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2017年12月18日 星期一

丁酉(鸡)年十一月初一

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  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。
  高能带电粒子对飞行体的作用 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电子伏的质子最大强度达 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,卫星测量到的最大强度达 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。
  磁场对飞行体的作用 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空间环境对飞行体的影响,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。
  电磁辐射对飞行体的作用 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。
  等离子体对飞行体的影响 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,造成永久性的损坏。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。
  高层大气对飞行体的阻尼作用 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,预测导弹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)。
  微流星体对飞行体的作用 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,最大速度可达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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更新时间 : 2009-07-23

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