空间真空环境及其效应1
航天器空间环境规范
航天器空间环境规范1. 引言航天器是人类探索宇宙的重要工具，然而在极端的空间环境下，航天器将面临各种挑战和风险。
为了确保航天器能够安全地工作并完成任务，在航天领域建立了一系列的空间环境规范。
本文将深入探讨航天器空间环境规范，介绍其重要性和内容。
2. 太阳辐射保护太阳辐射是航天器在太空中面临的主要挑战之一。
强烈的紫外线、带电粒子和高温度都可能对航天器的外表面和内部元件造成损坏。
因此，航天器的设计和材料选择要考虑到太阳辐射的影响，并采取相应的防护措施，如使用遮阳板、特殊材料和涂层来减少辐射的影响。
3. 真空环境要求太空是一个极端的真空环境，对航天器的密封性和材料使用提出了高要求。
航天器在真空环境下应保持良好的密封性，以防止气体泄漏和压力变化对设备和系统的影响。
此外，航天器使用的材料应具有足够的抗辐射和耐温性能，以确保其长期在太空中运行稳定。
4. 温度控制航天器在进入和离开地球轨道时会面临极端的温度变化，从极低的温度到极高的温度。
因此，航天器需要有效的温度控制系统，以确保设备和系统在不同温度环境下正常工作。
同时，航天器还需要考虑到太阳辐射的热效应，采取相应的散热措施来保持合适的工作温度。
5. 粒子辐射防护航天器在太空中会遇到带电粒子辐射，如太阳风、宇宙射线等。
这些粒子辐射会对航天器的电子设备和人员健康产生负面影响。
因此，航天器需要进行粒子辐射防护设计，包括屏蔽和减轻措施，以减少辐射对航天器和航天员的影响。
6. 微重力环境要求航天器在地球轨道上会面临微重力环境，与地球上的重力环境有很大的不同。
在微重力环境下，航天器内的液体、气体和固体材料的行为将发生改变，对航天器的设计和系统运行提出了新的挑战。
为了适应微重力环境，航天器需要相应的设备和控制系统，以确保其正常工作和操作。
7. 尘埃与微陨石防护太空中存在大量的尘埃和微陨石，它们可能对航天器的表面和窗户造成损坏。
因此，航天器需要采取相应的防护措施，如使用特殊涂层、覆盖物和窗户设计，以减少尘埃和微陨石对航天器的影响。
空间真空环境及其效应
航天器运行
航天器在空间真空环境中 运行，需要面对各种挑战 和效应。
空间探测器
空间探测器需要适应空间 真空环境，并进行各种科 学实验和探测。
02
空间真空环境中的物理效应
热力学效应
热传导
在空间真空环境中，由于缺乏气 体分子，热传导的机制受到限制
，导致物体散热困难。
热辐射
物体在空间真空环境中会通过热辐 射方式散热，因为空间中几乎没有 气体分子吸收和再辐射热量。
空间真空环境及其效应
目录
• 空间真空环境概述 • 空间真空环境中的物理效应 • 空间真空环境对航天器的影响 • 空间真空环境中的生命维持问题 • 空间真空环境的利用与挑战
01
空间真空环境概述
定义与特性
定义
空间真空环境是指宇宙空间中接近真 空的状态，其中气体非常稀薄，接近 于零。
特性
空间真空环境具有极低的压力、极低 的温度、高真空度、高洁净度等特点 。
参与反应。
辐射效应
电磁辐射
空间真空环境中存在大量的电磁辐射，如太阳光、宇宙射线等，这 些辐射对航天器和人类有潜在影响。
辐射剂量
在空间真空环境中，由于缺乏大气层的保护，航天器和宇航员会直 接暴露在高强度的电磁辐射下，需要采取措施减少辐射剂量。
辐射生物学效应
高强度的电磁辐射对生物体具有潜在的生物学效应，如影响DNA结构 、细胞代谢等，需要采取措施保护宇航员的健康。
真空环境下，电子设备中的电触点容易出现氧化和电弧放电现象，导致接触不良或 短路。
空间辐射对电子设备中的微电子芯片有潜在的威胁，可能导致芯片故障或数据丢失 。
对航天器推进系统的影响
空间真空环境下，推进剂在储罐 和管路中容易蒸发和泄漏，影响
卫星环境工程和模拟试验上
卫星环境工程和模拟试验（上） 7 低温系统
（Chapter1-12）
8 空间外热环境的红外模拟技术
9 太阳辐照环境模拟技术
10 热真空环境模拟技术
11 卫星热平衡和热真空试验技术
