空間飛行器設(shè)計(jì)-第3講

1、1,第三講 近地空間環(huán)境,2,航天器在空間飛行時(shí)所處的環(huán)境（包括自然的和人為的）稱為空間環(huán)境。 太陽(yáng)系內(nèi)的空間環(huán)境可分為：,地球空間環(huán)境行星際空間環(huán)境其他行星空間環(huán)境,大多數(shù)航天器運(yùn)行在近地空間。,3,3.1 地球空間環(huán)境,3.1.1 地球的數(shù)學(xué)描述 采用國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)（IUGG-1975）推薦值參考橢球體：長(zhǎng)半徑 a=6378.14km 短半徑

2、b=6356.76km 扁率 f=1/298.257 引力常數(shù)?＝GM=3.986005×105km3/s2,地球大氣層以外的領(lǐng)域通稱宇宙空間（外層空間、太空）太陽(yáng)系內(nèi)宇宙空間分為：行星空間、行星際空間。行星空間指行星引力作用的范圍,行星際指行星間其他空間。,4,表面重力加速度： 標(biāo)準(zhǔn)值 g0＝9.80665 m/s2

3、 45緯度處 g45＝9.80612 m/s2 其他緯度處 g＝9.78031×(1+0.005302sin2? - 0.000006sin22?),半徑向量 ?＝a(1 - 0.00336317sin2?＋0.00000639sin22?)式中，? ? 地理緯度。,5,3.1.2 近地空間（Near-earth Space),地球引力作用以內(nèi)的區(qū)域稱為地球空

4、間， 為一個(gè)球體： R＝9.3×105km(約150個(gè)地球半徑) 平均地月距離： eEM＝ 3.84×105km（384404km,約60個(gè)地球半徑） 月球?qū)Φ厍蛞灿衅渥饔每臻g： R月＝ 6

5、.6×104km,6,3.1.2 近地空間,深層空間(深空，Deep Space)： 近地空間（Near-earth Space）： 100km<R <35786km (地球靜止軌道); 也有人定義為90km<R<6.5×104km(10RE).影響航天器活動(dòng)的因素： 地球大氣、地球電離層、地球磁場(chǎng)、太陽(yáng)電子輻射、

6、空間離子輻射。,深空,7,3.2 地球大氣,大氣質(zhì)量m大氣＝5.13×1018kg，占地球質(zhì)量的百萬(wàn)分之0.86。90%以上集中在15km高度以內(nèi)，99.9%在50km高度以內(nèi)，2000km以上及其稀薄。,地球大氣指由地球引力場(chǎng)和地磁場(chǎng)束縛，位于地球表面和水圈之上的氣體層。,8,圖3.1 地球大氣層,9,3.2.1 地球大氣的結(jié)構(gòu),按溫度垂直分布特性分為以下五層：1.對(duì)流層：南北極7－8km，赤道上16－18km，中高緯

7、度處8－12km。占3/4空氣質(zhì)量，空氣狀況經(jīng)常變化，風(fēng)雨雷電在此發(fā)生。2.平流層： → 50km，大氣無(wú)上下對(duì)流，只有水平方向的流動(dòng)，空氣質(zhì)量占1/4。20km以下溫度一般保持在216.65K (-56.5℃) 。20－32km氣溫逐漸升高。層內(nèi)水蒸氣、塵埃很少。,10,3.中間層： → 80km，空氣只有1/3000。50－53km之間，氣溫隨高度上升，達(dá)282K0，以后下降，到80km處降為196.86K。4. 熱層： →

8、 400km。80km以上，氣溫隨高度上升，到150km處，達(dá)1000K。 在400km處，達(dá)1500－1600K。5. 外層：400－1600km。 大氣邊界位于2000－3000km。,11,圖3.2 地球大氣溫度隨高度的變化關(guān)系,12,按大氣被電離情況, 分為電離層和非電離層： 非電離層： H<50km，大氣處于中性原子狀態(tài)； 電離層：

9、 50km以上到大氣層邊緣，是電離介質(zhì)區(qū)，由電子、正負(fù)離子及中性粒子組成。 電離層受地磁場(chǎng)影響，從而影響短波通訊。,13,圖3.3 正常電離層結(jié)構(gòu)示意圖,按電子濃度可將電離層細(xì)分為： D層： H=50~90km,電子103~104/cm3（晝）； E層： H=90~140km,(1~2) ×105/cm3（晝大夜?。?F層： F1：H=140~200km，電子3 ×105/cm3 （

