬勃。太空环境是航天器、宇航员在轨工作所要面临的外部环境，对航天器功能实现及宇航员生命安全至关重要。正因如此，面向航天活动的太空环境可靠性设计、试验与保障，航天服研究等成为航天活动前序必要环节。 1.1.1太空环境与航天器 航天器在轨运行面临的外部太空环境恶劣，太空环境影响导致的航天器故障种类繁多。在TheSpaceEnvimmmcut一书中，Tribble教授通过统计美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）所存航天器数据发现，约20%～25%的航天器故障与太空环境相关⑴；此外，NASA的Bedingfield等也得出相似结论[2]。 太空环境的要素（constituent）包括高真空、微重力、强腐蚀粒子、带电粒子、强辐射、轨道碎片、深黑低温、强热源以及热辐射（heat radiation）的主导作用等（图1.1和表1.1），对航天器的结构系统、有效载荷、电子元器件等产生影响[3-7]。其中，高真空、微重力等环境要素主要影响航天器结构设计、热控方式、敏感设备的紫外线防护等；强腐蚀粒子，主要指原子氧，存在于距地表100～600km的高度范围，能与许多物质发生化学反应，使其发生氧化、腐蚀（erode），进而性能衰退；带电粒子主要对应等离子体（plasma）环境，对航天器的影响体现为充放电效应（基本概念如图1.2所示，设定航天器周围太空环境电势为零，航天器充电时在其表面形成一个负的悬浮电势），包括表面及内部充放电，使其发生电子电路系统故障，甚至烧毁相关分系统[8_12];强辐射包括范 艾伦辐射带（见图1.3，展现了辐射带基本架构及其发现过程釆用的典型探测器）、南大西洋异常区（South Atlantic anomaly，SAA）、太阳质子事件（solar proton event，SPE）、银河宇宙射线（galactic cosmic ray，GCR）等，主要影响航天器电子元器件，发生移位损伤（displacement damage，DD）、总电离剂量（total ionizing dose，TID）效应、单粒子效应等，降低航天器存储、计算、控制等功能；深黑低温、强热源以及热辐射的主导作用主要影响航天器的热控设计，包括系统级设计（如热流优化、热控涂层等）及分系统级设计（如灵敏部件热控措施等）。轨道碎片环境主要通过高速撞击对在轨运行航天器产生影响（图1.4为美国空间监视网（Space Surveillance Network，SSN）给出的截至2020年12月全部可探测到的空间目标分类及数量，轨道碎片数目巨大且逐年递增）。此外，从太空粒子能量（energy）角度出发，粒子能量、环境要素及其对航天器的影响如图1.5所示[31:粒子能量越高，对航天器破坏威力越大；除了能量因素外，粒子通量（flux）也是航天器受影响程度的关键因素。 许多著名航天器曾因太空环境影响导致性能衰退、任务过早结束或成为失效卫星等[11-16]：美国的天空实验室因大气阻力作用弓丨起轨道过快衰退，任务提早结束；由于充放电效应及单粒子事件影响，美国TDRS系列卫星和CRRES卫星的姿态控制处理电路发生多次异常；加拿大通信卫星公司的Anik-E通信卫星由于静电放电（electrostatic discharging，ESD）引发制导系统故障；哈勃太空望远镜服役早期，每次从阴影区出来进入太阳辐照区，其太阳能电池阵都会发生剧烈振动，照相前需要启动陀螺系统来抑制振动，问题查找*终定位为支撑杆热膨胀所致，服役后期在支撑杆外加个套管消除了图像抖动。