空间微重力环境

《空间技术概论》课程大作业题目：_____ _空间微重力环境________________

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授课教师：_______ ___ _ ___

哈尔滨工业大学航空宇航制造工程系

2015年4月25日

空间微重力环境

摘要：本文介绍了空间环境的类型、形成原因及其特点，空间技术国内外研究现状与发展趋势，其中主要介绍空间微重力环境效应及其对航天器的影响，以及空间微重力环境的地面模拟技术和模拟设备。

关键词：空间；微重力

一．空间环境的类型、形成原因及其特点

空间环境类型很复杂，包括：真空与高低温、磁、微重力、原子氧、等离子体、空间碎片与微流星体以及粒子辐射等。根据空间存在的物质、辐射和力场的时空分布特性，太阳系内的空间环境大致可分为行星际空间环境、地球空间环境和（其他）行星空间环境。

1.行星际空间环境

行星际空间是一个广阔的极高真空的环境，存在着太阳连续发射的电磁辐射、爆发性的高能粒子辐射、稳定的等离子体流（称太阳风）及其行星际磁场。这里的环境形成主要受太阳活动的影响。

①太阳电磁辐射：太阳发射的电磁波范围从波长短于10埃的γ射线到波长大于10000米的无线电波。辐射总能量的99.9%集中在 0.2～10.2微米波段内。垂直于射线方向的单位面积上、在单位时间内所有波段的太阳总辐射能量称为太阳常数，其值约为0.137瓦/厘米或1.97卡/（厘米·分）。

②太阳宇宙线：从太阳表面爆发喷射出来的高能粒子的主要成分是能量在

10兆电子伏和10兆电子伏之间的质子，称为太阳宇宙线。太阳宇宙线在太阳活动的高峰年及其后的2～3年内出现的概率为最大，每年可达10次或者更多，每次爆发时的持续时间约为十几个小时到几天，在到达地球附近时，能量大于10

兆电子伏的质子的最大瞬时通量可达 10质子/(厘米·秒)，一次爆发的总通量

可达10质子/(厘米·秒),每年的总通量可达10质子/(厘米·年)。

③太阳风：在距太阳1个天文单位处,宁静太阳风的平均速度为320公里/秒，电子和质子的密度约为8个/厘米,质子的温度约为4×10K，电子的温度约

为10K。日面出现扰动时，太阳风也随之扰动，太阳风的速度有时超过1000公

里/秒。

④行星际磁场：太阳自转和太阳风沿径向向外运动的结果使行星际磁场具有阿基米得螺线式结构。磁场的主要分量在黄道面内，由几个扇形区组成。在每个

扇形区内，磁场的方向一致：全部向着太阳，或全部背着太阳，且相邻的两个扇形区内的磁场方向相反。

图1 磁层剖面示意图

⑤银河宇宙线：来自宇宙空间的各种高能带电粒子，大部分是质子，其次是α粒子，还有少量其他各种原子核。宇宙线高能粒子的能量很高，但通量很低，对航天器的影响很小。

⑥微流星体：在行星际空间存在着运动速度极高的非常小的流星体，称为微流星体。它们的直径大多小于1毫米，质量大多小于1毫克，相对于地球的运动速度大多为10～30公里/时。

图2 太阳对空间环境的影响

2.其他行星空间环境

空间探测器已经探测到水星、金星、火星、木星和土星等的周围空间环境。这些行星空间也存在着太阳电磁辐射、太阳宇宙线、银河宇宙线和微流星体等。

①水星：太阳系中靠太阳最近的行星。水星上大气极稀薄，昼夜温差极大，白天太阳光直射处的温度高达700K，夜间为100K。水星的磁场很弱，磁层很薄。

②金星：有极稠密的大气层，表面的大气压约为地球的90倍，主要成分是二氧化碳（占97%以上）。由于大气的“温室效应”，金星表面的温度高达465～485°C，而且昼夜温差很小。金星基本上没有磁场，没有磁层。太阳风可以与电离层直接相互作用。

