空间飞行器设计第3讲

3.1地球空间环境地球的数学描述采用国际大地测量与地球物理联合会（IUGG-1975）推荐值参考椭球体：长半径a=6378.14km

短半径b=6356.76km

扁率

f=1/298.257

引力常数＝GM=3.986005×105km3/s2地球大气层以外的领域通称宇宙空间（外层空间、太空）太阳系内宇宙空间分为：行星空间、行星际空间。行星空间指行星引力作用的范围,行星际指行星间其他空间。1当前1页，总共51页。表面重力加速度：标准值g0＝9.80665m/s245纬度处

g45＝9.80612m/s2

其他纬度处

g＝9.78031×(1+0.005302sin2-0.000006sin22)半径向量＝a(1-0.00336317sin2＋0.00000639sin22)式中，地理纬度。2当前2页，总共51页。近地空间（Near-earthSpace)地球引力作用以内的区域称为地球空间，为一个球体：

R＝9.3×105km(约150个地球半径)

平均地月距离：

eEM＝3.84×105km（384404km,约60个地球半径）月球对地球也有其作用空间：

R月＝6.6×104km3当前3页，总共51页。近地空间深层空间(深空，DeepSpace)：近地空间（Near-earthSpace）：

100km<R<35786km(地球静止轨道);

也有人定义为90km<R<6.5×104km(10RE).影响航天器活动的因素：地球大气、地球电离层、地球磁场、太阳电子辐射、空间离子辐射。深空4当前4页，总共51页。3.2地球大气大气质量m大气＝5.13×1018kg，占地球质量的百万分之0.86。90%以上集中在15km高度以内，99.9%在50km高度以内，2000km以上及其稀薄。地球大气指由地球引力场和地磁场束缚，位于地球表面和水圈之上的气体层。5当前5页，总共51页。图3.1地球大气层6当前6页，总共51页。地球大气的结构

按温度垂直分布特性分为以下五层：1.对流层：南北极7－8km，赤道上16－18km，中高纬度处8－12km。占3/4空气质量，空气状况经常变化，风雨雷电在此发生。2.平流层：→

50km，大气无上下对流，只有水平方向的流动，空气质量占1/4。20km以下温度一般保持在216.65K

(-56.5℃)

。20－32km气温逐渐升高。层内水蒸气、尘埃很少。7当前7页，总共51页。3.中间层：→

80km，空气只有1/3000。50－53km之间，气温随高度上升，达282K0，以后下降，到80km处降为196.86K。4.热层：→

400km。80km以上，气温随高度上升，到150km处，达1000K。在400km处，达1500－1600K。5.外层：400－1600km。大气边界位于2000－3000km。8当前8页，总共51页。图3.2地球大气温度随高度的变化关系9当前9页，总共51页。按大气被电离情况,分为电离层和非电离层：非电离层：

H<50km，大气处于中性原子状态；电离层：

50km以上到大气层边缘，是电离介质区，由电子、正负离子及中性粒子组成。电离层受地磁场影响，从而影响短波通讯。10当前10页，总共51页。图3.3正常电离层结构示意图按电子浓度可将电离层细分为：

D层：H=50~90km,电子103~104/cm3（昼）；

E层：H=90~140km,(1~2)×105/cm3（昼大夜小）；

F层：F1：H=140~200km，电子3×105/cm3

（夏昼）；

F2：H=200~1000或2000km,(1~2)×106/cm3

（昼大夜小、冬大夏小）

11当前11页，总共51页。(1).密度（表3－1）海平面处0＝1.225×10－3g/cm3＝1.2kg/m3。密度随高度急剧下降。在100km高度，只有10－70。也随时间、纬度、季节、太阳活动和地磁活动影响而变化。地球大气的物理特性12当前12页，总共51页。表3－1不同海拔高度的大气密度海拔高度(km)大气密度(g/cm3)海拔高度(km)大气密度(g/cm3)01833496782961101250=1.22510-110-1010-2010-3010-4010-5

010-6010-7010-801652453705407309801600275010-9010-10010-11010-12010-13

010-14010-15010-16013当前13页，总共51页。(2).温度海平面大气温度的标准为T0＝15℃（288K）。120－300km之间：式中，T∞，T120—分别为外层和H=120km处的大气温度，K；T∞Z—海拔高度，km；S—常数，S=0.291exp(-q2/2),(3-1)14当前14页，总共51页。海拔300~1000km之间,接近等温;海拔1000km以上,大气温度随高度增加。15当前15页，总共51页。空间大气的温度仅仅是大气的温度，而非物体在空间的热平衡温度。因为宇宙空间空气极为稀薄，不足以加热物体。宇宙空间的能量密度在任何方向为10-5W/m2,相当于温度为3K的黑体（blackbody）发出的能量。【所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)】

