空间环境及其对航天活动的影响
空间环境对卫星和航天器的影响和保护
空间环境对卫星和航天器的影响和保护随着现代科技的不断发展，卫星和航天器的应用越来越广泛，并成为现代社会的重要基础设施之一。
然而，在太空运行过程中，卫星和航天器必须经过各种复杂的空间环境考验，如大气层、辐射、磁场、微重力环境等，这些环境都对其性能和寿命产生了深刻影响。
因此，为确保卫星和航天器能够安全、可靠地运行，就需要采取各种措施来保护它们免受空间环境影响。
一、空气动力环境对卫星和航天器的影响及保护空气动力环境是指卫星和航天器在运行过程中遇到的空气阻力、气动力、热辐射等环境。
空气动力环境对卫星和航天器的运行稳定性和寿命产生影响，其中比较显著的影响是空气阻力带来的速度减速和轨道高度的衰减。
因此，在设计卫星和航天器时需要考虑降低空气阻力，减缓轨道高度衰减的速度。
首先，可以采用避免阻力，减小阻力、减小有效面积或增加较大动力等措施来降低空气阻力。
其次，利用高温材料和隔热材料来保护卫星和航天器。
这样可以减小因为机身表面的热辐射而带来的损毁，减少卫星和航天器在高速运动过程中的热损伤或红外辐射。
同时，在卫星和航天器的设计中可以增加保护罩、降低载荷等措施来减小表面积，降低电磁阻力。
二、放射环境对卫星和航天器的影响及保护放射环境是指太空中的带电粒子和高能粒子所形成的辐射区域，当卫星和航天器运行过程中，会被带电粒子和高能粒子剧烈碰撞，从而产生剂量、损伤和辐射效应。
放射环境是一种高强度威胁，长期的放射影响可能导致卫星和航天器性能的降低、物理损伤和电子损坏。
为降低放射环境的影响，可以采用多重屏蔽防护措施，这种方法可以降低带电粒子的动能、延长其到达载荷的时间，并以此减少带电粒子对载荷/payload结构的碰撞，减轻电子损伤和细化放射物质的沉积。
同时，在卫星和航天器的设计过程中应选择更加抗辐射的材料，并对内部的电子元件进行涂层、封装处理，在有效减少电子组件损坏的同时，还可以提高载荷的影响度和灵敏度，提高卫星的性能。
三、磁场环境对卫星和航天器的影响及保护磁场环境是指地球磁场和太阳风等天体物理环境对卫星和航天器的影响。
大型空间对航天器在轨服务的影响
大型空间环境对航天器在轨服务的影响航天器从运输、发射、人轨、返回地面，要经受各种环境的考验，特别是在空间长期运行期间，会遭遇很复杂的大型空间环境。
美国1965—1986年发射的航天器发生了近2000个异常现象与故障。
美国“探险者”14号、15号“电星一号”由于空间辐射而损坏。
“阿波罗13号”的失败，原苏联“联盟11号”在返回途中三名航天员的死亡，以及欧洲、日本、中国发射的航天器也出现了各种各样的故障。
这些故障很大程度上与大型空间环境有关。
空间环境很复杂。
包括真空、冷黑、太阳辐照、弱磁场、粒子辐照、磁层亚暴、微重力、原子氧、微流星、电离层等离子体等环境。
一、空间真空环境与其效应航天器入轨后始终运行在高真空与超真空环境中，所产生的效应如下：1.压力差效应，压力差效应在10-5—10-2Pa的粗真空范围内发生。
真空环境可能使密封舱变形或损坏，使储罐中校体或气体的泄漏增大，缩短了使用时间。
2.真空放电效应，当真空达到10-2Pa或更高时，在真空中分开一定距离的两个金属表面，在受到具有一定能量的电子碰撞时，会从金属表面激发出更多的次级电子。
它们还可能与两个面发生来回多次碰撞，使这种放电成为稳定态，这种现象称为放电。
它会使金属受到侵蚀，引起温度升高，使附近压力升高，甚至会造成严重的电晕放电。
射频空腔、波导管等装置，有可能由于微放电面使其性能下降，甚至产生永久性失效。
3.辐射传热效应，在真空环境下，航天器与外界的传热主要通过辐射形式，它表面的辐射特性对航天器的温度控制起着重大作用。
航天器中静态接触的部件，由于表面存在微小不均匀性和它们之间的真空空隙，使接触热阻增大。
4.真空出气效应，在高于10-2Pa的真空度下，气体会不断地从材料表面释放出来。
卫星材料在真空下消气，使高温处吸附的气体转移到低温处，造成低温表面污染，改变表面的性能。
严重的污染，会降低观察窗和光学镜头的透明度、改变温控涂层的性能、减少太阳能电池的光吸收率以及增加电气元件的接触电阻等。
空间环境对航天器性能的影响