12 空间其他重要环境模拟技术
4
Part 2
主要知识点
5
概论
环境预示
根据轨道参数预示卫星的工作环境和载荷 特性，属于空间环境工程范畴
SIMULIA仿真技术涵盖了结构、流体、塑料注塑、声学和结构化应用。 波长小于300nm的紫外线照射到卫星金属表面，会使金属表面带电，这将干扰卫星点系统； 卫星环境工程和模拟实验（上）
29
飞机制造
军用机型有：“幻影”“大西洋” “美洲虎” “阵风”
民用飞机： “隼”（sun）系列
达索集团旗下经产品
软件系统开发
开发软件应用程序，以3D EXPERIENCE 平台 为基础，可实现 3D 设计、工程、 3D CAD、建模、仿真、数据管理和流 程管理。
30
达索飞机
大
幻 影 战 斗 机
炸，产生大量空间碎片，美国和原苏联都进行过用动能武器摧毁航天器的反卫星试验，这些人为摧毁的航天器也形成了大量碎片，还有固体火箭排出物中的大量氧化铝颗粒等。 SIMULIA仿真技术涵盖了结构、流体、塑料注塑、声学和结构化应用。
机械设计软件的视窗产品， 最终目的是为了减少或避免航天器在轨发生故障或失效，提高其在轨工作的可靠性。
36
达索系统
SolidWorks 是 达 索 系
主要是检验产品在空间环境中的适应能力，是否达到规定的功能，符合设计要求，并暴露元器件材料、工艺、质量方面的缺陷。 对油敏感的组件，如光学仪器，采用无油真空抽气系统。
第十一章空间真空环境及其效应课件
2023/9/16
第十一章空间真空环境及其效应1
2.1 空间真空环境
• 是指在给定空间内低于一个大气压力的气体状态， 也 就是该空间内气体分子密度低于该地区一个大气 压的 分子密度。
• 气压和分子密度同步变化，标准状态（0 C，101325Pa）下， 气体的分子密度为2.6870 1025/3m； 真空度为1.33 10 -P4 a 时， 气体分子密度为3.24 10 /m1。6 3
第十一章空间真空环境及其效应1
2.4 真空度测量技术
• 电离真空计、热偶真空计、压阻真空计、 B-A真空规、石 英 真空计、全量程真空规
• 真空计的选择： （1） 105 ～2 10 Pa 压阻真空计、静态变形式真空计 （2） 10 ～10 P2 a-1 热偶真空计
•
（3） 10-1～-4 10 Pa 电离真空计 （4） 10-4～-8 10 Pa B-A真空规 • （5） 105 ～-7 10 Pa 全量程真空规
合性能好。
小型罐：0~2m直径
第十一章空间真空环境及其效应1
KM6空间模拟器
Байду номын сангаас
真空容器由三个容器组成：
主容器（立式）：直径12m，
高22.4m
辅容器（卧式）：直径7.5m，
长15m
载人试验舱： 直径5m，
长15m
总容积：
3200m3
总质量：
420t
第十一章空间真空环境及其效应1
3. 尺寸： DM：模拟器有效直径， DV：航天器特征尺 寸
•
第十一章空间真空环境及其效应1
• 热偶真空计
气体分子热传导与压力有关。在一玻璃管壳中支撑一根热丝， 热丝通以电流加热，使其温度高于周围气体和管壳的温度， 于是在热丝和管壳之间产生热传导。当达到热平衡时，热丝 的温度决定于气体热传导，因而也就决定于气体压力。
空间环境及其效应
五、空间原子氧环境与其效应
• 原子氧是低地球轨道大气的重要成分，美 国航天飞机的发射，使人们逐步认识到原 子氧环境的严重效应。特别对永久性空间 站，是必须考虑的一项重要环境。 • 在200-700km高度范围，大气的主要成分 是原了氧。原了氧对有机物与碳照会产生 质量损失，对银涂层产生氧化反应。
六、空间微流星环境与其效应
• （三）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。
• （四）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。