太空只吸收、而不反射能量。这种环境称为空间冷黑环境，又称热沉(热汇)(heatsink)。16当前16页，总共51页。(3).压力（表3－3）

海平面标准压力P0＝1.01325×105Pa。表3－3不同海拔高度的大气密度（中纬度、春秋）海拔高度(km)大气压力(Pa)海拔高度(km)大气压力(Pa)0163148658092108p0=1.0132510510-1p010-2p010-3p010-4p010-5

p010-6p010-7p01352203505207301100210010-8p010-9p010-10p010-11p010-12

p010-13p010-14p0大气压力变化还与纬度、季节、太阳活动情况有关。17当前17页，总共51页。地球大气的成分地球大气主要由C，N，O元素组成，从海平面到海拔80km高空，大气中各种气体的比例基本恒定，平均分子量为28.96。大气密度随海拔高度增加而降低。如海拔100~200km处,N2:1013→109~1010个/cm3;O2:1012→(1~4)×108个/cm3;O:(2~8)×1011→(1~5)×109个/cm318当前18页，总共51页。地球大气的成分（续）

20km以下，主要是氧分子、氮分子；

20－50km，臭氧层,O380－120km，部分氧分子开始离解为氧原子。

120－300km，主要是氧原子、氧分子、氮分子。

600－700km以上是氦,He（表3－4）。19当前19页，总共51页。表3－4某些海拔高度处大气的平均分子量海拔高度(km)大气的平均分子量01202005008001000150020002500300028.9626.9023.5116.1910.636.234.033.923.843.7020当前20页，总共51页。高层大气对航天器飞行的影响

高层大气对航天器的影响主要是气动阻力、升力、气动加热，及原子氧对航天器的腐蚀作用。原子氧会与薄的有机涂层、先进的复合材料和金属表面发生反应。

[例如]:用于绝缘与密封的Kaptom，在1021个氧原子/m2的原子氧作用下，厚度将损失2.8m。材料机械力学性能下降、光学和电性能改变。

21当前21页，总共51页。*F10.7—太阳对电辐射能量,为太阳发出的波长10.7cm的电磁辐射强度度量。单位：10-22W/(m2.Hz)图3.5不同F10.7时高度与大气密度的关系22当前22页，总共51页。图3.6原子氧密度原子氧密度随高度和太阳活动的变化关系见图3-6。航天器材料选择要考虑任务周期与太阳活动周期的关系。23当前23页，总共51页。3.3地球磁场基本概貌内源场：起源于地球内部包括基本磁场和外源场变化时在地壳内的感生磁场。外源场：源于地球附近的电流体。主要部分来自太阳风，即太阳喷发出来的等离子体。地磁场:Geomagneticfield24当前24页，总共51页。

人们普遍认为：地磁场起源于地核中熔融金属流动时所产生的电磁效应。另一说法是：地核在6000K的高温和360万个大气压的环境中会有大量的电子逃逸出来，在地幔间形成负电层，因地球自转而产生地磁场。25当前25页，总共51页。

地磁场是变化的。其瞬时变化归因于两个因素：电离层中的电流体变化；太阳黑子活动。引起“磁暴”现象，如在漆黑的北极上空会出现美丽的极光；指南针摇摆不定，无线电短波广播突然中断，依靠地磁场“导航”的鸽子迷失方向，四处乱飞等。MagneticStormPolarLight(aurora)26当前26页，总共51页。极光地磁场的三要素：（1）磁偏角D：磁场水平分量与正北方向的夹角。（2）磁倾角I：磁场方向与水平面的夹角。（3）磁场强度（水平方向H，或垂直方向Z）27当前27页，总共51页。磁层磁层：由高能粒子辐射带、低能粒子辐射带、环电流、等离子体层、等离子体片、等离子体幔等组成。磁层顶：在向阳面，为磁层的边界。磁尾：在背阳面，为柱状拖尾。28当前28页，总共51页。等离子体层：电离化大气。等离子体片：主要成分有H+,O+,He++，电子能量几百至10keV；电离层等离子体：在距地面70~3000km的空间，为电子、正负离子和中性粒子组成的气体混合物。以电子浓度分为D，E，F（F1，F2）层和外电离层。29当前29页，总共51页。图3.7地球磁层剖面图30当前30页，总共51页。地磁场控制着近地空间带电粒子的运动，并通过大气增温对航天器轨道产生影响。同时，磁力矩影响航天器姿态。太阳风，即太阳喷发出来的等离子体。太阳风及行星际磁场可能引起磁暴或磁层亚暴。此时对卫星表面电位影响巨大，强电弧、电磁脉冲影响星上电源系统、控制和通讯系统的正常工作。31当前31页，总共51页。3.4空间粒子辐射空间粒子辐射分：天然粒子辐射环境和高空核爆炸后形成的核辐射环境。无论是高能带电粒子辐射还是核辐射都能对航天器上的电子元件及功能材料发生相互作用；在载人航天中，对航天员产生不良影响。32当前32页，总共51页。天然粒子辐射环境中主要的带电粒子来源：地球辐射带（VanAllenBelt）：主要成份为质子和电子。太阳宇宙线：是太阳耀斑时喷射出的高能带电粒子。主要是质子、α粒子和少量电子，又称太阳质子。银河宇宙线：来自银河系，单粒子能量很高、强度很低。绝大多数为质子，其次为α粒子。33当前33页，总共51页。图3－8地球辐射带结构示意图34当前34页，总共51页。3.5空间真空和空间失重空间真空宇宙空间是一个巨大的真空环境。航天器大多在超高真空中飞行，面对一系列新的物理现象：1.材料表面升华加速2.热传导变坏真空中，不存在对流，就没有对流热传导，只有热辐射。压力下降时，空气热传导系数下降。35当前35页，总共51页。4.材料雾化航天器在大气层中飞行时，若受到空间带电粒子的撞击，表面材料将会发生雾化。在外层空间中，由于氢离子的扩散，材料表面充满着氢离子，材料的光学性能会改变。3.表面电导发生改变和放电物质发生挥发和离解，介电特性发生变化，引起放电、漏电，材料表面层的导电率也有相应的变化。36当前36页，总共51页。5.材料的机械性能改变极低的空间压力下，材料表面发生变化，出现微细的裂纹或晶隙腐蚀，表面保护膜破坏，机械性能变坏。6.材料与外部环境介质间的摩擦加剧正常大气压时，材料表面有氧化膜保护。在空间，氧化膜破坏，材料与航天器周围环境介质之间的摩擦加剧。37当前37页，总共51页。空间失重

