航天器在轨空间环境研究

2011-12-26武占成郝永锋毛志炜

河北科技大学学报 2011年2期

关键词：磁层航天器静电

许滨，武占成，郝永锋，毛志炜

（1.军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003；2.军械工程学院训练部装备处，河北石家庄 050003；3.71887部队，山东烟台 265801）

航天器在轨空间环境研究

许滨1，武占成1，郝永锋2，毛志炜3

（1.军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003；2.军械工程学院训练部装备处，河北石家庄 050003；3.71887部队，山东烟台 265801）

本文阐述了航天器安全可靠性的重要性，提出对航天器表面带电影响较大的空间环境主要是等离子体环境和磁层亚暴环境，并简要介绍了空间环境对航天器表面带电的影响，为航天器静电带电机理及防护研究打下了重要基础。

航天器；空间环境；静电放电

现代战场环境是海、陆、空、天、电磁组成的“五位一体”的复合体，其中的天就是指在航天领域的主动权。航天技术和航天装备的发展及其在军事上的应用，已经对现代战争产生了深远的影响。据统计，海湾战争中美国共动用了70余颗卫星，而在科索沃战争和阿富汗战争中，也分别动用了50多颗卫星，为空中、海上和地面武器装备和作战人员提供全方位的信息支援和保障。

近年来，国内外航天器发生了多起由于空间环境引起的在轨异常和故障。尤其在航天器电子系统采用了集成度较高的大规模／超大规模微电子器件后，电子系统的性能提高的同时也对空间环境更为敏感，因此由于空间环境引起的航天器故障频频出现。

中国对早期6颗卫星的故障原因进行统计，结果表明空间环境引起的故障占总数的40%，如表1所示。美国空间环境中心从1965年起，对多个卫星的300个故障进行分析评价，结果表明，大约33%左右的故障是由于变化的空间环境造成的［1］。

在这种情况下，对航天器所处的空间环境进行研究，对于提高航天器的抗干扰能力有着重要的指导意义，对充分发挥航天器在现代战争中的重要作用也具有极为重要的军事意义。

表1 国内早期卫星故障原因统计

1 航天器在轨空间环境

航天器运行于各种轨道，将面临多种空间环境要素，其中对航天活动具有较大影响的主要包括太阳电磁辐射、空间等离子体地球磁场、中性大气地球电离层、空间碎片与微流星体、空间带电粒子辐射、污染等等。这些空间要素中的某一个或者多个同时与运行在轨道中的航天器相互作用，相互影响，在航天器材料和电子元器件上产生各种空间环境效应，进而对航天器的安全运行产生影响［1］。其中，对航天器表面带电影响较大的主要是空间等离子体环境和磁层亚暴环境。

1.1 空间等离子体环境

通常认为，等离子层从离地面约60 km处算起，直至与星际空间的等离子体相接的广大区域。随着高度的变化，等离子体的密度、组分、能量发生变化。表2给出了60～3 000 km范围内，当太阳活动处于高峰时，典型电子浓度、电子能量随高度变化的情况［2］。

1.2 空间磁层亚暴环境

地球磁层是指受太阳风（来自太阳的粒子流）和行星际磁场限制与约束，而地磁场起控制作用的有限的空间范围。

磁层亚暴是发生在磁层内的经常性扰动。磁层首先存储1×1014～1×1015J的能量，然后在1 000 s左右的时间内将这些能量释放出来时，使得磁层产生扰动。

当发生磁层亚暴时，地球同步轨道上，原来的高密度、低能量（粒子数为10／cm－3～100／cm－3、能量小于l eV）的等离子体被低密度、高能量（粒子数小于1／cm－3，能量约为1～50 ke V）等离子体所取代。据统计，一年当中，约有1／3的时间内能观测到亚暴活动。而其中有1／10左右的亚暴对地球同步轨道上运行的航天器有影响。美国在“高轨道带电研究［SCATHA（STP P78-20）］”、“应用技术（ATS-6）”卫星、“应用技术（ATS-5）”卫星卫星获得的环境数据基础上，给出了平均等离子体环境（见表3）和最恶劣等离子体环境（见表4）下的地球同步轨道磁层亚暴等离子体环境，为航天器仿真计算和设计研究提供参考。

表2 电子浓度、电子能量随高度的变化值

表3 磁层亚暴期间地球同步轨道的平均等离子体环境

表4 磁层亚暴期间地球同步轨道的最恶劣等离子体环境

2 空间环境对航天器的影响

航天器运行在地球空间等离子体辐射环境中时，由于等离子体与航天器表面材料相互作用，会使得航天器出现各种情况的表面充／放电现象：航天器外表面可能会积累电荷（充电），由于航天器外表面材料的几何形状、介电特性、以及所受的光照条件等不同，可使航天器表面与航天器地之间、相邻外表面之间、表面与深层之间产生电位差，当这个电位差达到一定值以后，将会以电晕放电、飞弧放电、击穿放电等方式进行放电，辐射出电磁脉冲（EMP），或者通过航天器接地系统将放电电流直接注入到航天器上的电子系统中，对其产生影响乃至发生电路故障，对整个航天器的安全构成直接威胁。图1展示了其中的一种放电情景。不同情况下航天器表面带电基本情况如表5所示。