空间环境对航天器性能的影响当我们仰望星空，想象着航天器在浩瀚宇宙中穿梭时，可能很少会去思考它们所面临的严峻环境挑战。
实际上，空间环境对于航天器的性能有着至关重要的影响。
首先，太空的真空环境是航天器必须应对的一大难题。
在地球上，我们生活在有大气压力的环境中，而太空几乎是完全真空的。
这种真空环境会导致航天器表面的材料蒸发和升华，从而影响其结构和性能。
例如，一些用于密封和润滑的材料可能会迅速挥发，导致部件磨损加剧，甚至失效。
温度的极端变化也是一个严峻的考验。
在太空中，航天器会直接暴露在太阳的强烈辐射下，一面可能会被加热到极高的温度，而另一面则由于没有阳光照射而极度寒冷。
这种巨大的温差会使航天器的材料产生热胀冷缩，可能导致结构变形、开裂，甚至影响电子设备的正常运行。
为了应对这种情况，航天器通常会采用特殊的隔热材料和热控系统来维持合适的工作温度范围。
宇宙射线和高能粒子的存在同样不容忽视。
这些射线和粒子具有很强的穿透能力，可能会对航天器的电子设备造成损害，导致数据错误、系统故障甚至设备完全损坏。
长期暴露在这种辐射环境中，还可能会使航天器的材料发生老化和性能退化。
为了减少辐射的影响，航天器会采用屏蔽材料来阻挡射线和粒子，但这并不能完全消除辐射的危害。
微流星体和太空碎片也是潜在的威胁。
尽管它们的个体很小，但在高速运动的情况下，它们撞击航天器时产生的能量极大。
哪怕是一个微小的撞击，也可能会在航天器表面造成凹痕、穿孔，损坏关键部件。
为了应对这种风险，航天器的外壳通常会采用坚固的材料，并配备监测和预警系统，以便及时采取措施避免严重的撞击。
空间等离子体环境也会对航天器产生影响。
等离子体中的带电粒子可能会干扰航天器与地面的通信，导致信号衰减、丢失或失真。
此外，等离子体还可能在航天器表面积累电荷，引发静电放电，从而损坏电子设备。
除了上述直接的物理影响，空间环境还会通过间接的方式影响航天器的性能。
例如，长期的太空任务会对宇航员的身心健康产生影响，从而间接影响航天器的操作和维护。
太空自然环境影响航天活动
【博览】I太空探索太空自然环境影响航天活动文/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_2P a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&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f只在飞行器其他部位造成飞行器表面污染。
严重的分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，器元件的接触&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。
空间环境对飞行器的影响
器异常或故障占故障数的 ４ ％左右。 ｏ 通常 ， 间环境 对 飞行 器 的影 响可 概括 为 以下 空
几类 ：
（） １ 由带电粒子引起 的辐射剂量、 单粒子效应 、
表面 和深层 充放 电效 应 ；
中， 飞行器所在的磁层位置是一个重要参数， 因此 ，
类， 如表 １所示 。
（ ） 间碎 片和微 流星 ７空
空间碎片又 称轨道 碎片 、 空垃圾 ， 指在地球 太 是
随着 飞行器 大规模甚 至超大规 模集成 电路 的大 量使 用 ， 间环境对 其 的影 响也越来 越突显 出来 ， 空 特
轨道上 到大气层 的 已经失 效 的一切 人 造物 体 （ 包括 它们 的碎块 和 部 件 ） 。微 流 星 、 间 碎 片对 空 间 飞 空 行器 、 宇航 员太空行 走 和 国 际空 间站 等会 产 生一 定
对于卫 星研发 人 员来 说 ， 由带 电粒 子 引起 的辐
太 阳耀斑 ： 高能 带 电粒子 、 电 、 射 可见 光 、 ｕ ／ Ｆ Ｖ Ｅ Ｖ Ｘ－ｙ暴等 ； Ｕ／ ｒ ａ
日冕 ： ＭＥ Ｃ ；
高速太 阳风和冕 洞 。
（） ２ 磁层
磁层暴 、 磁层 亚暴 ；
极光： 磁暴 时粒子沉 降到大气 的产物 。
量增加 而增 加 ， 在表 面 下数 十微 米 处 聚集 入 射 电子 与表 面 同能量 的离子形 成 的充 电现象 。 当相 邻材料 与结构 之 间或 同一材料 表 面与等 离子体 环境之 间形
