空間環境對飛行體的影響

空間環境對飛行體的影響,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太空人所造成的影響。

基本介紹

  • 中文名:空間環境對飛行體的影響
  • 組成:高能質子
這是空間科學重要的套用課題之一。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/(厘米2·秒),能量大於4×106電子伏的質子最大強度達106質子/(厘米2·秒)。在一次太陽大耀斑爆發過程中,飛行體每一平方厘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公里的圓軌道上運行的衛星,若每平方厘米艙壁的質量為0.5克,輻射帶粒子在艙內每天的累積劑量達600拉德(rad),即使每平方厘米艙壁質量增加到4克,每天累積劑量仍可達60拉德,若以50拉德為太空人允許劑量,那么上述兩種劑量只能使太空人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實例,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/(厘米2·秒)。當時在上空運行的“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性能。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,對艙內的儀器或太空人造成不良影響。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布的,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運行;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參數,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MB時,它將受外磁場B的作用,表現為飛行體受到一力矩,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,自旋率從每秒二周半降到約30秒一周。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迴路。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,以阻尼衛星的周期擺動。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℃,太空人採取措施遮擋陽光以後才得以正常工作。太陽光譜中除了占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,它們所占的總能量比例小,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;還能引起人體的皮膚癌。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。電漿對飛行體的影響 在空間飛行開始時,人們就認識到電漿可以使飛行體充電,並估計飛行體相對電漿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,對同步軌道通信衛星接連出現的故障進行分析表明,空間高溫電漿(帶電粒子能量在幾萬電子伏以上)使衛星充電,與電漿的電位差可達1萬伏,衛星各部件之間也可產生類似的電位差,它將導致衛星和電漿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,在處於熱平衡的電漿中,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電漿運動速度也大得多,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,平衡電位與電漿溫度(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/厘米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,在高軌道上運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。在低軌道上運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,預測飛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布(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。

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