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空間飛行環境

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空間飛行環境是航天器在外層空間飛行時所處的環境條件。它可分為自然環境和誘導環境,自然環境包括失重和各種空間環境。誘導環境是指航天器某些系統工作時或在空間環境作用下產生的環境。

1 空間飛行環境 -空間飛行環境

 

2 空間飛行環境 -正文

  航天器在外層空間飛行時所處的環境條件。它可分為自然環境和誘導環境,自然環境包括失重和各種空間環境。誘導環境是指航天器某些系統工作時或在空間環境作用下產生的環境。例如,軌道控制推力器點火和太陽電池翼伸展引起的振動、衝擊環境,航天器上的磁性材料和電流迴路在空間磁場中運動產生的感應磁場,航天器上有機材料逸出物沉積在其他部位造成的分子污染等。空間環境是空間飛行的基本環境條件,對航天器的運動和各系統的工作有顯著影響(見空間環境影響)。空間環境包括:真空、電磁輻射、高能粒子輻射、等離子體、微流星體、行星大氣、磁場和引力場等。根據空間存在的物質、輻射和力場的時空分佈特性,太陽系內的空間環境大致可分為行星際空間環境、地球空間環境和(其他)行星空間環境(見太空)。
  行星際空間環境  行星際空間是一個廣闊的極高真空的環境,存在著太陽連續發射的電磁輻射、爆發性的高能粒子輻射、穩定的等離子體流(稱太陽風)及其行星際磁場。這裡的環境主要受太陽活動的影響。行星際環境還包括來自外界的銀河宇宙線和微流星等。
  ①太陽電磁輻射:太陽發射的電磁波範圍從波長短於10-4埃的γ射線到波長大於10000米的無線電波。輻射總能量的99.9%集中在 0.2~10.2微米波段內。在地球大氣層外距離太陽 1個天文單位處,垂直於射線方向的單位面積上、在單位時間內所有波段的太陽總輻射能量稱為太陽常數,其值約為0.137瓦/厘米2或1.97卡/(厘米2·分)。

空間飛行環境空間飛行環境

  ②太陽宇宙線:從太陽表面爆發噴射出來的高能粒子的主要成分是能量在10兆電子伏和104兆電子伏之間的質子,稱為太陽宇宙線。太陽宇宙線在太陽活動的高峰年及其後的2~3年內出現的概率為最大,每年可達10次或者更多,每次爆發時的持續時間約為十幾個小時到幾天,在到達地球附近時,能量大於10兆電子伏的質子的最大瞬時通量可達 104質子/(厘米2·秒),一次爆發的總通量可達109質子/(厘米2·秒),每年的總通量可達1010質子/(厘米2·年)。
  ③太陽風:在距太陽1個天文單位處,寧靜太陽風的平均速度為320公里/秒,電子和質子的密度約為8個/厘米3,質子的溫度約為4×104K,電子的溫度約為10K。日面出現擾動時,太陽風也隨之擾動,太陽風的速度有時超過1000公里/秒。
  ④行星際磁場:太陽自轉和太陽風沿徑向向外運動的結果使行星際磁場具有阿基米得螺線式結構。磁場的主要分量在黃道面內,由幾個扇形區組成。在每個扇形區內,磁場的方向一致:全部向著太陽,或全部背著太陽,且相鄰的兩個扇形區內的磁場方向相反。
  ⑤銀河宇宙線:來自宇宙空間的各種高能帶電粒子,大部分是質子,其次是α粒子,還有少量其他各種原子核。宇宙線高能粒子的能量很高,但通量很低,對航天器的影響很小。
  ⑥微流星體:在行星際空間存在著運動速度極高的非常小的流星體,稱為微流星體。它們的直徑大多小於1毫米,質量大多小於1毫克,相對於地球的運動速度大多為10~30公里/時。
  地球空間環境 包括地球高層大氣、電離層和磁層中的各種環境條件。地球空間也存在著太陽電磁輻射,太陽宇宙線、銀河宇宙線和微流星體等。
  ① 高層大氣:大氣的密度和壓強隨高度的增加按指數規律迅速下降。在1000公里處大氣壓強約為10-10~10-11帕,在10000公里處約為10-14帕。大氣的密度和壓強除了隨高度有顯著的變化外,還與大氣的溫度有密切的關係,而溫度又隨季節、地方時差和太陽活動的程度等因素變化,致使高層大氣呈現極為複雜和多變的結構。
  ② 電離層:大約從距地面60公里處開始,太陽的電磁輻射和粒子輻射使大氣的中性成分部分或全部電離,成為電子和正離子,構成電離層。電離層的電子濃度隨高度而變化,還常出現幾個極值區,稱為「層」,有D層、E 層和F(F1+F2)層。電離層的電子濃度還隨晝夜、季節、緯度和太陽的活動而變化。
  ③ 磁層:地球磁場近似於偶極子磁場,太陽風將地磁場屏蔽在地球周圍的一定空間範圍內,形成地球磁層。它從距地表面 600~1000公里處開始向遠處空間延伸,其外邊界稱為磁層頂,朝向太陽,磁層頂離地面的距離為地球半徑的 8~11倍。磁層的形狀在向太陽的一面很像一個略被壓扁的半圓球,背向太陽的一面有一個很長的近似於圓柱形的尾部,稱為磁尾。太陽風的擾動往往會引起地球磁層的劇烈變化,有時還會發生磁層暴和磁層亞暴。在磁層亞暴時,磁尾的等離子體片中會出現3~200千電子伏的高能等離子體,向地球注入時可以達到地球靜止衛星的軌道高度。磁層中還存在著高能帶電粒子,其相對密度較大的聚集區域稱為地球輻射帶,又稱范愛倫輻射帶。地球輻射帶分為內輻射帶和外輻射帶,內輻射帶主要由能量為幾到幾十兆電子伏的高能質子組成,外輻射帶主要由能量為幾十到幾百千電子伏的高能電子組成。輻射帶高能粒子的通量較大,是引起航天器的一些材料、器件和人體輻射損傷的主要原因。
  其他行星空間環境  空間探測器已經探測到水星、金星、火星、木星和土星等的周圍空間環境。這些行星空間也存在著太陽電磁輻射、太陽宇宙線、銀河宇宙線和微流星體等。
  ①水星:太陽系中靠太陽最近的行星。水星上大氣極稀薄,晝夜溫差極大,白天太陽光直射處的溫度高達700K,夜間為100K。水星的磁場很弱,磁層很薄。
  ②金星:有極稠密的大氣層,表面的大氣壓約為地球的90倍,主要成分是二氧化碳(佔97%以上)。由於大氣的「溫室效應」,金星表面的溫度高達465~485°C,而且晝夜溫差很小。金星基本上沒有磁場,沒有磁層。太陽風可以與電離層直接相互作用。
  ③火星:火星上的大氣稀薄,主要成分是二氧化碳,約佔95%。表面大氣壓為750帕,表面溫度有明顯的日變化,火星的磁場很弱,磁層也很薄。
  ④木星:太陽系中最大的行星。木星有濃密的大氣,主要的成分是氫,大氣溫度很低,底部的氣體已經液化。木星具有很強的磁場,磁場與太陽風相互作用而形成很厚的磁層,磁層中有很強的輻射帶,因而木星有很強的射電輻射。
  ⑤土星:土星的大氣成分以氫和氦為主,並含有甲烷和其他氣體,大氣中漂浮著由稠密的氨晶體組成的雲。土星的大氣溫度比木星低。土星有很強的磁場,磁層的範圍比地球的磁層大千餘倍,但比木星的小。

 

3 空間飛行環境 -配圖

 

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