太空自然环境影响航天活动

2020-08-18宁艳王文梅

太空探索 2020年8期

关键词：等离子体飞行器大气

文/ 宁艳王文梅

2020年，世界航天的深空探测步伐没有因为新冠肺炎疫情的影响而停滞不前。尤其是针对火星的探测，中国、美国、阿联酋纷纷发力。与此同时，对飞行器所处太空环境的关注也与日俱增。

太空环境也称为空间环境，是指影响人类活动的、距地面几十公里高度以上直至太阳的广阔空间内的环境，涵盖的区域包括高层大气、电离层、磁层、行星际空间以及太阳活动区。经长期研究发现，对各类航天活动产生影响的主要有以下几种太空自然环境。

真空环境

飞行器处于太空高真空环境中，会受到压力差效应、真空放电效应、真空出气效应、分子污染效应、紫外辐照效应及黏着和冷焊效应等的影响。其中需要重点考虑的是紫外辐照及分子污染效应的影响。

由太阳发出的紫外线有21%能不受阻碍地穿过地球大气层到达地球表面，31%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，而在轨飞行器表面会完全暴露在太阳紫外线中。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，对飞行器产生各种影响，具体包括：使光学玻璃、太阳能电池盖片等改变颜色，影响光谱的透过率；会改变热控涂层的光学性质，使表面逐渐变暗，对太阳辐照的吸收率显著提高，影响飞行器的温度控制；波长小于300 纳米的紫外线照射到飞行器金属表面，由于光电效应而产生许多自由电子，使金属表面带电，飞行器的表面电位升高，将干扰飞行器的电磁系统。

飞行器在高真空环境中，当真空度高于10-2Pa 时，气体会不断从材料表面释放出来。例如原先在材料表面吸附的气体，在真空状态下从表面脱附；原先溶解于材料内的气体，在真空环境中从材料内向真空边界扩散，最后在界面上释放，脱离材料；渗透气体通过固体材料释放出来。这些从飞行器材料中脱离的物质沉积在飞行器其他部位造成飞行器表面污染。严重的分子污染会降低观察窗和光学镜头的透明度，改变热控涂层的性能，减少太阳能电池的光吸收率，增加电器元件的接触电阻等。

中性粒子环境

中性粒子环境的影响主要是中性大气环境的阻力效应及原子氧对飞行器产生腐蚀作用。

飞行器的阻力与大气密度成正比，轨道越高，阻力越小。大气阻力与飞行器垂直运动方向的截面成正比。飞行器在大气阻力作用下产生的减速度与飞行质量成正比，截面越大、质量越小的飞行器其寿命越短。飞行器所受的大气阻力与飞行器的运动方向相反，它使飞行器的动能减少，导致运动高度下降。当飞行器进入大气稠密区域时，飞行器所受的阻力进一步增加。因此，高层大气的阻力是飞行器的轨道衰变、姿态调整、寿命损耗的主要原因。

原子氧是低地球轨道（200 ～700公里高度）上以原子态氧存在的残余气体环境。大量空间飞行试验及地面试验结果表明：原子氧对飞行器表面的高温氧化、高速撞击会使大部分有机材料产生严重剥蚀，导致质量损失、厚度损失，使光学、热学、电学及机械参数退化，造成结构性材料强度下降、功能性材料性能变坏。原子氧氧化剥蚀过程还会造成飞行器敏感表面的污染，导致飞行器性能下降、寿命缩短，系统设计目标失败等。

岩石或更大块碎片的碎裂物——微流星体

等离子体环境

空间等离子体由太阳风等离子体、磁层等离子体及电离层等离子体3 部分组成。他们是太阳电磁辐照、粒子辐照与地球磁场、地球热层残余大气相互作用的结果。距离地球表面60 公里以上的空间充满了等离子体。

空间等离子体环境对飞行器的影响主要包括：形成静电场，污染环境，影响探测结果；产生放电脉冲，造成信号失真，影响材料性能和太阳电池光电转化效率等；影响飞行器姿态；高压太阳电池阵产生弧光放电、电流泄露。

辐射环境

空间辐射环境主要来源包括地球辐射带、银河系宇宙射线及太阳质子事件，主要成分为电子、质子及重离子，主要能量为1 ～40 兆电子伏特。空间辐射环境中的高能粒子可产生多种辐射环境效应，主要为总剂量效应及单粒子效应，对飞行器造成各种损伤。

辐射效应会使电子设备的性能发生退化。例如场效应管器件发生辐射效应会造成跨导降低、伏安特性曲线畸变、阈值电压漂移、噪声增加、阻抗变化等；双极晶体管器件发生辐射效应会造成晶体管器件增益下降，漏电流增加等。

辐射环境效应会对二极管、太阳电池和光电器件造成损伤。辐射效应造成二极管反向漏电流增加，正向电阻变大。辐射效应还会使太阳电池光电转化效率降低，输出电压降低。辐射效应还会造成光电器件增益下降，光电转化率降低、噪声增加。

辐射环境效应对聚合物产生影响。聚合物材料暴露于辐射环境时，其共价键被激发或被电离，产生不可逆化学反应。化学键被打断后，反应物又形成新的化合物，这个过程即辐射降解。辐射降解后的材料其物理性能和化学性能都发生退化，影响飞行器的性能和寿命。

辐射环境效应还会对生物体造成损伤，生命体受到辐射作用后，会出现功能下降的现象。尤其是在行星际空间长时间执行飞行任务时，会遭受更大剂量的辐射。

微流星体环境

微流星体非常小，它们来自于岩石或更大块碎片的碎裂物，典型成分是金属，通常产生于太阳系形成之际。在太空中，特别是在地球的附近，普遍存在着微流星体，这些微粒对太空风化过程起到了主要作用。但他们撞击月球或者没有大气层的天体（水星或小行星等）的表面时，会造成这些天体表面的溶解与蒸发，导致模糊、变暗等光学变化。

微流星体对太空探测有着重大威胁。它们相对于地球轨道上的飞行器的速度大约为每秒数公里，抵抗微流星体的撞击是设计航天器所面临的重要难题。微流星体虽然体积很小，但数量多时仍会对航天器外壳造成类似喷砂的效果，长期暴露会危害到各系统的性能。对于长期停留在地球轨道上的人造卫星等物体，这种极高速撞击造成的风险更高。