物体在引力场中自由运动时，有质量而不表现重量的一种状态，叫做失重，又称零重力状态。有时也泛指零重力和微重力状态。1.载荷系数

大地水准面，重力加速度为g0，设某运动状态时重力加速度为g，K称该状态的载荷系数：

K=g/g0K>1，超重力状态；

K＝1，在水准面上，称1g0状态；

10－4K<1，低重力状态；

10－7K<10－4，微重力状态，称g0状态。38当前38页，总共51页。2.微重力物理现象

液体的对流、沉降、分层、静压力等均有不同程度的减弱或消失，表面张力特别突出。统称微重力物理现象。具体表现在：

(1)晶体的生长在1g0状态下，溶液的对流使生成的晶体出现条纹，生长的树状晶体形成结构严重缺陷；在g0状态，由于对流现象减弱，晶体均匀，结构完整，颗粒较大，强度较高。39当前39页，总共51页。(2)合金的形成在1g0状态下，重力的沉降使合金内部出现不均匀性;在

g0状态，沉降作用十分微弱，无需搅拌而获得的合金十分均匀。(3)微重力生理现象航天员刚进入失重状态时，有心悸、感觉错误等不舒适现象。长期处于失重环境，可能引起某些疾病。失重对人体免疫力和遗传情况也有不同程度影响。40当前40页，总共51页。4.微重力对空间飞行的影响

在g0状态，还会产生一些异常现象。如，火箭的液体推进剂会在储箱中飘浮，造成严重事故。图3.9失重状态下推进剂的漂浮现象41当前41页，总共51页。3.6空间碎片

航天活动在太空留下的人造物体称为空间碎片，也称空间垃圾。2006年2月3日，国际空间站抛出一个特别的卫星，太空服卫星一号(SuitSat-1)，这个卫星是一个经过改装的俄罗斯退役航天服。42当前42页，总共51页。空间碎片的来源

美、俄是空间碎片的最大制造者。只在1978-1981，1989-1992出现负增长。

(1)工作产生的碎片失效的有效载荷、卫星发射或工作时抛弃的物体，如镜头盖、分离装置和包装部件、起旋装置、空推进剂箱、已燃尽和未使用的火箭体、有效载荷整流罩、航天器丢弃物等。43当前43页，总共51页。图3.10记录在册的空间物体数1986，1993年发生的Ariana和质子号末级爆炸，使该两个年度空间碎片陡增。44当前44页，总共51页。

(2)碎裂生产的碎片碎裂原因：①内部装置，如蓄电池等装置的爆炸②推进剂箱的爆炸(属高能爆炸)，Delta火箭末节③充压箱爆炸(属低能爆炸)④故意炸毁

(3)老化生产的碎片航天器表面长期暴露在真空环境中会逐渐分解、剥蚀产生微小的空间碎片。也有热防护层和隔热材料因老化分解而脱落。45当前45页，总共51页。(4)固体火箭发动机粒子固体发动机燃料喷出的粒子(氧化铝)，尺寸小，约0.1mm以下。对处于该环境下的空间飞行器表面有有腐蚀和污染作用，影响光学镜头、太阳能电池的性能等。不过，由于粒子质量小，发动机工作时停泊的轨道低，陨落快，只有少数粒子在太阳光压作用下扩散，其影响只是短期的。46当前46页，总共51页。空间碎片的数量、分类与分布美国通过地面空间监视网（SSN）进行观测。大碎片：直径大于10cm风险碎片：直径大于1cm、小于10cm小碎片：直径小于1cm

轨道越高，空间碎片最小尺寸越大。

100