空間環(huán)境及其對(duì)航天活動(dòng)的影響課件

空間飛行器總體設(shè)計(jì)第2章空間環(huán)境及其對(duì)航天活動(dòng)的影響李爽空間飛行器總體設(shè)計(jì)李爽內(nèi)容大綱概述太陽(yáng)電磁輻射及其對(duì)航天活動(dòng)的影響地球大氣地球電離層及其對(duì)導(dǎo)航定位的影響地磁場(chǎng)及其對(duì)航天器姿態(tài)的影響其他環(huán)境因素對(duì)航天活動(dòng)的影響太陽(yáng)及日—地環(huán)境預(yù)報(bào)和預(yù)警內(nèi)容大綱概述2.1概述外層空間環(huán)境對(duì)航天器的運(yùn)動(dòng)和各系統(tǒng)工作有明顯的影響，這些環(huán)境包括電磁輻射、真空、高能粒子輻射、等離子體、微流星體、空間碎片、行星大氣、磁場(chǎng)和引力場(chǎng)等。根據(jù)各種空間環(huán)境的時(shí)間和空間分布特性，太陽(yáng)系內(nèi)的空間環(huán)境大致可以分為：行星際空間環(huán)境、地球空間環(huán)境和其他行星空間環(huán)境。

2.1概述外層空間環(huán)境對(duì)航天器的運(yùn)動(dòng)和各系統(tǒng)工作有明顯的影行星際空間環(huán)境太陽(yáng)電磁輻射太陽(yáng)宇宙線太陽(yáng)風(fēng)行星際磁場(chǎng)銀河宇宙線微流星體和空間碎片行星際空間環(huán)境太陽(yáng)電磁輻射空間環(huán)境與航天范·艾倫：美國(guó)著名的天文學(xué)家，地球物理學(xué)家，地球輻射帶（范艾倫輻射帶）發(fā)現(xiàn)者，通過(guò)探險(xiǎn)者一號(hào)與探險(xiǎn)者三號(hào)發(fā)現(xiàn)、驗(yàn)證了近地空間存在輻射帶。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，16.5%航天故障是由于空間環(huán)境造成的。近地空間：一般指距離地球90～65000km（10個(gè)地球半徑）以內(nèi)的范圍?？臻g環(huán)境與航天范·艾倫：美國(guó)著名的天文學(xué)家，地球物理學(xué)家，地球引力場(chǎng)對(duì)低地球軌道上的航天器軌道和姿態(tài)控制影響最大，引力加速度及重力梯度力矩直接影響總體方案的選擇和控制方案的選取，重力梯度力矩大小與航天器的特征長(zhǎng)度五次冪成正比。地球大氣對(duì)天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)在進(jìn)入和返回時(shí)產(chǎn)生氣動(dòng)加熱。在500km以下，大氣是僅次于引力的第二大因素，大氣阻力對(duì)軌道維持、氣動(dòng)力及其力矩、推進(jìn)劑消耗量影響十分重要，直接影響著空間站運(yùn)營(yíng)管理的控制策略，對(duì)于大型空間站氣動(dòng)力矩正比于特征尺度的三次方，姿控推進(jìn)劑消耗量正比于特征尺寸度的四次方，軌道阻力補(bǔ)償量正比于特征尺寸度的平方。地球引力場(chǎng)對(duì)低地球軌道上的航天器軌道和姿態(tài)控制影響最大，引力太陽(yáng)光輻射和反照是空間站熱設(shè)計(jì)中的外熱源的環(huán)境依據(jù)，是太陽(yáng)能電池光源的提供者，另外，太陽(yáng)光壓引力的阻力和力矩對(duì)空間站的影響不可忽略。地球磁場(chǎng)與空間站剩余磁矩相互作用產(chǎn)生磁力矩，產(chǎn)生感應(yīng)電位，影響環(huán)境參數(shù)的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)。等離子體對(duì)太陽(yáng)能電池帆板產(chǎn)生主動(dòng)充電，并且使電磁波的折射指數(shù)發(fā)生改變，進(jìn)而改變電磁波傳播路徑?？焖賻щ娏Ｗ訉?duì)元器件產(chǎn)生電離、輻射損傷，導(dǎo)致軟錯(cuò)誤，硬錯(cuò)誤，部分或永久失效。流星、人造殘骸對(duì)航天器結(jié)構(gòu)撞擊、磨蝕導(dǎo)致機(jī)械損傷。太陽(yáng)光輻射和反照是空間站熱設(shè)計(jì)中的外熱源的環(huán)境依據(jù)，是太陽(yáng)能空間環(huán)境最大特點(diǎn)是其參數(shù)隨時(shí)間和空間不斷變化而變化，所以，一成不變的環(huán)境模型（式）對(duì)航天活動(dòng)而言是沒(méi)有任何價(jià)值的，需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)的補(bǔ)充和更新。