物理读书笔记-09资源 郭盼

《空间环境》

读书笔记《空间环境》作者：艾伦·C·特里布尔姓名：郭盼班级：地质系09资源学号：09101050102010/10/24本书概述

这本书重点讨论的是航天器系统性能的环境因素。目的在于了解空间环境与航天器、空间仪器、操作规程以及设计选项之间的相互作用方式。为了反映地球轨道环境所具有的基本特性，把空间环境效应分为5大类，即：真空环境、中性粒子环境、等离子体环境、辐射环境、微流星体/轨道碎片环境。一、真空环境：在100km的高度上，周围的大气压力比海平面大气压力低6个数量级。甚至在航天器离开运载器之前，其周围大气压也会降到类似真空的水平。当暴露在大气压力非常低的环境中时，许多物质会由于真空出气导致质量减少，实际上，挥发性物质会摆脱物体表面的吸力，进入到周围的环境中。在空间中，出气物质会把污染物沉积在热学、光学部件的表面，从而会改变这些设备的热、光学性质。因此，对于在高空以高速飞行的航天器来说，保持表面清洁是飞行任务成功的关键。另一个挑战是温度控制。真空环境中没有大气，就无法通过气体的对流来进行传热，航天器只能利用传导或辐射来为自身降温。传导是依靠航天器的各个不同部位的热交换完成的，而辐射是航天器和环境之间进行热交换的主要途径。航天器产生的多余热量，必须通过某种方式及时地耗散掉，最常用的方法就是通过散热器散热。真空环境中，紫外线对航天器有很大影响。只有21%的太阳光能不受阻碍的穿过地球大气层，到达地球表面，31%的太阳光被反射回太空，29%通过散射到达地球，19%作为热量被大气吸收，紫外线全部被地球的臭氧层吸收，航天器的表面会完全暴露在太阳紫外线之中。紫外线中的单个光子具有的能量足以使许多物质的有机化学键断裂。结果，这些物质一旦暴露在紫外线的辐射中，其物理性质都将发生改变（这也是为什么人们越来越担心，皮肤癌的增长很可能与氟利昂的排放导致地球臭氧层变薄有关的原因）。所以航天器因为暴露在空间环境中，而引起材料性能降低。材料性能降低的原因不仅仅是由紫外线造成的，还与污染密切相关。不管是外界环境因素还是航天器本身存在的出气过程，都是污染源。所以，在航天器的设计上，应选对合适的材料，如选择对紫外线抵抗力较强的材料，同时，设计时必须考虑自身产生污染的可能性，并采取有效地措施把这种可能性降到最低。二、有关中性环境：LEO轨道（低地球轨道）上的中性气体十分稀薄，根本无法维持人类的生命活动，但它却足以对轨道上以8km/s高速飞行的航天器造成重大影响。AO（原子氧）是低地球轨道中残余大气的主要成分，具有极强的活性，可以通过化学反应腐蚀物体表面，或增强物体的可见光强度，干扰遥感、遥测。划分大气层时，最靠近地球表面的那部分区域被称为对流层，其特点是层内组分近似一致：78%的氮气，21%的氧气，1%氩气和其他稀有气体。随着高度的升高，对流层的温度和密度会随之降低。对流层的上面是平流层。平流层的起始高度为11~12km。由于10~80km高度范围内的臭氧层吸收了太阳的紫外线，从而使此区域的大气温度有所升高。在大约45km的高度以上，存在一层温度较低的区域，称为中间层。中间层向上一直延伸到大约80~85km的高度，这里的大气温度最低，约为180K。由于中间层所处的高度超出了气球可以到达的极限高度，而且又低于航天器的最低的近地点的地带”。在中间层的上面是热层。大约80km以上，各类化学反应迅速的破坏着臭氧层，分子氧很快被分解成了氧原子。热层的化学组分使该层成为大气层中吸收作用最强的一层，吸收太阳紫外线之后，使得热层的温度相应的升高。热层的上面是外层，该层内气态粒子更为稀薄，碰撞率很低，因此，粒子沿弹道状轨迹运动时只受重力影响。在低地球轨道，中性大气层是人们最关注的环境因素，在研究其对航天器的影响时，通常将其上界限定在1000km。由于地球重力的作用，质量较大的分子更靠近地球表面，而在较高的空间，化学反应和太阳紫外线的作用会使分子间的化学键断裂，因此，大气的化学成分会随着高度的变化而改变。N2是对流层和平流层最主要的成分，而在175km的高空，原子氧则成为最主要成分。在大约650km的高空，原子氧让位给氦气，而在大约2500km的高空，氢气又取代了氦气成为大气层的主要成分。在中性环境中，各粒子对航天器有机械作用，即环境中的各原子、分子对航天器有碰撞影响。