• (二)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。
四、空间冷黑环境与其效应
• 不考虑太阳与行星的辐肘．宇宙空间的能量密度 约为10-5w／cm2，相当于温度为4K的黑体发出的 热量。在太空，卫星体的热辐射全被太空所吸 收．没有二次反射，这—环境称为冷黑环境，又 称热沉。 • 卫星上可伸缩性的活动机构，如太阳帆板、天线 等，由于冷黑环境效应，会使展开机构卡死，影 响其伸展性能。 • 卫星上某些有机材料在冷黑环境下会产生老化和 变脆，影响材料的性能。
航天器空间环境试验规程
航天器空间环境试验规程航天器的空间环境试验至关重要，它是确保航天器能够在太空中正常运行的关键步骤。
本文将阐述航天器空间环境试验的规程，包括光照试验、真空试验、温度试验和辐射试验。
同时，还将介绍试验的目的和方法，以及注意事项和需求，以确保试验结果的准确性和可靠性。
一、光照试验光照试验是模拟太阳光对航天器的影响，测试航天器在不同光照条件下的表面温度变化和热耦合效应。
试验中需要注意以下几点：1. 使用光源和反射镜创建接近太阳辐射的光照环境，采用遥感技术测量航天器表面温度变化。
2. 控制试验室空气温度、湿度和辐射源的距离，以保持试验的准确性。
3. 进行长时间试验以模拟航天器进入地球轨道后的真实光照条件。
二、真空试验真空试验是模拟太空真空环境，检测航天器在真空中的工作状态和材料性能。
试验中需要注意以下几点：1. 使用真空室将航天器置于真空环境中，控制试验室的压力和温度。
2. 监测航天器的温度、压力和电子元器件的性能，以确保其正常工作。
3. 模拟长时间的真空环境，测试航天器的耐久性和可靠性。
三、温度试验温度试验是模拟宇宙中极端温度条件下航天器的工作环境，验证其在不同温度下的性能和稳定性。
试验中需要注意以下几点：1. 使用恒温箱或温度梯度箱模拟不同温度条件，将航天器置于试验箱中。
2. 测试航天器在低温和高温环境下的材料性能和机械性能，如承受能力、绝缘性能等。
3. 温度变化速率要符合航天器进入和离开地球轨道的实际情况。
四、辐射试验辐射试验是模拟太空辐射环境，检测航天器在辐射条件下的电子元器件的性能和材料的稳定性。
试验中需要注意以下几点：1. 使用高能粒子射线源或电子束辐射源照射航天器，监测航天器的辐射剂量和辐射效应。
2. 测试航天器对辐射的耐受能力和材料的辐射损伤程度，如电子元器件的可靠性、存储器的抗辐射性等。
3. 根据航天器的实际发射计划，进行适度时间和剂量的辐射试验，以验证航天器在太空环境中的可靠性和耐久性。
真空发生器的工作原理
真空发生器的工作原理一、概述真空发生器是一种能够将封闭空间内的气体抽取出来，形成低压甚至真空环境的设备。
它在许多领域中都有广泛的应用，如科学研究、工业生产、医疗设备等。
本文将详细介绍真空发生器的工作原理及其应用。
二、工作原理真空发生器的工作原理主要涉及到气体压力差、气体分子运动和气体抽取等方面。
1. 气体压力差真空发生器通过机械或物理手段，将封闭空间内的气体抽取出来，从而形成低压或真空环境。
在封闭空间内，气体分子不断碰撞并产生压力。
当真空发生器开始工作时，它会降低封闭空间内的气体压力，使其低于大气压。
这样，气体分子将会从高压区域向低压区域扩散，从而形成气体流动。
2. 气体分子运动气体分子在空间中以高速无规则运动，并不断与容器壁或其他气体分子碰撞。
当真空发生器开始工作时，它会利用机械或物理手段增加气体分子的平均自由路径，使其碰撞次数减少，从而减小气体压力。
常见的机械手段包括旋转叶片、螺杆、活塞等，而物理手段则包括分子筛、冷凝器等。
3. 气体抽取真空发生器通过抽取封闭空间内的气体，将其排出系统外部。
常见的气体抽取方式包括机械泵、扩散泵、吸附泵等。
机械泵通过机械运动抽取气体，扩散泵则利用气体分子的扩散效应，吸附泵则利用吸附材料吸附气体。
三、应用领域真空发生器在许多领域中有着广泛的应用。