在軌運(yùn)行的航天器處于十分復(fù)雜的空間環(huán)境包圍之中。大氣密度對(duì)低地球軌道上的航天器的軌道壽命的影響很大，空間帶電粒子輻射對(duì)航天材料、儀器設(shè)備和航天員都有損害作用。電離層影響著無(wú)線電波的傳播，因而影響通訊、導(dǎo)航與定位。太陽(yáng)電磁輻射及其反照影響航天器的環(huán)境的外熱源。地磁場(chǎng)對(duì)航天器姿態(tài)控制方法有很大的影響。近地空間的微流星和空間碎片對(duì)航天器的結(jié)構(gòu)存在潛在損害。空間環(huán)境最大特點(diǎn)是其參數(shù)隨時(shí)間和空間不斷變化而變化，所以，一2.2太陽(yáng)電磁輻射及其對(duì)航天活動(dòng)的影響太陽(yáng)是日—地空間主要的輻射源，輻射類型包括：太陽(yáng)黑子和11年周期黑子活動(dòng)有11年周期，稱為太陽(yáng)黑子周。太陽(yáng)耀斑太陽(yáng)射電發(fā)射太陽(yáng)電磁輻射2.2太陽(yáng)電磁輻射及其對(duì)航天活動(dòng)的影響太陽(yáng)是日—地空太陽(yáng)輻射對(duì)航天活動(dòng)的影響在軌運(yùn)行的航天器建立自身熱平衡的主要熱源就是太陽(yáng)能，它是航天器設(shè)計(jì)尤其是熱設(shè)計(jì)的主要環(huán)境條件。地球反照和地球及其大氣系統(tǒng)的紅外輻射也是在進(jìn)行航天器熱設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素。太陽(yáng)的紫外輻射會(huì)使熱控表明深層和熱控材料、器件的潛能退化，可能導(dǎo)致航天器失去熱平衡。此外，紫外輻射對(duì)絕緣材料、光學(xué)材料和高分子材料也十分有害。太陽(yáng)電池方陣功率的精確計(jì)算與太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù)相關(guān)。太陽(yáng)光壓對(duì)航天器的姿態(tài)控制力矩估計(jì)及航天器軌道保持能力都有影響。太陽(yáng)輻射對(duì)航天活動(dòng)的影響在軌運(yùn)行的航天器建立自身熱平衡的主要2.3地球大氣大氣模式指大氣狀態(tài)和變化過(guò)程的模式，它是以數(shù)學(xué)方程組表示的理論模型。大氣模式是對(duì)真實(shí)大氣的某種應(yīng)用的初步近似，找出某一過(guò)程的主要因子。統(tǒng)計(jì)模式以大量的觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理后給出一定的公式或計(jì)算程序?？梢圆榈讲煌瑮l件下各種大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)的時(shí)間和空間分布。所謂大氣結(jié)構(gòu)是指其物理和化學(xué)狀態(tài)的基本參數(shù)，如溫度、壓力、密度、成分，以及大氣運(yùn)動(dòng)的空間分布和隨時(shí)間的變化。標(biāo)準(zhǔn)大氣和參考大氣的異同？（地理?xiàng)l件和季節(jié)條件）2.3地球大氣大氣模式指大氣狀態(tài)和變化過(guò)程的模式，它是以航天領(lǐng)域內(nèi)常用的大氣模式主要包括Jacchia模式和Msis模式。Jacchia模式主要有J65、J70、J77，使用了1958～1975年間17年的衛(wèi)星阻力數(shù)據(jù)，用該模式進(jìn)行軌道跟蹤測(cè)量與設(shè)計(jì)時(shí)與真實(shí)大氣擬合的最好。任何模式都力圖根據(jù)要求盡可能的反應(yīng)大氣隨季節(jié)、晝夜、太陽(yáng)活動(dòng)和緯度的變化。實(shí)際上，真實(shí)的大氣包括的物理過(guò)程很復(fù)雜，要從理論上得到大氣主要物理量的分布是不現(xiàn)實(shí)的，完全從實(shí)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)規(guī)律也是很困難的，所以現(xiàn)有的大氣模式絕大部分都是半經(jīng)驗(yàn)半理論的。