成 的电位差 达到 ５ ０ 以上 ， 电场强度 达到 １ ５ ／ ０Ｖ 或 ０Ｖ ｃ 以上时 ， 以形 成 强烈 的 电磁 脉 冲 ， ｍ 可 电磁 脉 冲将
空间环境及其对航天活动的影响
标准大气和参考大气的异同？（地理条件和季节条件）
航天领域内常用的大气模式主要包括Jacchia模式和 Msis模式。 Jacchia模式主要有J65、J70、J77，使 用了1958～1975年间17年的卫星阻力数据，用该模式 进行轨道跟踪测量与设计时与真实大气拟合的最好。
任何模式都力图根据要求尽可能的反应大气随季节、昼 夜、太阳活动和纬度的变化。实际上，真实的大气包括 的物理过程很复杂，要从理论上得到大气主要物理量的 分布是不现实的，完全从实测资料发现规律也是很困难 的，所以现有的大气模式绝大部分都是半经验半理论的 。
太阳的紫外辐射会使热控表明深层和热控材料、器件的 潜能退化，可能导致航天器失去热平衡。此外，紫外辐 射对绝缘材料、光学材料和高分子材料也十分有害。
太阳电池方阵功率的精确计算与太阳光谱数据相关。
太阳光压对航天器的姿态控制力矩估计及航天器轨道保 持能力都有影响。
2.3 地球大气
大气模式指大气状态和变化过程的模式，它是以数学方 程组表示的理论模型。大气模式是对真实大气的某种应 用的初步近似，找出某一过程的主要因子。统计模式以 大量的观测资料为基础，经过数学处理后给出一定的公 式或计算程序。可以查到不同条件下各种大气结构参数 的时间和空间分布。所谓大气结构是指其物理和化学状 态的基本参数，如温度、压力、密度、成分，以及大气 运动的空间分布和随时间的变化。
宇宙环境对航天器电子设备的影响研究
宇宙环境对航天器电子设备的影响研究导言：随着航天技术的不断发展，航天器的任务和功能越来越多样化，对电子设备的要求也越来越高。
然而，航天器在宇宙环境中面临着极端的物理和化学条件，这对航天器的电子设备造成了严峻的挑战。
本文将研究宇宙环境对航天器电子设备的影响，探讨其对航天器性能和可靠性的影响，并介绍相应的解决方案。
第一章：宇宙环境的介绍在了解航天器电子设备受宇宙环境影响之前，首先需要了解宇宙环境的特点。
宇宙环境包括宇宙射线、高真空、极端温度和微重力等苛刻条件。
宇宙射线是来自太阳和其他天体的高能粒子，包括质子、电子、中子和伽马射线等。
高真空是指宇宙中的低压环境，没有大气压力和气体分子。
极端温度指的是宇宙空间中的温度范围，既有宇宙背景辐射的热量，也有来自太阳辐射的高温。
微重力是指在宇宙空间中，由于缺乏重力的作用，航天器处于几乎零重力状态。
这些宇宙环境对电子设备都会产生一定的影响。
第二章：宇宙环境对航天器电子设备的影响2.1 宇宙射线的影响宇宙射线对航天器电子设备的影响主要表现在辐射效应上。
宇宙射线可以产生电离和非电离的辐射效应，并对电子设备中的电子元件和电路产生损伤。
其中，电子元件受到电离辐射的影响，会导致电子迁移、能级变化和击穿等现象，从而降低电子元件的可靠性和性能。
非电离辐射则会引起电子设备中的位错和电荷积累，进一步破坏电子设备的工作机制。
因此，航天器的电子设备需要采取相应的辐射防护措施，如使用辐射硬化电子元件和隔离技术，以保证航天器的正常运行。
2.2 高真空的影响航天器在宇宙空间中没有大气压力和气体分子，因此处于高真空环境中。
高真空对航天器电子设备的影响主要表现在空气绝缘效应上。
在高真空中，电子设备的电绝缘能力会受到影响，可能导致电介质击穿和电流泄漏等问题。
此外，高真空环境也容易导致电子设备中的气体释放和高温效应，进一步降低设备的性能。
因此，对于航天器电子设备，需要采取合理的电绝缘和散热措施，以提高设备的可靠性和稳定性。
空间环境和航天工程
空间环境和航天工程叶宗海(中国科学院空间科学与应用研究中心，北京，100080)摘要概要描述近地空间环境对航天活动的影响，主要介绍高层大气、高能带电粒子、空间等离子体、空间碎片和微流量等空间环境对航天器轨道和姿态的影响，以及辐射损伤、机械损伤、化学损伤、航天器表面充放电、硬软错误、通信和测控的干扰等，评述国内外在研究上述这些影响的现状与进展，以及防止和减少这些影响的对策与措施。
关键词：空间环境，航天器故障，故障防护与对策。
