物理讀書筆記-09資源 郭盼

《空間環(huán)境》

讀書筆記《空間環(huán)境》作者：艾倫·C·特里布爾姓名：郭盼班級(jí)：地質(zhì)系09資源學(xué)號(hào)：09101050102010/10/24本書概述

這本書重點(diǎn)討論的是航天器系統(tǒng)性能的環(huán)境因素。目的在于了解空間環(huán)境與航天器、空間儀器、操作規(guī)程以及設(shè)計(jì)選項(xiàng)之間的相互作用方式。為了反映地球軌道環(huán)境所具有的基本特性，把空間環(huán)境效應(yīng)分為5大類，即：真空環(huán)境、中性粒子環(huán)境、等離子體環(huán)境、輻射環(huán)境、微流星體/軌道碎片環(huán)境。一、真空環(huán)境：在100km的高度上，周圍的大氣壓力比海平面大氣壓力低6個(gè)數(shù)量級(jí)。甚至在航天器離開運(yùn)載器之前，其周圍大氣壓也會(huì)降到類似真空的水平。當(dāng)暴露在大氣壓力非常低的環(huán)境中時(shí)，許多物質(zhì)會(huì)由于真空出氣導(dǎo)致質(zhì)量減少，實(shí)際上，揮發(fā)性物質(zhì)會(huì)擺脫物體表面的吸力，進(jìn)入到周圍的環(huán)境中。在空間中，出氣物質(zhì)會(huì)把污染物沉積在熱學(xué)、光學(xué)部件的表面，從而會(huì)改變這些設(shè)備的熱、光學(xué)性質(zhì)。因此，對(duì)于在高空以高速飛行的航天器來說，保持表面清潔是飛行任務(wù)成功的關(guān)鍵。另一個(gè)挑戰(zhàn)是溫度控制。真空環(huán)境中沒有大氣，就無法通過氣體的對(duì)流來進(jìn)行傳熱，航天器只能利用傳導(dǎo)或輻射來為自身降溫。傳導(dǎo)是依靠航天器的各個(gè)不同部位的熱交換完成的，而輻射是航天器和環(huán)境之間進(jìn)行熱交換的主要途徑。航天器產(chǎn)生的多余熱量，必須通過某種方式及時(shí)地耗散掉，最常用的方法就是通過散熱器散熱。真空環(huán)境中，紫外線對(duì)航天器有很大影響。只有21%的太陽光能不受阻礙的穿過地球大氣層，到達(dá)地球表面，31%的太陽光被反射回太空，29%通過散射到達(dá)地球，19%作為熱量被大氣吸收，紫外線全部被地球的臭氧層吸收，航天器的表面會(huì)完全暴露在太陽紫外線之中。紫外線中的單個(gè)光子具有的能量足以使許多物質(zhì)的有機(jī)化學(xué)鍵斷裂。結(jié)果，這些物質(zhì)一旦暴露在紫外線的輻射中，其物理性質(zhì)都將發(fā)生改變（這也是為什么人們?cè)絹碓綋?dān)心，皮膚癌的增長很可能與氟利昂的排放導(dǎo)致地球臭氧層變薄有關(guān)的原因）。所以航天器因?yàn)楸┞对诳臻g環(huán)境中，而引起材料性能降低。材料性能降低的原因不僅僅是由紫外線造成的，還與污染密切相關(guān)。不管是外界環(huán)境因素還是航天器本身存在的出氣過程，都是污染源。所以，在航天器的設(shè)計(jì)上，應(yīng)選對(duì)合適的材料，如選擇對(duì)紫外線抵抗力較強(qiáng)的材料，同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮自身產(chǎn)生污染的可能性，并采取有效地措施把這種可能性降到最低。二、有關(guān)中性環(huán)境：LEO軌道（低地球軌道）上的中性氣體十分稀薄，根本無法維持人類的生命活動(dòng)，但它卻足以對(duì)軌道上以8km/s高速飛行的航天器造成重大影響。AO（原子氧）是低地球軌道中殘余大氣的主要成分，具有極強(qiáng)的活性，可以通過化學(xué)反應(yīng)腐蝕物體表面，或增強(qiáng)物體的可見光強(qiáng)度，干擾遙感、遙測(cè)。劃分大氣層時(shí)，最靠近地球表面的那部分區(qū)域被稱為對(duì)流層，其特點(diǎn)是層內(nèi)組分近似一致：78%的氮?dú)猓?1%的氧氣，1%氬氣和其他稀有氣體。隨著高度的升高，對(duì)流層的溫度和密度會(huì)隨之降低。對(duì)流層的上面是平流層。平流層的起始高度為11~12km。