航天領(lǐng)域內(nèi)常用的大氣模式主要包括Jacchia模式和Msis2.4地球電離層及其對(duì)導(dǎo)航定位的影響大氣層包括了兩部分：中性大氣和部分電離大氣，后者對(duì)應(yīng)于低溫的等離子體。電離層對(duì)在其中傳播的電磁波產(chǎn)生折射、反射、散射、吸收和色散的現(xiàn)象。電離層改變電波傳播路徑，導(dǎo)致時(shí)延和到達(dá)角改變；電離層內(nèi)的不規(guī)則體是經(jīng)過(guò)的信號(hào)產(chǎn)生聚焦或散焦，造成波能損失，信號(hào)失真甚至丟失。局部電離層還可能產(chǎn)生噪聲，改變天線的阻抗特性；航天系統(tǒng)涉及到很多電波傳播問(wèn)題，比如測(cè)控系統(tǒng)的定軌問(wèn)題，制導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)的定位問(wèn)題。2.4地球電離層及其對(duì)導(dǎo)航定位的影響大氣層包括了兩部分：中電離層對(duì)通訊和航天活動(dòng)的影響電離層對(duì)無(wú)線電波的吸收（電子從無(wú)線電波獲得的能量通過(guò)碰撞轉(zhuǎn)移給大氣的中性成分）多普勒頻移（由于電離層的運(yùn)動(dòng)或電離層特性隨時(shí)間變化，導(dǎo)致電波在電離層中傳播的路徑隨時(shí)間變化，接收到的電波信號(hào)的頻率發(fā)生了偏移）航天器與電離層的相互作用等離子體鞘對(duì)航天器的不等量充電400～600km高度上航天器上的電流泄漏電離層對(duì)通訊和航天活動(dòng)的影響電離層對(duì)無(wú)線電波的吸收（電子從無(wú)2.5地球磁場(chǎng)及其對(duì)航天器姿態(tài)影響在近地空間環(huán)境中對(duì)航天活動(dòng)有危害的帶電粒子有三個(gè)來(lái)源，即地球輻射帶（范艾倫帶），主要成分是質(zhì)子和電子，被地球磁場(chǎng)所捕獲，經(jīng)常穩(wěn)定地存在，強(qiáng)度大。太陽(yáng)宇宙線，主要指太陽(yáng)發(fā)生耀斑時(shí)射出的帶電粒子，持續(xù)時(shí)間短、強(qiáng)度大。銀河宇宙線，來(lái)自銀河系，單個(gè)粒子能量很高，強(qiáng)度卻很小。2.5地球磁場(chǎng)及其對(duì)航天器姿態(tài)影響在近地空間環(huán)境中對(duì)地球磁場(chǎng)與航天器剩余磁矩相互作用產(chǎn)生磁力矩，有用的磁力線圈是控制系統(tǒng)的一部分。由于有磁場(chǎng)影響改天了航天器本體表面的電磁狀態(tài)，并產(chǎn)生感應(yīng)電位，影響對(duì)環(huán)境參數(shù)的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)。地磁場(chǎng)對(duì)航天器姿控已經(jīng)環(huán)控方案設(shè)計(jì)造成一定的影響。地球磁場(chǎng)與航天器剩余磁矩相互作用產(chǎn)生磁力矩，有用的磁力線圈是2.6其他環(huán)境因素及其對(duì)航天活動(dòng)的影響微流星，空間高速運(yùn)動(dòng)的、天然的微小顆粒?？臻g碎片主要由在軌工作和已經(jīng)停止工作的空間飛行器及其爆炸殘骸、火箭的排放物組成。2.6其他環(huán)境因素及其對(duì)航天活動(dòng)的影響微流星，空間高速運(yùn)動(dòng)空間環(huán)境及其對(duì)航天活動(dòng)的影響課件空間環(huán)境及其對(duì)航天活動(dòng)的影響課件空間飛行器總體設(shè)計(jì)第2章空間環(huán)境及其對(duì)航天活動(dòng)的影響李爽空間飛行器總體設(shè)計(jì)李爽內(nèi)容大綱概述太陽(yáng)電磁輻射及其對(duì)航天活動(dòng)的影響地球大氣地球電離層及其對(duì)導(dǎo)航定位的影響地磁場(chǎng)及其對(duì)航天器姿態(tài)的影響其他環(huán)境因素對(duì)航天活動(dòng)的影響太陽(yáng)及日—地環(huán)境預(yù)報(bào)和預(yù)警內(nèi)容大綱概述2.1概述外層空間環(huán)境對(duì)航天器的運(yùn)動(dòng)和各系統(tǒng)工作有明顯的影響，這些環(huán)境包括電磁輻射、真空、高能粒子輻射、等離子體、微流星體、空間碎片、行星大氣、磁場(chǎng)和引力場(chǎng)等。根據(jù)各種空間環(huán)境的時(shí)間和空間分布特性，太陽(yáng)系內(nèi)的空間環(huán)境大致可以分為：行星際空間環(huán)境、地球空間環(huán)境和其他行星空間環(huán)境。