1引言这里所指的空间环境是近地空间环境，近地空间是航天器最多、最活跃的区域。
在这一区域航天器所遭遇的环境有：高层大气、地磁场、地球重力场、高能带电粒子(银河宇宙线、太阳宇宙线、地球辐射带)、空间等离子体(电离层、磁层等离子体、沉降粒子)、太阳电磁辐射、微流星、空间碎片等。
这些空问环境直接关系到人类的生产活动与生活，特别是对曰益发展的航天活动、军事活动、通讯与导航系统，以及地面技术系统等都有着重要影响。
高层大气会影响航天器的轨道、姿态、温度改变，原子氧会引起航天器表面材料的剥蚀；高能带电粒子环境会使航天器的材料、器件、太阳电池、航天员等产生辐射损伤，使微电子器件和设备产生单粒子效应，使其出现软硬错误；空间等离子体会使航天器表面和深层介质充放电，导致航天器内产生电磁干扰引发航天器故障；空间碎片和微流星环境会使航天器及其设备产生机械损伤等等。
据统计，1971年2月至1986年11月美国卫星出现的1589次异常事件中，70％与卫星所处的空间环境有关，空间环境直接诱发的异常事件占16．7％，国内外的卫星故障分析表明，在所有卫星故障中，空间环境诱发的故障约占40％“’“。
例如，在1989年3月太阳上发生的一系一32—列大爆发，曾导致地球上西半球近60次的短波通讯中断或衰减，3月10日发生的一次7．5小时长寿命太阳爆发，伴随有高通量的太阳质子流；产生了长时间的地磁暴；因这一事件导致美国气象卫星一度中断向地面发送云图，导航卫星几天不能正常工作，军事系统跟踪的几千个空间目标近于失踪；由于沉降粒子注入使大气密度增加，低轨卫星受到异常加大的阻力，姿态几乎失去控制。
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2.4 地球电离层及其对导航定位的影响
大气模式指大气状态和变化过程的模式，它是以数学方 程组表示的理论模型。大气模式是对真实大气的某种应 用的初步近似，找出某一过程的主要因子。统计模式以 大量的观测资料为基础，经过数学处理后给出一定的公 式或计算程序。可以查到不同条件下各种大气结构参数 的时间和空间分布。所谓大气结构是指其物理和化学状 态的基本参数，如温度、压力、密度、成分，以及大气 运动的空间分布和随时间的变化。
太阳的紫外辐射会使热控表明深层和热控材料、器件的 潜能退化，可能导致航天器失去热平衡。此外，紫外辐 射对绝缘材料、光学材料和高分子材料也十分有害。
太阳电池方阵功率的精确计算与太阳光谱数据相关。
太阳光压对航天器的姿态控制力矩估计及航天器轨道保 持能力都有影响。
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2.3 地球大气
标准大气和参考大气的异同？（地理条件和季节条件）
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航天领域内常用的大气模式主要包括Jacchia模式和 Msis模式。 Jacchia模式主要有J65、J70、J77，使 用了1958～1975年间17年的卫星阻力数据，用该模式 进行轨道跟踪测量与设计时与真实大气拟合的最好。
构存在潜在损害。
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2.2 太阳电磁辐射及其对航天活动的影响
太阳是日—地空间主要的辐射源，辐射类型包括： 太阳黑子和11年周期
黑子活动有11年周期，称为太阳黑子周。 太阳耀斑 太阳射电发射 太阳电磁辐射
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太阳辐射对航天活动的影响
在轨运行的航天器建立自身热平衡的主要热源就是太阳 能，它是航天器设计尤其是热设计的主要环境条件。地 球反照和地球及其大气系统的红外辐射也是在进行航天 器热设计时要考虑的因素。
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行星际空间环境
太阳电磁辐射 太阳宇宙线 太阳风 行星际磁场 银河宇宙线 微流星体和空间碎片
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空间环境与航天