10、夏晝）； F2：H=200~1000或2000km,(1~2)×106/cm3 （晝大夜小、冬大夏?。?14,(1).密度（表3－1） 海平面處?0＝1.225×10－3g/cm3＝1.2kg/m3。 密度隨高度急劇下降。在100km高度，只有10－7 ?0。也隨時(shí)間、緯度、季節(jié)、太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)影響而變化。,3.2.2 地球大氣的物理特性,15,表3－1 不同海拔高

11、度的大氣密度,16,(2). 溫度 海平面大氣溫度的標(biāo)準(zhǔn)為 T0＝15℃（288K）。 120－300km之間：,式中，T∞，T120—分別為外層和H=120km處的大氣溫度，K； T∞Z—海拔高度，km；S—常數(shù)，S=0.291exp(-q2/2),,(3-1),17,海拔300~1000km之間,接近等溫;海拔1000km以上,大氣溫度隨高度增加。,18,空間大氣的溫度僅僅是大氣的溫度，而非物體在空間的

12、熱平衡溫度。因?yàn)橛钪婵臻g空氣極為稀薄，不足以加熱物體。宇宙空間的能量密度在任何方向?yàn)?0-5W/m2,相當(dāng)于溫度為3K的黑體（black body）發(fā)出的能量?！舅^黑體是指入射的電磁波全部被吸收，既沒(méi)有反射，也沒(méi)有透射( 當(dāng)然黑體仍然要向外輻射)】 太空只吸收、而不反射能量。這種環(huán)境稱為空間冷黑環(huán)境，又稱熱沉(熱匯)(heat sink)。,19,(3). 壓力（表3－3） 海平面標(biāo)準(zhǔn)壓力P0＝1.01325×

13、105 Pa。 表3－3 不同海拔高度的大氣密度（中緯度、春秋）,大氣壓力變化還與緯度、季節(jié)、太陽(yáng)活動(dòng)情況有關(guān)。,20,3.2.3 地球大氣的成分 地球大氣主要由C，N，O元素組成，從海平面到海拔80km高空，大氣中各種氣體的比例基本恒定，平均分子量為28.96。 大氣密度隨海拔高度增加而降低。如海拔100~200km處, N2: 1013→109~1010個(gè)/cm3;

14、 O2: 1012→(1~4) ×108個(gè)/cm3; O: (2~8)×1011→(1~5)×109個(gè)/cm3,21,3.2.3 地球大氣的成分（續(xù)） 20km以下，主要是氧分子、氮分子； 20－50km，臭氧層, O3 80－120km，部分氧分子開(kāi)始離解為氧原子。 120

15、－300km，主要是氧原子、氧分子、氮分子。 600－700km以上是氦,He（表3－4）。,22,表3－4 某些海拔高度處大氣的平均分子量,23,3.2.4 高層大氣對(duì)航天器飛行的影響 高層大氣對(duì)航天器的影響主要是氣動(dòng)阻力、升力、氣動(dòng)加熱，及原子氧對(duì)航天器的腐蝕作用。 原子氧會(huì)與薄的有機(jī)涂層、先進(jìn)的復(fù)合材料和金屬表面發(fā)生反應(yīng)。 [例如]:用于絕緣與密封的Kaptom，在1021

16、個(gè)氧原子/m2的原子氧作用下，厚度將損失2.8?m。材料機(jī)械力學(xué)性能下降、光學(xué)和電性能改變。,24,,*F10.7—太陽(yáng)對(duì)電輻射能量,為太陽(yáng)發(fā)出的波長(zhǎng)10.7cm的電磁輻射強(qiáng)度度量。單位：10-22W/(m2.Hz),圖3.5 不同F(xiàn)10.7時(shí)高度與大氣密度的關(guān)系,25,圖3.6 原子氧密度,原子氧密度隨高度和太陽(yáng)活動(dòng)的變化關(guān)系見(jiàn)圖3-6。,航天器材料選擇要考慮任務(wù)周期與太陽(yáng)活動(dòng)周期的關(guān)系。,26,3.3 地球磁場(chǎng),基本概貌 內(nèi)源場(chǎng)

