空间环境及其对航天器的影响#航天工程系列

空间环境是指航天器在空间运行时所处的环境。在太阳系内，空间环境大致可分为地球空间环境、行星空间环境和行星际空间环境。其中，地球空间环境称为近地空间环境，行星空间环境和行星际空间环境统称为深空环境。

1、近地空间环境

 

近地空间一般指从地面至行星际的空间范围。航天器在发射飞离地球阶段，尚在地球磁层以内运行，此阶段探测器面临的空间环境为近地空间环境。近地空间中对航天器运行和航天测控存在较大影响的环境因素主要有太阳辐射、地球引力场和微重力、地球大气层、地球磁层和带电粒子辐射、流星体与空间碎片等。

2、太阳电磁辐射

太阳每秒约辐射3.9×10^{26}J能量，包含从波长小于10^{-14}m的射线到波长大于10km的无线电波。太阳电磁辐射是指太阳辐射中波长在电磁频段范围的输出。

太阳的电磁辐射与空间技术的关系十分密切。在太阳耀斑期间，会引起电离层电子浓度急剧增大，导致短波和中波无线电信号衰落，噪声的增强也会对测控通信系统造成干扰。

 

3、地球引力场和微重力

地球轨道航天器是在地球引力作用下绕地球做椭圆运动。实际上地球不是理想的球形，呈两极稍扁赤道略鼓的不规则椭圆球体。地球的质量分布不均匀，因此引力场的分布也不均匀。不均匀的地球引力场对航天器运行轨道造成摄动，使得航天器运行轨道偏离理想轨道。

微重力环境是指物体所受天体的引力被与引力方向相反的离心力抵消大部分后，剩余微弱重力的环境。航天器在绕天然星体运动中，其离心力抵消了绝大部分重力，加之航天器内有各种各样的效应可引起类似重力的扰动，故而使得航天器内部呈现微弱的重力特征。

4、地球大气层

根据大气的温度、密度及运动特性，可将大气层从海平面算起，依次向上分为5层，即对流层、平流层、中间层、热层和外层。

对流层位于大气的最底层，从地球表面开始向高空延伸，直至平流层的起点为止。对流层和平流层中大气质量几乎占全部大气的99.9%，这个区域是航空器的活动空间。

中间层是自平流层顶到85km之间的大气层。空气分子吸收太阳紫外辐射后可发生电离，习惯上称为电离层的D层。

热层是指在中间层顶以上大气温度重新急剧升高，直至包含一部分温度不再随高度变化的区间的大气层。随着太阳活动情况不同，热层顶的高度和温度有较大的变化。热层顶高度为400 ~ 700km，热层顶温度为500 ~2100K。

热层顶以上的等温大气称为外层大气。层中大气的温度不再随高度而变化，分子或原子之间很少碰撞。由于温度很高，粒子运动速度很高，所以有时它们能脱离地球重力场，有的可能脱离地球引力而逃逸到太空。因此，外层大气也叫逃逸层。

 

5、地球磁层和带电粒子辐射

带电粒子是威胁在轨航天器的重要环境要素之一。轨道上带电粒子的主要来源有地球辐射带、太阳能量粒子、银河宇宙线、太阳风等。

地球和近地空间之间存在的磁场称为地磁场。地磁场主要来源于地球内部，只有一小部分来自于外层空间。电导率无穷大的太阳风把地球磁场限制在一个有限的空间内，这个空间称为磁层。

磁层是地球控制的最外层区域，其直接与太阳风和行星际磁场接触。磁层与太阳风交界处的过渡区称为磁层顶，磁层顶的厚度为400 - 1000km。太阳风和行星际磁场的扰动和变化，首先影响磁层产生磁扰，严重时将产生磁暴和磁层亚暴。当磁暴发生时，无线电通信因电离层遭到破坏而发生中断。磁层中间充满着低能等离子体和高能带电粒子。

6、流星体与空间碎片

运行于地球轨道的航天器都暴露在一定通量的天然微流星体和人造空间碎片环境中，航天器有可能以极高的速度与这些粒子发生碰撞。流星体和空间碎片碰撞造成的损害取决于撞击粒子的大小、密度、速度、方向以及被撞击结构的特性。

流星体是天然来源的粒子，几乎所有的流星体都来源于小行星或彗星。

空间碎片是指废弃的航天器残骸或因航天器爆炸、碰撞而产生的碎片。

7、深空环境

对深空天体和空间进行探测的航天器称为深空探测器。按国际电信联盟（ITU）的规定，距离地球不小于2×10^{6}km的空间为深空。深空探测器在执行任务期间，除了会遭遇地球空间环境之外，还将面临深空环境的影响。深空环境主要包括行星空间环境和行星际空间环境。

8、恒星和星云

恒星是由发光等离子体（主要是氢、氦和微量的较重元素）构成的巨型球体。恒星空间里的物质通称为星际物质。星际物质的分布是不均匀的，有的地方物质密度较大，在照片上或用望远镜观测可看到一些云雾状的天体，称其为星云。

9、星系

现代宇宙学将由恒星、星团、星云和星际物质构成的天体系统称为星系。太阳是离地球最近的恒星，由太阳、大行星、卫星、小行星、彗星、流星体陨星以及行星际物质等构成的天体系统称为太阳系。

太阳是太阳系的中心天体，集中了太阳系总质量的99.8% ，控制着太阳系里各天体。太阳系有八大行星，按离太阳从近到远的顺序，八大行星的排列依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星以及海王星。

除了八大行星外，太阳系中还有许多小行星，其绝大部分都分布在水星和木星轨道之间。行星际空间还有稀薄的微小尘粒和气体，行星际气体主要由离子和电子组成，这些粒子来自于太阳的粒子流，构成了太阳风，对地球大气层影响很大。银河系是指包括太阳系在内的整个庞大的恒星系统。

 

10、太阳和月球

在所有天体中，太阳是同人类居住的地球关系最密切的星球。太阳上许多变化过程同地球上的许多现象都有着紧密的联系，对人类航天活动也有很大的影响，如来自太阳的粒子辐射对于航天员的安全以及人造卫星的材料、仪器有极大的危害。月球是地球的天然卫星，是除流星和人造天体之外离我们最近的天体。

11、空间环境对航天器及测控通信的影响

对于深空探测器，除了遭遇地球空间环境外，还将面临深空环境的影响，主要包括行星际飞行空间环境和行星空间环境两个方面。空间环境对测控通信的影响主要表现在电磁波的传播上。