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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。 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。 各种环境对航天器及其分系统、组件与材料产生不同的效应。 地球大气层厚度约在1000km以上，随高度的不同表现出不同的特点，主要分为对流层（10-20km）、平流层(20-50km)、中间层（50-85km）、暖层(100-800km)、散逸层。 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。 压力差效应 真空放电效应 辐射传热效应 真空出气效应 材料蒸发、升华和分解效应 粘着和冷焊效应 空间大气密度对航天器的阻尼效应 真空下材料出气污染效应 （一）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。 (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。 （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。 （五）材料蒸发、升华和分解效应 空间材料的蒸发、升华会造成材料组分的变化，引起材 料质量损失，造成有机物的膨胀,改变材料的性能，引起自污 染等。 (六)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。这种现象可使航天器上的一些活动部件出现故障，如加 速轴承磨损而使其工作寿命减少；使电机滑环、电刷、继电 器和开关触点接触不良，甚至使航天器上一些活动部件出现 故障；使天线或重力梯度杆展不开，太阳电池帆板、散热百 叶窗打不开等。 (七)空间大气密度对航天器的阻尼效应 大气密度随高度的增高迅速降低，虽然200km的 高空真空度为10-4Pa，密度只有3X10-13g／m3左 右，但对航天器的阻尼效应仍不能忽视。大气对航 天器作用力的大小与大气密度成正比，在高轨道上 运行的航天器，阻尼小，轨道寿命较长；反之，轨 道寿命短。 （八)真空下材料出气污染效应 材料在真空状态下都会出气，它包括材料放出 所吸收的气态生成物、吸收的气体或材料本身的分 解物。发动机的尾流也是一种污染源，其污染程度 随真空度的增加面增加。 由于污染，飞行期间光学系统的性能下降，太 阳能吸收率发生变化，使航天器的平均温度增加， 带来某些性能故障。 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需要采取措施以进行防护。 三、空间弱磁场环境与其效应 磁场的强度和方向是宇宙空间很重要的环境参数。在星际空间或磁层内离地球几个地球半径以外的区域，磁场较弱，只有几个到几百个纳特。卫星受外磁场产生的力矩作用，使卫星扭转。 实测结果表明，“先锋1号”卫星在2年多的时间里．自旋率从每秒两周半降到约每30s一周。因此，低轨道卫星，特别是需要进行长时间工作的、姿态精度要求比较高的航天器，必须考虑磁场的影响。