③火星：火星上的大气稀薄，主要成分是二氧化碳，约占95%。表面大气压为750帕,表面温度有明显的日变化，火星的磁场很弱，磁层也很薄。

④木星：太阳系中最大的行星。木星有浓密的大气，主要的成分是氢，大气温度很低，底部的气体已经液化。木星具有很强的磁场，磁场与太阳风相互作用而形成很厚的磁层，磁层中有很强的辐射带，因而木星有很强的射电辐射。

⑤土星：土星的大气成分以氢和氦为主，并含有甲烷和其他气体，大气中漂浮着由稠密的氨晶体组成的云。土星的大气温度比木星低。土星有很强的磁场，磁层的范围比地球的磁层大千余倍，但比木星的小。

空间环境组成复杂，直接影响航天器的安全运行以及航天员的生命安全，对空间环境的研究十分重要。

二．空间环境技术国内外研究现状与发展趋势

20世纪60年代, 人类的空间活动刚刚起步, 由于对空间环境及其特殊效应的不甚了解, 航天器在轨故障率很高。随着航天活动的日益增多, 人们逐步认识到空间环境极其特殊效应对航天器寿命和可靠性的重要性。

美国NASA逐步建立了12个专业实验室和研究中心,专门从事空间环境效应、空间环境试验技术与空间环境防护技术研究。同时美国在波音公司、洛克希德一马丁公司、麦克唐纳一道格拉斯公司、通用电器公司等工业部门及大学也建立了大批不同规模的空间环境试验研究中心。欧空局(ESA)相继建立了ESETC、INTERSPACE、IABG等大型空间环境试验研究中心。加拿大、英国等建立了自己的空间环境试验研究机构。前苏联在莫斯科、萨马拉、新西伯利亚、及乌克兰的哈尔克夫等建立了4个空间环境试验研究机构。日本在筑波宇宙中心建立了空间环境模拟与试验研究基地。印度也建立了自己的空间环境试验中心。迄今,世界各航天大国已在空间环境模拟技术、地面试验评价方法、飞行试验技术、环境效应机理寿命预示与可靠性分析、空间环境效应防护技术等方面投人了巨大的财力、人力,开展了广泛深人的实验研究工作,取得了大量研究成果,在促进航天器

长寿命高可靠性技术发展方面发挥了非常重要的作用。

与国外相比,我国的空间环境极其特殊效应研究工作差距很大,主要表现在:(l)航天器空间环境试验与观测技术研究主要由型号牵引,专业推动发展十分欠缺,缺乏系统全面的规划;(2)空间环境效应在轨飞行试验监测技术十分落后,没有建立自己的空间环境数据库和模型;(3)空间环境试验新技术新方法研究很不够,技术储备很少;(4)空间环境极其特殊效应研究的队伍弱小,特别是缺乏高水平的领军人物。

航天五院空间环境工程试验组拥有的∅800空间综合辐照环境试验系统是国内第一台自行研制的空间环境综合效应模拟试验备,能够模拟空间中能电子、低能质子、近紫外、远紫外、等离子体、高低温和真空七种环境,可模拟轨道环境对航天器外露材料表面性能(太阳吸收率、光谱反射率、表面电阻率等)的退化效应。具有环境真实、试验效率较高的特点。该设备既可提供多种环境同时辐照,也能够提供单一环境试验。

空间碎片工程试验组拥有一门∅18mm二级轻气炮和激光驱动微小碎片加速器。二级轻气炮是目前国际上用于在实验室模拟空间碎片超高速撞击特性的主要设备。激光驱动加速器是国外近年来进行空间碎片超高速撞击试验研究的一种新方法,可发射毫米级、次毫米级和微米级的单个微小碎片, 也可或单次多颗发射。该设备具有结构简单、发射成本低、没有化学污染和电磁干扰等优点,便于试验过程的参数测量和试验结果分析、容易和其他环境因素组成综合环境模拟设备。通过调整激光功率和激光束直径,可以容易的改变发射碎的速度和尺寸,主要用于微米级碎片超高速撞击特性和累积损伤效应的研究。

图3 ∅800空间综合辐照环境试验系统