1. 科学研究在科学研究领域，真空发生器被用于实验室中的各种实验，如材料表征、电子显微镜、质谱仪等。
通过形成低压或真空环境，科学家可以研究材料的物理性质、气体的分子结构等。
2. 工业生产在工业生产中，真空发生器被广泛应用于各种工艺过程中。
例如，真空发生器可以用于真空干燥、真空蒸馏、真空冷冻等。
通过形成低压或真空环境，可以提高工艺过程的效率和质量。
3. 医疗设备在医疗设备中，真空发生器被用于各种医疗设备的工作原理。
例如，在血液透析机中，真空发生器用于抽取血液中的废液和杂质。
在负压吸引设备中，真空发生器用于吸引伤口中的血液和分泌物。
真空度测试仪的工作原理
真空度测试仪的工作原理1.压电效应：压电效应是一种物质在受到力的作用下产生电荷的现象。
在真空度测试仪中，常用的压电材料是二氧化硅。
当真空度测试仪处于真空环境中时，气体分子会与二氧化硅接触并施加力，使其变形。
这时，二氧化硅将产生电荷，其大小与受力的大小成正比。
通过测量产生的电荷，我们可以确定真空环境中的气体压力。
2.导电效应：导电效应是通过测量材料的电阻来确定气体压力的一种方法。
当真空度测试仪处于真空环境中时，气体分子会与导电材料表面接触，导致导电材料电阻的变化。
真空度测试仪通过测量导电材料的电阻变化来确定气体压力的大小。
这种方法的优势是快速且无需附加电源。
3.热导效应：热导效应也被称为纵横效应，是通过测量材料的热导率来确定气体压力的一种方法。
在真空度测试仪中，通常使用金属导线作为传感器进行测量。
当真空度测试仪处于真空环境中时，气体分子与导线接触会从导线中抽取热量。
真空度测试仪通过测量导线的温度变化来确定气体压力的大小。
这种方法适用于高真空环境，且具有较高的精度。
4.原子或分子扩散效应：原子或分子扩散效应是利用气体分子扩散的性质进行真空度测试的一种方法。
真空度测试仪会将气体分子注入到一个封闭的空间中，然后观察气体分子的扩散速率。
根据气体分子的扩散速率，我们可以推测出真空环境中气体的压力大小。
这种方法适用于中低真空环境。
总的来说，真空度测试仪的工作原理是基于不同物理效应的测量原理，通过测量电荷、电阻、热导率和气体分子扩散速率等参数，来确定真空环境中的气体压力，从而实现对真空度的测量和监控。
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完全没有气体的空间状态称为绝对真空，绝对真空实际上是 不存在的。
真空区域划分： 根据国军标GB3163-82，真空区划分为如下区段： 低真空：105～102Pa （0~50Km) 中真空： 102～10-1Pa （50~90Km) 高真空： 10-1～10-5Pa （90~330Km) 超高真空： ＜10-5Pa （330Km以上)
空间真空度随高度变化情况 海平面： 101308Pa 100km, 2.64×10-2Pa; 500km, 9.52×10-8Pa 200km, 7.50×10-5Pa; 600km, 4.12×10-8Pa 300km, 5.96×10-6 Pa;700km, 1.85×10-8Pa 400km, 8.69×10-7 Pa; 800km,1.03×10-8Pa
2、真空放电效应
真空放电效应发生在103Pa～10-1Pa低真空范围。 当电极之间发生自激放电时称为电击穿。对于航天 器发射上升阶段必须工作或通电的电子仪器，应防 止任何放电的可能。
（短路故障）
当真空度达到10-2Pa或更高时，在真空中分开一定 距离的两块金属表面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，形成微 放电。
③渗透气体通过固体材料释放出来 分子污染 航天器材料在空间真空环境下出气，通 过分子流动和物质迁移而沉积在航天器其他部位上 造成的污染，称为分子污染。 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。