除此之外，有些粒子对其还有化学反应，例如在大约100~600km的高度，大气层的主要成分为原子氧（AO），AO具有极大的活性，会与很多物质大声相互作用，使其发生氧化、腐蚀，是材料的性能退化，并且会剥蚀掉可燃性物质，使材料质量损失，会给航天器带来严重后果。所以在航天器设计时，应选择比较稳定、与原子氧不易发生反应的材料，并在表面增加防护层；且应减小迎风面，是阻力最小。飞行时应调整飞行方向，使它在气流中的迎风面积最小。三、有关等离子体环境：物质有4种基本形态，分别是固态、液态、气态、等离子态。区分这4种形态的不同之处在于衡量物质具有多少有效能（热量）。加热固态物质会变成液态物质，加热液态物质可以变成气态物质，加热气态物质就形成了等离子态物质。从根本上来讲，当原子中的电子得到能量，摆脱原子核对电子的束缚时，就形成了等离子体。更正式的讲，等离子体可以定义为由带电粒子组成的气体，其中粒子与其相邻粒子之间的势能要小于粒子的动能。宇宙中超过99%的物质，如太阳和恒星体，都是等离子体，非等离子体物质只有1%，而人类恰恰就生活在宇宙中非常稀少的非等离子体物质上。地球周围大多数的轨道环境都处于等离子体状态，因此进入等离子体环境的航天器可能具有很高的电位。处于等离子体环境中的航天器，由于表面材料的导电性的差别，导体和绝缘体有不同的电位。如果电位差达到足够大时，物体表面会发生电弧放电。人们对此极为关注，因为电弧放电可能形成物理性损坏，会使航天器的分系统遭到永久性的破坏，还可能产生电磁干扰，影响灵敏电子设备的正常运行。在低地球轨道上，太阳紫外线使大气层周围的氧气和氮气发生电离，形成等离子体。此环境中的等离子体对航天器的的充放电有很大影响。在设计时应尽可能的是航天器的表面材料导电性一致。四、有关辐射环境：探索者I号观测到，许多高能带电粒子，如电子和质子被束缚在轨道上，并沿着地球磁力线的方向运动。带电粒子所在的这个区域叫做地球捕获辐射带。辐射带与低能离子组成的等离子体环境有很大的不同，辐射带里的粒子能量很大。这样一来，辐射带中的粒子和其他与银河系宇宙线、太阳质子事件或高空核爆有关的高能粒子一样，不是仅局限在材料表面发生作用，很可能会穿过材料的表面进入材料内部。因此，这些粒子具有穿过航天器表面进入内部发生作用的能力。一般来说，任何高能粒子（电子、质子、中子、重离子），或光子（γ射线、X射线），都被认定为具有辐射性。当辐射向物质内部传输时，它在路径上能引起材料电离或发生位移。受到辐射的物质，随后自身可能又产生更进一步的分裂。其结果是使材料的整体性质发生改变性能降低。辐射损伤会降低太阳能电池的输出功率：太阳能电池受到辐射作用影响时，会出现电离效应和位移损伤效应，使电池产生的电流和功率也随之下降。也会使光学设备的焦距面形成伪信号，或者使航天器的电子设备及控制系统的存储单元产生错误。材料受到辐射损伤的程度，不仅取决于辐射的性质，也取决于辐射所具有的能量以及受到辐射作用的物质本身的特性。空间中有3种天然辐射源：（1）地球辐射带；（2）银河系宇宙射线（GCR）；（3）太阳质子事件（SPE）。空间中究竟哪种辐射源居主导地位，主要取决于航天器所处的空间轨道。五、有关微流星体/轨道碎片环境：在晴朗的夜晚，遥望星空的人常常会看到一些流星划过天空的明亮痕迹。这些流行实际上是极其微小的物体碎片，他们在进入大气层时发生了燃烧。太阳系诞生于彗星、陨石及类似物质解体后自然形成的背景尘埃物。这些背景尘埃物叫微流星体（MM）。人类活动造成了由轨道碎片构成的尘埃云，这些碎片是无人驾驶的航天器、助推器、固体火箭燃料粒子等的残留物。这些人为造成的环境被叫做轨道碎片（OD）。无论是微流星体或轨道碎片，尽管他们大多数都很小（<1cm），但仍然引起人们的关注，因为这些物质具有轨道速度，撞击时会产生很大的动能。高速撞击的效应很大程度上取决与撞击时微粒速度的大小。当速度小于2km/s时，撞击微粒将完好无损；当速度在2~7km/s时，撞击微粒将破裂成碎片；在速度为7~11km/s时，微粒将成融融状态；速度超过11km/s时，微粒将发生气化。轨道碎片（OD）对航天器的冲击速度将小于微流星体，并且OD碰撞主要发生在航天器迎风面。OD的主要来源包括：退役的航天器、推进器、航天器的爆炸（在运行寿命终止阶段，推进装置会出现不稳定）或断裂残留物、碰撞产生的物体、固体火箭燃料微粒以及表面侵蚀微粒。高速撞击过程中，