据统计数据，16.5%航天故障是由于空间环境造成的。 近地空间：一般指距离地球90～65000km（10个地球
半径）以内的范围。
范·艾伦：美国著名的天文学家，地球 物理学家 ，地球辐射带（范艾伦辐射带 ）发现者，通过探险者一号与探险者三 号发现、验证了近地空间存在辐射带。
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2.1 概述
外层空间环境对航天器的运动和各系统工作有明显的影 响，这些环境包括电磁辐射、真空、高能粒子辐射、等 离子体、微流星体、空间碎片、行星大气、磁场和引力 场等。
根据各种空间环境的时间和空间分布特性，太阳系内的 空间环境大致可以分为：行星际空间环境、地球空间环 境和其他行星空间环境。
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在轨运行的航天器处于十分复杂的空间环境包围之中。
大气密度对低地球轨道上的航天器的轨道寿命的影响很
大，空间带电粒子辐射对航天材料、仪器设备和航天员
都有损害作用。电离层影响着无线电波的传播，因而影
响通讯、导航与定位。太阳电磁辐射及其反照影响航天
器的环境的外热源。地磁场对航天器姿态控制方法有很
大的影响。近地空间的微流星和空间碎片对航天器的结
空间飞行器总体设计 第2章 空间环境及其对航天活动的影响
南京航空航天大学射及其对航天活动的影响 地球大气 地球电离层及其对导航定位的影响 地磁场及其对航天器姿态的影响 其他环境因素对航天活动的影响 太阳及日—地环境预报和预警
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地球引力场对低地球轨道上的航天器轨道和姿态控制影 响最大，引力加速度及重力梯度力矩直接影响总体方案 的选择和控制方案的选取，重力梯度力矩大小与航天器 的特征长度五次幂成正比。
地球大气对天地往返运输系统在进入和返回时产生气动 加热。在500km以下，大气是仅次于引力的第二大因 素，大气阻力对轨道维持、气动力及其力矩、推进剂消 耗量影响十分重要，直接影响着空间站运营管理的控制 策略，对于大型空间站气动力矩正比于特征尺度的三次 方，姿控推进剂消耗量正比于特征尺寸度的四次方，轨 道阻力补偿量正比于特征尺寸度的平方。
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太阳光辐射和反照是空间站热设计中的外热源的环境依 据，是太阳能电池光源的提供者，另外，太阳光压引力 的阻力和力矩对空间站的影响不可忽略。
地球磁场与空间站剩余磁矩相互作用产生磁力矩，产生 感应电位，影响环境参数的测量和实验。
等离子体对太阳能电池帆板产生主动充电，并且使电磁 波的折射指数发生改变，进而改变电磁波传播路径。
航天系统涉及到很多电波传播问题，比如测控系统的定 轨问题，制导导航系统的定位问题。
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电离层对通讯和航天活动的影响
电离层对无线电波的吸收（电子从无线电波获得的能量 通过碰撞转移给大气的中性成分）
多普勒频移（由于电离层的运动或电离层特性随时间变 化，导致电波在电离层中传播的路径随时间变化，接收 到的电波信号的频率发生了偏移）
大气层包括了两部分：中性大气和部分电离大气，后者 对应于低温的等离子体。
电离层对在其中传播的电磁波产生折射、反射、散射、 吸收和色散的现象。电离层改变电波传播路径，导致时 延和到达角改变；电离层内的不规则体是经过的信号产 生聚焦或散焦，造成波能损失，信号失真甚至丢失。局 部电离层还可能产生噪声，改变天线的阻抗特性；
快速带电粒子对元器件产生电离、辐射损伤，导致软错 误，硬错误，部分或永久失效。
流星、人造残骸对航天器结构撞击、磨蚀导致机械损伤
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空间环境最大特点是其参数随时间和空间不断变化而变 化，所以，一成不变的环境模型（式）对航天活动而言 是没有任何价值的，需要进行动态的补充和更新。