第二章空间真空环境及其效应
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空间环境及其对航天活动的影响
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 。
南京航空航天大学 航天学院
12
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。
南京航空航天大学 航天学院
10
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）
南京航空航天大学 航天学院
11
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。
南京航空航天大学 航天学院
8
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
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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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11
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
空间环境
表2-8 地球大气层特性
高度 温度 km K 0 20 40 压力 Pa 密度 kg/m3
1.225
高度 温度 km K
压力 Pa
密度 kg/m3
288 1.013×105
150 679 7.383×10-4 3.087×10-9
218 5.509×103 8.801×10-2 220 1310 1.358×10-4 2.600×10-10 252 2.932×102 4.004×10-3 300 1527 4.070×10-5 6.077×10-11
高度（km） 摩尔质量 0 28.96 120 26.90 200 23.51 500 16.19 1000 6.23
2.3.2 太阳活动对地球大气的影响
太阳是决定地球高层大气性质的最主要的因素。 太阳是决定地球高层大气性质的最主要的因素。 太阳活动高年和低年时， 太阳活动高年和低年时，高层大气密度有很大的 差别。 差别 地球大气温度和大气成分也有着明显的逐日变化、 地球大气温度和大气成分也有着明显的逐日变化、 27天变化。 天变化。 天变化 大气呈现明显的昼夜变化。 大气呈现明显的昼夜变化 当太阳爆发时，大气温度和密度都急骤增加。 当太阳爆发时，大气温度和密度都急骤增加。 地球在黄道面上绕太阳公转， 地球在黄道面上绕太阳公转，热层大气存在明显 的半年变化。 的半年变化。
2.2 太阳电磁辐射
2.2.1 基本概念
1.太阳辐射 太阳辐射
太阳辐射 ：太阳是一个中等恒星，电磁辐射的能 量为4×1026J/s（400杼焦耳/秒） 电磁波的波长范围： 电磁波的波长范围：小于 10-4Å 的γ射线~大于 10km的无线电波。（1 Å/埃 =10-10米） 辐射能量分布：可见光与红外光的通量占总通量 辐射能量分布 的90%以上；太阳紫外辐射占总通量的8.8％；无 线电波和X射线占总通量的比例很小。 太阳辐射能是航天器电源的主要能量来源。
真空效应及其在生活中的应用
真空效应及其在生活中的应用林海奇（哈尔滨工业大学英才学院飞行器设计与工程）摘要：真空即虚空，即一无所有的空间。
工业和真空科学上的真空指的是，当容器中的压力低于大气压力时,把低于大气压力的部分叫做真空；另一种说法是,凡压力比大气压力低的容器里的空间都称做真空。
工业真空有程度上的区别：当容器内没有压力即绝对压力等于零时，叫做完全真空;其余叫做不完全真空。
按现代物理量子场论的观点，真空不空，其中包含着极为丰富的物理内容。
在真空环境下，会产生许多特殊的效应。
近年来，真空效应在国防、工业生产、日常生活中均有非常广泛的应用。
关键词：真空概念真空效应真空的应用一：真空的概念真空是一种不存在任何物质的空间状态，是一种物理现象。
在“真空”中，声音因为没有介质而无法传递，但电磁波的传递却不受真空的影响。
粗略地说，真空系指在一区域之内的气体压力远远小于大气压力。
[1]真空常用帕斯卡（Pascal）或托尔（Torr）做为压力的单位。
目前在自然环境里，只有外太空堪称最接近真空的空间。
历史上有许多注明的关于真空的实验。
比如1641年意大利数学家托里拆利做的“托里拆利实验”，完成实验的玻璃管为“托里拆利管”[2]。
以及1654年马德堡市长奥托·冯·格里克做的“马德堡半球实验”。
[3]在真空技术中按照压力的高低我们可以区分为：[4]1.粗略真空（Rough Vacuum）760 ~ 1 Torr2.中度真空（MediumVacuum） 1 ~ 10-3 Torr3.高真空（High Vacuum）10-3 ~ 10-7 Torr4.超高真空（Ultra-HighVacuum）10-7 Torr以下二：真空效应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基本是有压力差效应造成的，约５０％的重大故障与真空环境泄漏有关。
2真空技术
系统实际抽速 Q=Sp· r=S· P P=C(P-Pr)
S
Sp 1 S p / C
真空计的位置
Q C ( P P0 ) p0 S0 pS p p0 (1 S0 / C )
p, S 实际压强要比测量压强高 p0, S0
抽气公式：
dp p S V QL dt
热学性能： 高温下仍具有低蒸汽压 不同部分的热膨胀系数应匹配
气体负载： 放气小，不能多孔 不渗漏，无裂缝和气孔 表面光滑