17、：起源于地球內(nèi)部包括基本磁場(chǎng)和外源場(chǎng)變化時(shí)在地殼內(nèi)的感生磁場(chǎng)。 外源場(chǎng)：源于地球附近的電流體。主要部分來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)，即太陽(yáng)噴發(fā)出來(lái)的等離子體。,地磁場(chǎng):Geomagnetic field,27,人們普遍認(rèn)為：地磁場(chǎng)起源于地核中熔融金屬流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)。另一說(shuō)法是：地核在6000K的高溫和360萬(wàn)個(gè)大氣壓的環(huán)境中會(huì)有大量的電子逃逸出來(lái)，在地幔間形成負(fù)電層，因地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生地磁場(chǎng)。,28,地磁場(chǎng)是變化的。其瞬時(shí)變化歸因于兩個(gè)因素：

18、 電離層中的電流體變化； 太陽(yáng)黑子活動(dòng)。 引起“磁暴”現(xiàn)象，如在漆黑的北極上空會(huì)出現(xiàn)美麗的極光；指南針搖擺不定，無(wú)線電短波廣播突然中斷，依靠地磁場(chǎng)“導(dǎo)航”的鴿子迷失方向，四處亂飛等。,Magnetic Storm,Polar Light,(aurora),29,極光,地磁場(chǎng)的三要素：,（1）磁偏角D：磁場(chǎng)水平分量 與正北方向的夾角。（2）磁傾角I：磁場(chǎng)方向與水平

19、 面的夾角。（3）磁場(chǎng)強(qiáng)度（水平方向H， 或垂直方向Z）,30,3.3.1 磁層,磁層：由高能粒子輻射帶、低能粒子輻射帶、環(huán)電流、等離子體層、等離子體片、等離子體幔等組成。,磁層頂：在向陽(yáng)面，為磁層的邊界。磁尾：在背陽(yáng)面，為柱狀拖尾。,31,等離子體層：電離化大氣。等離子體片：主要成分有H+,O+,He++，電子能量幾百至10keV；電離層等離子體：在距地面70

20、~3000km的空間，為電子、正負(fù)離子和中性粒子組成的氣體混合物。以電子濃度分為D，E，F(xiàn)（F1，F(xiàn)2）層和外電離層。,32,圖3.7 地球磁層剖面圖,33,地磁場(chǎng)控制著近地空間帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)大氣增溫對(duì)航天器軌道產(chǎn)生影響。同時(shí)，磁力矩影響航天器姿態(tài)。太陽(yáng)風(fēng)，即太陽(yáng)噴發(fā)出來(lái)的等離子體。太陽(yáng)風(fēng)及行星際磁場(chǎng)可能引起磁暴或磁層亞暴。此時(shí)對(duì)衛(wèi)星表面電位影響巨大，強(qiáng)電弧、電磁脈沖影響星上電源系統(tǒng)、控制和通訊系統(tǒng)的正常工作。,34,3.4

21、空間粒子輻射,空間粒子輻射分：天然粒子輻射環(huán)境和高空核爆炸后形成的核輻射環(huán)境。無(wú)論是高能帶電粒子輻射還是核輻射都能對(duì)航天器上的電子元件及功能材料發(fā)生相互作用；在載人航天中，對(duì)航天員產(chǎn)生不良影響。,35,天然粒子輻射環(huán)境中主要的帶電粒子來(lái)源：地球輻射帶（Van Allen Belt）：主要成份為質(zhì)子和電子。太陽(yáng)宇宙線：是太陽(yáng)耀斑時(shí)噴射出的高能帶電粒子。主要是質(zhì)子、 α粒子和少量電子，又稱太陽(yáng)質(zhì)子。銀河宇宙線：來(lái)自銀河系

22、，單粒子能量很高、強(qiáng)度很低。絕大多數(shù)為質(zhì)子，其次為α粒子。,36,圖3－8 地球輻射帶結(jié)構(gòu)示意圖,37,3.5 空間真空和空間失重,3.5.1 空間真空 宇宙空間是一個(gè)巨大的真空環(huán)境。航天器大多在超高真空中飛行，面對(duì)一系列新的物理現(xiàn)象：1. 材料表面升華加速2. 熱傳導(dǎo)變壞 真空中，不存在對(duì)流，就沒(méi)有對(duì)流熱傳導(dǎo)，只有熱輻射。壓力下降時(shí)，空氣熱傳導(dǎo)系數(shù)下降。,38,4. 材料霧化 航天器在大氣層中飛