4、材料蒸发升华和分解效应 材料在空间真空环境下的蒸发、升华和分解都会造 成材料组分的变化，引起材料质量损失（简称质 损），造成有机物的膨胀，改变材料原有性能如热 物理性能和介电性能等。
第二章
空间真空环境及试验技术
2.1 空间真空环境
是指在给定空间内低于一个大气压力的气体状态， 也就是该空间内气体分子密度低于该地区一个大气 压的分子密度。
气压和分子密度同步变化，标准状态（0C，101325Pa） 下，气体的分子密度为2.6870 1025/m3；真空度为1.33 104Pa时，气体分子密度为3.24 1016/m3。
一般质损1%～2%时，材料的宏观性质无重大变化； 但质损达１０％时，材料性质出现明显的变化。因 此，一般把每年质损小于１０％作为航天器材料的 标准。
航天器表面材料不均匀的升华，引起表面粗糙，使 航天器表面光学性能变差。在高真空下材料的内、 外分界面可能变动，引起材料机械性能的变化。由 于蒸发缺少氧化膜或其他表面保护膜，因而可能改 变材料表面的适应系数及表面辐射率，显著改变材 料的机械性能、蠕变强度和疲劳应力等。
1 200km处,大气压力10-9Pa； 10 000km处,大气压力为10-10Pa； 月球表面大气压力为10-10 Pa～10-12Pa，大 约相当于有100个氢分子/cm3; 银河系星际大气压力为10-13 Pa～10-18Pa。
真空测量单位 真空度通常可以用压强表示，压强为气体分子作 用在单位面积上的力的法向分量。 （1）国际单位 通常用压力单位Pa（帕）表示，1Pa 为1m2面积 上作用1N的力，即： 1Pa= 1N/ m2 （2）高斯单位 通常用压力单位Tor（托）表示，1 Tor=133Pa
危害：活动部件、支承、传动、触点部位都可能出 现故障。冷焊将加速轴承的磨损，减少其工作寿命， 使电机滑环、电涮、继电器和开关触点接触不良， 天线或重力梯度杆展不开，太阳电池阵板、散热百 叶窗打不开等。
防止冷焊的措施：选择不易发生冷焊的配偶材料， 在接触表面涂覆固体润滑剂或设法补充液体润滑剂， 涂覆不易发生冷焊的材料膜层（碳化钨涂层）。
5、粘着和冷焊效应 粘着和冷焊效应一般发生在10－７Pa以上的超高真 空环境下。 发生机理：在真空中固体表面的吸附气膜、污染膜 以致氧化膜被部分或全部清除，从而形成清洁的材 料表面，使表面之间出现不同程度的粘合现象，称 为粘着。如果除去氧化膜，使表面达到原子洁净程 度，在一定压力负荷和温度下，可进一步整体粘着， 即引起冷焊。 冷焊发生三要素：高真空、相同金属材料、压力
据统计，因真空环境下泄漏，全世界至少有２０枚 火箭发生爆炸。其中：有造成火箭发动机试验时提 前关机或未能二次点火；有火箭升空后未达到预定 推力，卫星偏离轨道不能入轨；有火箭升空后引起 爆炸，星箭自毁等。
据统计，全世界至少有８颗卫星因泄漏而发射失败， １０多颗卫星产生重大故障而缩短寿命或未达到使 用功能。 我国也有５颗卫星因泄漏而产生故障。
（电弧放电故障）
金属由于发射次级电子而受到侵蚀，电子碰撞会引 起温度升高，而使附近气体压力升高，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 于微放电而使其性能下降，甚至产生永久性失效。
电子元器件故障或失效
3、真空出气效应 当真空度高于10-2Pa时，气体会不断地从材料表面 释放出来。这些气体的来源是： ①原先在材料表面吸附的气体，在真空状态下从表 面脱附； ②原先溶解于材料内部的气体，在真空状态下从材 料内部向真空边界扩散，最后在界面上释放，脱离 材料；
2.2 真空环境效应
1、压力差效应 压力差效应在105Pa～102Pa的真空范围内发生。压 力差效应会使密封舱变形或损坏，因此增大了贮罐 中液体或气体的泄漏，缩短了使用时间。 真空环境下的泄漏故障
约５０％的重大故障与真空环境泄漏有关。
１９７１年６月３０日苏联“联盟”１１号飞船的 ３名航天员返回地面时，因返回舱真空室漏气均窒 息死亡。