由于10~80km高度范圍內(nèi)的臭氧層吸收了太陽的紫外線，從而使此區(qū)域的大氣溫度有所升高。在大約45km的高度以上，存在一層溫度較低的區(qū)域，稱為中間層。中間層向上一直延伸到大約80~85km的高度，這里的大氣溫度最低，約為180K。由于中間層所處的高度超出了氣球可以到達(dá)的極限高度，而且又低于航天器的最低的近地點(diǎn)的地帶”。在中間層的上面是熱層。大約80km以上，各類化學(xué)反應(yīng)迅速的破壞著臭氧層，分子氧很快被分解成了氧原子。熱層的化學(xué)組分使該層成為大氣層中吸收作用最強(qiáng)的一層，吸收太陽紫外線之后，使得熱層的溫度相應(yīng)的升高。熱層的上面是外層，該層內(nèi)氣態(tài)粒子更為稀薄，碰撞率很低，因此，粒子沿彈道狀軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)只受重力影響。在低地球軌道，中性大氣層是人們最關(guān)注的環(huán)境因素，在研究其對(duì)航天器的影響時(shí)，通常將其上界限定在1000km。由于地球重力的作用，質(zhì)量較大的分子更靠近地球表面，而在較高的空間，化學(xué)反應(yīng)和太陽紫外線的作用會(huì)使分子間的化學(xué)鍵斷裂，因此，大氣的化學(xué)成分會(huì)隨著高度的變化而改變。N2是對(duì)流層和平流層最主要的成分，而在175km的高空，原子氧則成為最主要成分。在大約650km的高空，原子氧讓位給氦氣，而在大約2500km的高空，氫氣又取代了氦氣成為大氣層的主要成分。在中性環(huán)境中，各粒子對(duì)航天器有機(jī)械作用，即環(huán)境中的各原子、分子對(duì)航天器有碰撞影響。除此之外，有些粒子對(duì)其還有化學(xué)反應(yīng)，例如在大約100~600km的高度，大氣層的主要成分為原子氧（AO），AO具有極大的活性，會(huì)與很多物質(zhì)大聲相互作用，使其發(fā)生氧化、腐蝕，是材料的性能退化，并且會(huì)剝蝕掉可燃性物質(zhì)，使材料質(zhì)量損失，會(huì)給航天器帶來嚴(yán)重后果。所以在航天器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇比較穩(wěn)定、與原子氧不易發(fā)生反應(yīng)的材料，并在表面增加防護(hù)層；且應(yīng)減小迎風(fēng)面，是阻力最小。飛行時(shí)應(yīng)調(diào)整飛行方向，使它在氣流中的迎風(fēng)面積最小。三、有關(guān)等離子體環(huán)境：物質(zhì)有4種基本形態(tài)，分別是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)。區(qū)分這4種形態(tài)的不同之處在于衡量物質(zhì)具有多少有效能（熱量）。加熱固態(tài)物質(zhì)會(huì)變成液態(tài)物質(zhì)，加熱液態(tài)物質(zhì)可以變成氣態(tài)物質(zhì)，加熱氣態(tài)物質(zhì)就形成了等離子態(tài)物質(zhì)。從根本上來講，當(dāng)原子中的電子得到能量，擺脫原子核對(duì)電子的束縛時(shí)，就形成了等離子體。更正式的講，等離子體可以定義為由帶電粒子組成的氣體，其中粒子與其相鄰粒子之間的勢(shì)能要小于粒子的動(dòng)能。宇宙中超過99%的物質(zhì)，如太陽和恒星體，都是等離子體，非等離子體物質(zhì)只有1%，而人類恰恰就生活在宇宙中非常稀少的非等離子體物質(zhì)上。地球周圍大多數(shù)的軌道環(huán)境都處于等離子體狀態(tài)，因此進(jìn)入等離子體環(huán)境的航天器可能具有很高的電位。處于等離子體環(huán)境中的航天器，由于表面材料的導(dǎo)電性的差別，導(dǎo)體和絕緣體有不同的電位。如果電位差達(dá)到足夠大時(shí)，物體表面會(huì)發(fā)生電弧放電。人們對(duì)此極為關(guān)注，因?yàn)殡娀》烹娍赡苄纬晌锢硇該p壞，會(huì)使航天器的分系統(tǒng)遭到永久性的破壞，還可能產(chǎn)生電磁干擾，影響靈敏電子設(shè)備的正常運(yùn)行。