23、行時(shí)，若受到空間帶電粒子的撞擊，表面材料將會(huì)發(fā)生霧化。在外層空間中，由于氫離子的擴(kuò)散，材料表面充滿著氫離子，材料的光學(xué)性能會(huì)改變。,3. 表面電導(dǎo)發(fā)生改變和放電 物質(zhì)發(fā)生揮發(fā)和離解，介電特性發(fā)生變化，引起放電、漏電，材料表面層的導(dǎo)電率也有相應(yīng)的變化。,39,5. 材料的機(jī)械性能改變 極低的空間壓力下，材料表面發(fā)生變化，出現(xiàn)微細(xì)的裂紋或晶隙腐蝕，表面保護(hù)膜破壞，機(jī)械性能變壞。6. 材料與外部環(huán)境介質(zhì)間的摩擦加劇

24、 正常大氣壓時(shí)，材料表面有氧化膜保護(hù)。在空間，氧化膜破壞，材料與航天器周?chē)h(huán)境介質(zhì)之間的摩擦加劇。,40,3.5.2 空間失重 物體在引力場(chǎng)中自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，有質(zhì)量而不表現(xiàn)重量的一種狀態(tài)，叫做失重，又稱零重力狀態(tài)。有時(shí)也泛指零重力和微重力狀態(tài)。1. 載荷系數(shù) 大地水準(zhǔn)面，重力加速度為g0，設(shè)某運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)重力加速度為g，K稱該狀態(tài)的載荷系數(shù)：

25、 K=g/ g0 K>1，超重力狀態(tài)； K＝1，在水準(zhǔn)面上，稱1g0狀態(tài)； 10－4? K < 1，低重力狀態(tài)； 10－7? K <10－4，微重力狀態(tài)，稱?g0狀態(tài)。,41,2. 微重力物理現(xiàn)象 液體的對(duì)流、沉降、分層、靜壓力等均有不同程度的減弱或消失，表面張力特別突出。統(tǒng)稱微重力物理現(xiàn)象。具體表現(xiàn)在： (1)晶體的生長(zhǎng) 在1g0狀態(tài)下，

26、溶液的對(duì)流使生成的晶體出現(xiàn)條紋，生長(zhǎng)的樹(shù)狀晶體形成結(jié)構(gòu)嚴(yán)重缺陷； 在?g0狀態(tài)，由于對(duì)流現(xiàn)象減弱，晶體均勻，結(jié)構(gòu)完整，顆粒較大，強(qiáng)度較高。,42,(2)合金的形成 在1g0狀態(tài)下，重力的沉降使合金內(nèi)部出現(xiàn)不均勻性; 在? g0狀態(tài)，沉降作用十分微弱，無(wú)需攪拌而獲得的合金十分均勻。,(3) 微重力生理現(xiàn)象 航天員剛進(jìn)入失重狀態(tài)時(shí)，有心悸、感覺(jué)錯(cuò)誤等不舒適現(xiàn)象。長(zhǎng)期處于失重環(huán)境，可能引起

27、某些疾病。 失重對(duì)人體免疫力和遺傳情況也有不同程度影響。,43,4.微重力對(duì)空間飛行的影響 在?g0狀態(tài)，還會(huì)產(chǎn)生一些異?，F(xiàn)象。 如，火箭的液體推進(jìn)劑會(huì)在儲(chǔ)箱中飄浮，造成嚴(yán)重 事故。,圖3.9 失重狀態(tài)下推進(jìn)劑的漂浮現(xiàn)象,44,3.6 空間碎片,航天活動(dòng)在太空留下的人造物體稱為空間碎片，也稱空間垃圾。,2006年2月3日，國(guó)際空間站拋出一個(gè)特別的衛(wèi)星，太空服衛(wèi)星一號(hào)(SuitSat-1)，