2.1概述外層空間環(huán)境對(duì)航天器的運(yùn)動(dòng)和各系統(tǒng)工作有明顯的影行星際空間環(huán)境太陽(yáng)電磁輻射太陽(yáng)宇宙線太陽(yáng)風(fēng)行星際磁場(chǎng)銀河宇宙線微流星體和空間碎片行星際空間環(huán)境太陽(yáng)電磁輻射空間環(huán)境與航天范·艾倫：美國(guó)著名的天文學(xué)家，地球物理學(xué)家，地球輻射帶（范艾倫輻射帶）發(fā)現(xiàn)者，通過(guò)探險(xiǎn)者一號(hào)與探險(xiǎn)者三號(hào)發(fā)現(xiàn)、驗(yàn)證了近地空間存在輻射帶。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，16.5%航天故障是由于空間環(huán)境造成的。近地空間：一般指距離地球90～65000km（10個(gè)地球半徑）以內(nèi)的范圍?？臻g環(huán)境與航天范·艾倫：美國(guó)著名的天文學(xué)家，地球物理學(xué)家，地球引力場(chǎng)對(duì)低地球軌道上的航天器軌道和姿態(tài)控制影響最大，引力加速度及重力梯度力矩直接影響總體方案的選擇和控制方案的選取，重力梯度力矩大小與航天器的特征長(zhǎng)度五次冪成正比。地球大氣對(duì)天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)在進(jìn)入和返回時(shí)產(chǎn)生氣動(dòng)加熱。在500km以下，大氣是僅次于引力的第二大因素，大氣阻力對(duì)軌道維持、氣動(dòng)力及其力矩、推進(jìn)劑消耗量影響十分重要，直接影響著空間站運(yùn)營(yíng)管理的控制策略，對(duì)于大型空間站氣動(dòng)力矩正比于特征尺度的三次方，姿控推進(jìn)劑消耗量正比于特征尺寸度的四次方，軌道阻力補(bǔ)償量正比于特征尺寸度的平方。地球引力場(chǎng)對(duì)低地球軌道上的航天器軌道和姿態(tài)控制影響最大，引力太陽(yáng)光輻射和反照是空間站熱設(shè)計(jì)中的外熱源的環(huán)境依據(jù)，是太陽(yáng)能電池光源的提供者，另外，太陽(yáng)光壓引力的阻力和力矩對(duì)空間站的影響不可忽略。地球磁場(chǎng)與空間站剩余磁矩相互作用產(chǎn)生磁力矩，產(chǎn)生感應(yīng)電位，影響環(huán)境參數(shù)的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)。等離子體對(duì)太陽(yáng)能電池帆板產(chǎn)生主動(dòng)充電，并且使電磁波的折射指數(shù)發(fā)生改變，進(jìn)而改變電磁波傳播路徑?？焖賻щ娏Ｗ訉?duì)元器件產(chǎn)生電離、輻射損傷，導(dǎo)致軟錯(cuò)誤，硬錯(cuò)誤，部分或永久失效。流星、人造殘骸對(duì)航天器結(jié)構(gòu)撞擊、磨蝕導(dǎo)致機(jī)械損傷。太陽(yáng)光輻射和反照是空間站熱設(shè)計(jì)中的外熱源的環(huán)境依據(jù)，是太陽(yáng)能空間環(huán)境最大特點(diǎn)是其參數(shù)隨時(shí)間和空間不斷變化而變化，所以，一成不變的環(huán)境模型（式）對(duì)航天活動(dòng)而言是沒(méi)有任何價(jià)值的，需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)的補(bǔ)充和更新。在軌運(yùn)行的航天器處于十分復(fù)雜的空間環(huán)境包圍之中。大氣密度對(duì)低地球軌道上的航天器的軌道壽命的影響很大，空間帶電粒子輻射對(duì)航天材料、儀器設(shè)備和航天員都有損害作用。電離層影響著無(wú)線電波的傳播，因而影響通訊、導(dǎo)航與定位。太陽(yáng)電磁輻射及其反照影響航天器的環(huán)境的外熱源。地磁場(chǎng)對(duì)航天器姿態(tài)控制方法有很大的影響。近地空間的微流星和空間碎片對(duì)航天器的結(jié)構(gòu)存在潛在損害?？