在低地球軌道上，太陽紫外線使大氣層周圍的氧氣和氮?dú)獍l(fā)生電離，形成等離子體。此環(huán)境中的等離子體對(duì)航天器的的充放電有很大影響。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能的是航天器的表面材料導(dǎo)電性一致。四、有關(guān)輻射環(huán)境：探索者I號(hào)觀測(cè)到，許多高能帶電粒子，如電子和質(zhì)子被束縛在軌道上，并沿著地球磁力線的方向運(yùn)動(dòng)。帶電粒子所在的這個(gè)區(qū)域叫做地球捕獲輻射帶。輻射帶與低能離子組成的等離子體環(huán)境有很大的不同，輻射帶里的粒子能量很大。這樣一來，輻射帶中的粒子和其他與銀河系宇宙線、太陽質(zhì)子事件或高空核爆有關(guān)的高能粒子一樣，不是僅局限在材料表面發(fā)生作用，很可能會(huì)穿過材料的表面進(jìn)入材料內(nèi)部。因此，這些粒子具有穿過航天器表面進(jìn)入內(nèi)部發(fā)生作用的能力。一般來說，任何高能粒子（電子、質(zhì)子、中子、重離子），或光子（γ射線、X射線），都被認(rèn)定為具有輻射性。當(dāng)輻射向物質(zhì)內(nèi)部傳輸時(shí)，它在路徑上能引起材料電離或發(fā)生位移。受到輻射的物質(zhì)，隨后自身可能又產(chǎn)生更進(jìn)一步的分裂。其結(jié)果是使材料的整體性質(zhì)發(fā)生改變性能降低。輻射損傷會(huì)降低太陽能電池的輸出功率：太陽能電池受到輻射作用影響時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電離效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)，使電池產(chǎn)生的電流和功率也隨之下降。也會(huì)使光學(xué)設(shè)備的焦距面形成偽信號(hào)，或者使航天器的電子設(shè)備及控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)單元產(chǎn)生錯(cuò)誤。材料受到輻射損傷的程度，不僅取決于輻射的性質(zhì)，也取決于輻射所具有的能量以及受到輻射作用的物質(zhì)本身的特性?？臻g中有3種天然輻射源：（1）地球輻射帶；（2）銀河系宇宙射線（GCR）；（3）太陽質(zhì)子事件（SPE）。空間中究竟哪種輻射源居主導(dǎo)地位，主要取決于航天器所處的空間軌道。五、有關(guān)微流星體/軌道碎片環(huán)境：在晴朗的夜晚，遙望星空的人常常會(huì)看到一些流星劃過天空的明亮痕跡。這些流行實(shí)際上是極其微小的物體碎片，他們?cè)谶M(jìn)入大氣層時(shí)發(fā)生了燃燒。太陽系誕生于彗星、隕石及類似物質(zhì)解體后自然形成的背景塵埃物。這些背景塵埃物叫微流星體（MM）。人類活動(dòng)造成了由軌道碎片構(gòu)成的塵埃云，這些碎片是無人駕駛的航天器、助推器、固體火箭燃料粒子等的殘留物。這些人為造成的環(huán)境被叫做軌道碎片（OD）。無論是微流星體或軌道碎片，盡管他們大多數(shù)都很?。?lt;1cm），但仍然引起人們的關(guān)注，因?yàn)檫@些物質(zhì)具有軌道速度，撞擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的動(dòng)能。高速撞擊的效應(yīng)很大程度上取決與撞擊時(shí)微粒速度的大小。當(dāng)速度小于2km/s時(shí)，撞擊微粒將完好無損；當(dāng)速度在2~7km/s時(shí)，撞擊微粒將破裂成碎片；在速度為7~11km/s時(shí)，微粒將成融融狀態(tài)；速度超過11km/s時(shí)，微粒將發(fā)生氣化。軌道碎片（OD）對(duì)航天器的沖擊速度將小于微流星體，并且OD碰撞主要發(fā)生在航天器迎風(fēng)面。OD的主要來源包括：退役的航天器、推進(jìn)器、航天器的爆炸（在運(yùn)行壽命終止階段，推進(jìn)裝置會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定）或斷裂殘留物、碰撞產(chǎn)生的物體、固體火箭燃料微粒以及表面侵蝕微粒。高速撞擊過程中，