28、這個(gè)衛(wèi)星是一個(gè)經(jīng)過(guò)改裝的俄羅斯退役航天服。,45,3.6.1 空間碎片的來(lái)源 美、俄是空間碎片的最大制造者。只在1978-1981，1989-1992出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。 (1)工作產(chǎn)生的碎片 失效的有效載荷、衛(wèi)星發(fā)射或工作時(shí)拋棄的物體，如鏡頭蓋、分離裝置和包裝部件、起旋裝置、空推進(jìn)劑箱、已燃盡和未使用的火箭體、有效載荷整流罩、航天器丟棄物等。,46,圖3.10 記錄在冊(cè)的空間物體數(shù),1986，1993

29、年發(fā)生的Ariana和質(zhì)子號(hào)末級(jí)爆炸，使該兩個(gè)年度空間碎片陡增。,47,(2) 碎裂生產(chǎn)的碎片 碎裂原因： ① 內(nèi)部裝置，如蓄電池等裝置的爆炸 ② 推進(jìn)劑箱的爆炸(屬高能爆炸)，Delta火箭末節(jié) ③ 充壓箱爆炸(屬低能爆炸) ④ 故意炸毀 (3) 老化生產(chǎn)的碎片 航天器表面長(zhǎng)期暴露在真空環(huán)境中會(huì)逐漸分解、剝蝕產(chǎn)生微小的空間碎片。 也有熱防護(hù)層和隔熱材料因老化分解而脫落。,48,(4) 固體

30、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)粒子 固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴出的粒子(氧化鋁) ，尺寸小，約0.1mm以下。對(duì)處于該環(huán)境下的空間飛行器表面有有腐蝕和污染作用，影響光學(xué)鏡頭、太陽(yáng)能電池的性能等。 不過(guò)，由于粒子質(zhì)量小，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)停泊的軌道低，隕落快，只有少數(shù)粒子在太陽(yáng)光壓作用下擴(kuò)散，其影響只是短期的。,49,3.6.2 空間碎片的數(shù)量、分類(lèi)與分布,美國(guó)通過(guò)地面空間監(jiān)視網(wǎng)（SSN）進(jìn)行觀測(cè)。大碎片：直徑大于10cm風(fēng)險(xiǎn)碎片：直徑大

31、于1cm 、小于10cm小碎片：直徑小于1cm 軌道越高，空間碎片最小尺寸越大。 1000km高度處，空間物體最多。大碎片數(shù)量很少，但質(zhì)量總數(shù)占99.93%。,50,3.6.3 空間碎片對(duì)航天器的影響,直徑小于0.01cm的碎片會(huì)使航天器表面產(chǎn)生凹陷和剝蝕，長(zhǎng)期與衛(wèi)星碰撞會(huì)造成累積影響。 直徑為0.01－1cm的碎片影響視航天器耐受性和防護(hù)措施。比如直徑為0. 1cm的碎片會(huì)對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)造成損害。

32、 直徑大于1cm的碎片將對(duì)航天器造成災(zāi)難性的破壞。,51,目前，航天器上實(shí)際采取的防護(hù)措施能抵御直徑小于1cm、質(zhì)量小于1.46g的空間碎片；對(duì)2cm的碎片，不能有效地防護(hù)；對(duì)于大于2cm碎片，唯一的方法是躲避。 幸而大多數(shù)航天器尺度為中等大小，遇到2cm以上空間碎片概率極?。粚?duì)大尺寸航天器則需專門(mén)研究其防護(hù)措施。 在地球同步軌道內(nèi)，空間碎片密度較低、空間物體相對(duì)速度較小(約為低軌道處1/10),碎片破壞性相應(yīng)較小。

33、,52,目前太空碎片數(shù)量已超過(guò)了3000萬(wàn)個(gè)。 我國(guó)對(duì)空間碎片的研究起步晚，在神二、神三、神四的時(shí)候都沒(méi)有成熟的成果應(yīng)用，神五的時(shí)候在前期工作的基礎(chǔ)上做了一些比較簡(jiǎn)單的東西，當(dāng)時(shí)也是起了一定的作用。 神五飛船曾經(jīng)和一個(gè)空間碎片擦身而過(guò)，當(dāng)時(shí)概率比較高，所幸后來(lái)是有驚無(wú)險(xiǎn)。 “神六”軌道附近有500個(gè)左右空間碎片，不過(guò)，都是哪些碎片還不是很清楚。,“中國(guó)科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片觀測(cè)研究中心”2005