臻g環(huán)境最大特點(diǎn)是其參數(shù)隨時(shí)間和空間不斷變化而變化，所以，一2.2太陽(yáng)電磁輻射及其對(duì)航天活動(dòng)的影響太陽(yáng)是日—地空間主要的輻射源，輻射類型包括：太陽(yáng)黑子和11年周期黑子活動(dòng)有11年周期，稱為太陽(yáng)黑子周。太陽(yáng)耀斑太陽(yáng)射電發(fā)射太陽(yáng)電磁輻射2.2太陽(yáng)電磁輻射及其對(duì)航天活動(dòng)的影響太陽(yáng)是日—地空太陽(yáng)輻射對(duì)航天活動(dòng)的影響在軌運(yùn)行的航天器建立自身熱平衡的主要熱源就是太陽(yáng)能，它是航天器設(shè)計(jì)尤其是熱設(shè)計(jì)的主要環(huán)境條件。地球反照和地球及其大氣系統(tǒng)的紅外輻射也是在進(jìn)行航天器熱設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素。太陽(yáng)的紫外輻射會(huì)使熱控表明深層和熱控材料、器件的潛能退化，可能導(dǎo)致航天器失去熱平衡。此外，紫外輻射對(duì)絕緣材料、光學(xué)材料和高分子材料也十分有害。太陽(yáng)電池方陣功率的精確計(jì)算與太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù)相關(guān)。太陽(yáng)光壓對(duì)航天器的姿態(tài)控制力矩估計(jì)及航天器軌道保持能力都有影響。太陽(yáng)輻射對(duì)航天活動(dòng)的影響在軌運(yùn)行的航天器建立自身熱平衡的主要2.3地球大氣大氣模式指大氣狀態(tài)和變化過(guò)程的模式，它是以數(shù)學(xué)方程組表示的理論模型。大氣模式是對(duì)真實(shí)大氣的某種應(yīng)用的初步近似，找出某一過(guò)程的主要因子。統(tǒng)計(jì)模式以大量的觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理后給出一定的公式或計(jì)算程序?？梢圆榈讲煌瑮l件下各種大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)的時(shí)間和空間分布。所謂大氣結(jié)構(gòu)是指其物理和化學(xué)狀態(tài)的基本參數(shù)，如溫度、壓力、密度、成分，以及大氣運(yùn)動(dòng)的空間分布和隨時(shí)間的變化。標(biāo)準(zhǔn)大氣和參考大氣的異同？（地理?xiàng)l件和季節(jié)條件）2.3地球大氣大氣模式指大氣狀態(tài)和變化過(guò)程的模式，它是以航天領(lǐng)域內(nèi)常用的大氣模式主要包括Jacchia模式和Msis模式。Jacchia模式主要有J65、J70、J77，使用了1958～1975年間17年的衛(wèi)星阻力數(shù)據(jù)，用該模式進(jìn)行軌道跟蹤測(cè)量與設(shè)計(jì)時(shí)與真實(shí)大氣擬合的最好。任何模式都力圖根據(jù)要求盡可能的反應(yīng)大氣隨季節(jié)、晝夜、太陽(yáng)活動(dòng)和緯度的變化。實(shí)際上，真實(shí)的大氣包括的物理過(guò)程很復(fù)雜，要從理論上得到大氣主要物理量的分布是不現(xiàn)實(shí)的，完全從實(shí)測(cè)資料發(fā)現(xiàn)規(guī)律也是很困難的，所以現(xiàn)有的大氣模式絕大部分都是半經(jīng)驗(yàn)半理論的。航天領(lǐng)域內(nèi)常用的大氣模式主要包括Jacchia模式和Msis2.4地球電離層及其對(duì)導(dǎo)航定位的影響大氣層包括了兩部分：中性大氣和部分電離大氣，后者對(duì)應(yīng)于低溫的等離子體。電離層對(duì)在其中傳播的電磁波產(chǎn)生折射、反射、散射、吸收和色散的現(xiàn)象。電離層改變電波傳播路徑，導(dǎo)致時(shí)延和到達(dá)角改變；電離層內(nèi)的不規(guī)則體是經(jīng)過(guò)的信號(hào)產(chǎn)生聚焦或散焦，造成波能損失，信號(hào)失真甚至丟失。局部電離層還可能產(chǎn)生噪聲，改變天線的阻抗特性；航天系統(tǒng)涉及到很多電波傳播問(wèn)題，比如測(cè)控系統(tǒng)的定軌問(wèn)題，制導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)的定位問(wèn)題。2.4地球電離層及其對(duì)導(dǎo)航定位的影響大氣層包括了兩部分：中電離層對(duì)通訊和航天活動(dòng)的影響電離層對(duì)