常用真空材料
腔体材料：
奥氏体不锈钢，比如321, 347, 304钢
铝或铝合金，容易加工，放气率低，但强度低，易变形
陶瓷－玻璃化的氧化铝，放气率低，不易吸附气体，可
耐高温 (1500摄氏度)，但陶瓷易碎且不易加工
旋片式机械泵工作示意图
理想情况下，旋片转动半周后，腔体内压强：
V P (V V ) P0V P P0 ( ) 1 1 V V n个循环后 V Pn P0 ( )n V V
n无限大时，p趋向0；极限真空pm
有害空间 排气空间与吸气空间的间隙 泵油气的循环
干式机械泵
第二章 真空技术
真空的概念与基本特性
真空系统的连接与设计
真空的获得与真空泵
真空测量
要求： 了解各种真空泵的极限真空和应用环境 了解真空系统的基本组成
真空的概念
“真空”拉丁文Vacuo，其意义是虚无 =>气体较稀薄的空间。真空是一个相对的概念
“低于一个大气压的气体状态。”真空状态是
气体分子运动的动态结果。
Molecular density, incidence rate, mean-free path, and monolayer formation time as a function of pressure
空间环境及其对航天活动的影响PPT(20张)
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 。
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5、心情就像衣服，脏了就拿去洗洗，晒晒，阳光自然就会蔓延开来。阳光那么好，何必自寻烦恼，过好每一个当下，一万个美丽的未来抵不过一个温暖的现在。
•
6、无论你正遭遇着什么，你都要从落魄中站起来重振旗鼓，要继续保持热忱，要继续保持微笑，就像从未受伤过一样。
•
7、生命的美丽，永远展现在她的进取之中;就像大树的美丽，是展现在它负势向上高耸入云的蓬勃生机中;像雄鹰的美丽，是展现在它搏风击雨如苍天之魂的翱翔中;像江河的美丽，是展现在它波涛汹涌一泻千里的奔流中。
太阳宇宙线，主要指太阳发生耀斑时射出的带电粒子， 持续时间短、强度大。
银河宇宙线，来自银河系，单个粒子能量很高，强度却 很小。
地球磁场与航天器剩余磁矩相互作用产生磁力矩，有用 的磁力线圈是控制系统的一部分。由于有磁场影响改天 了航天器本体表面的电磁状态，并产生感应电位，影响 对环境参数的测量和实验。
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。
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 。
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5、心情就像衣服，脏了就拿去洗洗，晒晒，阳光自然就会蔓延开来。阳光那么好，何必自寻烦恼，过好每一个当下，一万个美丽的未来抵不过一个温暖的现在。
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6、无论你正遭遇着什么，你都要从落魄中站起来重振旗鼓，要继续保持热忱，要继续保持微笑，就像从未受伤过一样。
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7、生命的美丽，永远展现在她的进取之中;就像大树的美丽，是展现在它负势向上高耸入云的蓬勃生机中;像雄鹰的美丽，是展现在它搏风击雨如苍天之魂的翱翔中;像江河的美丽，是展现在它波涛汹涌一泻千里的奔流中。
太阳宇宙线，主要指太阳发生耀斑时射出的带电粒子， 持续时间短、强度大。
银河宇宙线，来自银河系，单个粒子能量很高，强度却 很小。
地球磁场与航天器剩余磁矩相互作用产生磁力矩，有用 的磁力线圈是控制系统的一部分。由于有磁场影响改天 了航天器本体表面的电磁状态，并产生感应电位，影响 对环境参数的测量和实验。
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。
空间辐射环境
八、空间等离子体环境与其效应
• 是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产 生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛 存在于宇宙中。主要分布于电离层以上（70km～ 3000km） • 空间高温等离子体(带电粒子能量在几万电子伏以 上)使卫星充电，与等离子体的电位差可达10kv。 这使卫星各部件之间产生放电现象。放电中发出 的电磁辐射将干扰卫星正常工作，还可将卫星的 部件击穿，造成永久性损坏。 • 等离子体环境对轨道上运行的卫星会引起卫星附 加电阻力，使探测仪器产生假信号，高压太阳阵 电源系统漏电、大型天线增益下降和指向精度减 小等。
• 微流星体通常指直径在1mm以下、质量在 1g以下的固体颗粒，它们在太阳引力作用 下运动，其速度相当于地球的平均速度， 约为10～30km/s，最大速度可达72km／s。 • 由于微流星体的速度很快，当它与航天器 相撞时，释放出巨大的能量，对航天器有 很大的危害。（沙蚀、影响太阳能电池效 率；产生裂痕和撞击）
二、空间高能带电粒子环境与其效应
• 地球和木星辐射带的高能带电粒子，银河 宇宙线和太阳耀班喷发出的太阳宇宙线，主 要由高能质子组成，它的能量高，有一定的 贯穿能力和破坏能力。 • 总剂量效应 • 单粒子事件效应（翻转效应、锁定效应） • 航天器在宇宙航行中场环境与其效应
空间环境及其效应
丁言虎
• 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 程度上与环境有关。