航天器面临的空间环境

在太空中飞行的航天器，经受着与地球表面完全不同的空间环境。这些环境因素与航天器相互影响、相互作用，对航天器的设计、研制与运行产生着重要的影响。只有正确认识空间环境，研究其对航天器的作用效应，采取有效的防护措施，才能保证航天器在太空的正常运行。

目前人类研制的航天器绝大部分还没有飞出太阳系，因此其经历的空间环境主要还是指日地空间环境和行星际空间环境。在这一空间环境中，影响航天器的因素有：地球高层大气、地磁场、地球重力场、高能带电粒子（银河宇宙线、太阳宇宙线、地球辐射带）、空间等离子体（电离层、磁层等离子体、太阳风)、太阳电磁辐射、微流星、空间碎片、空间污染等。

与人类生活的近地空间环境相比，宇宙空间环境是十分严酷的。这里以太阳系空间为例来说明。首先是超高度真空，每立方厘米的行星际气体只有0.1个氢原子和氢分子等物质。其次是极端温度，受太阳光直接照射处可以产生极高的温度，背向太阳光处温度则可以低到-200℃以下。宇宙空间的高真空、极高和极低温度，对航天器的材料、设计、密封等都提出很高的要求。第三是宇宙线辐射和各种高能带电粒子对航天器的表面材料、内部器件及电位等都会产生显著的影响。这些辐射和高能带电粒子，大多与太阳活动有关。太阳电磁辐射包括从波长极短的γ射线和X射线，经紫外线、可见光到红外线和无线电波的整个电磁波谱。在太阳的光球层中周期性地产生太阳黑子活动，在太阳色球层中靠近黑子群的地方常常发生耀斑爆发，可释放出1023～1026焦的能量，相当于上百亿颗百万吨级的氢弹爆炸，由此产生大量紫外线、X射线、γ射线和高能带电粒子，对航天活动带来巨大的威胁。在太阳的日冕层，常常形成冕洞，它像喷气发动机的喷管一样，不断向外喷射高温磁化的离子，在太阳黑子活动剧烈和耀斑爆发时喷射尤为强烈，形成强劲的太阳风。太阳耀斑爆发时，引起地磁暴和扰乱电离层，影响短波通信，甚至损害航天器。地球磁场俘获太阳发出的高能粒子形成的地球辐射带，对航天活动也有很大影响。最后，在太阳系空间还有微流星体和太空垃圾危及航天活动。

空间环境对航天器的影响可归纳为图2-4和图2-5。

下面，我们更具体地介绍对航天器有重要影响的五种环境因素。

高层大气与航天器轨道和表面剥蚀效应

高层大气对航天器的影响主要表现在两个方面，一是对航天器的阻力，改变其轨道并使其衰变直至陨落；二是高层大气中的氧原子对航天器表面的化学剥蚀作用。

高层大气对航天器轨道的阻力是近地轨道航天器主要的轨道摄动力，它是航天器的轨道衰变、姿态改变、寿命缩短乃至陨落的主要原因。

氧原子是最具活性的气体粒子之一,由于航天器以约8千米/秒的速度相对于高层大气中的氧原子飞行，它们相互间不断发生高速碰撞，从而通过氧化作用对航天器表层的某些材料产生严重的剥蚀效应。由此导致的剥蚀程度，与高层大气中氧原子的数密度大小和分布密切相关。对于需要长期在近地轨道上运行和工作的航天器，例如空间站，这种表面剥蚀效应是十分严重的。

高能带电粒子与航天器辐射效应

航天器在茫茫太空中飞行，那里仿佛是真正的“真空”。然而事实并非如此。那里的高能带电粒子，主要有来自银河系的银河宇宙线、来自太阳爆发时的太阳宇宙线、被地磁场捕获的辐射带粒子，以及由于磁扰引起的磁层沉降粒子。它们共同构成了航天器轨道上的高能带电粒子环境。

高能带电粒子对航天器的影响主要表现在两个方面：一是对航天器的材料、电子器件、各种生物及宇航员的辐射损伤效应；二是对大规模集成电路的微电子器件产生的单粒子事件效应。此外，太阳质子事件、沉降粒子的注入，使电离层电子浓度增加，造成对通信、测控和导航的严重干扰。

带电粒子对航天器的辐射损伤作用，主要是通过以下两种方式：一种是电离作用，即被照物质的原子吸收入射粒子的能量而电离；另一种是原子的位移作用，即被高能离子击中的原子发生位移而脱离了原先在晶格中所处的位置，从而造成晶格缺陷。这些作用可导致航天器上的各种材料、电子器件等的性能变差，严重时甚至会损坏。例如，玻璃材料在严重辐照后会变黑、变暗，胶卷变得模糊不清，人体感到不舒服、患病甚至死亡，太阳能电池输出功率降低等，各种半导体器件遭受严重辐照后，性能也会衰退，如增益降低，工作点漂移，甚至完全损坏。

单粒子事件效应

一架飞机与一只飞鸟相撞，不仅会造成鸟亡，而且会导致机毁。太空中虽然没有飞鸟，却存在着高速高能粒子，例如质子。如果它与航天器相撞，也会产生严重的后果。单粒子事件是指由于单个的高能质子或重离子撞击而导致微电子器件状态改变，从而使航天器发生异常或故障的事件。它包括改变微电子器件逻辑状态的单粒子翻转事件，使互补型金属氧化物半导体（CMOS）组件发生可控硅效应的单粒子锁定事件等。

当空间高能带电粒子穿入航天器，或者这些高能粒子与航天器的舱壁发生相互作用而产生重离子时，在粒子通过微电子器件的路径上将产生电离，沉积在器件中的电荷有一部分被电极收集，从而可能产生两种重要的效应：第一种是软错误的单粒子翻转效应，另一种是锁定效应。当收集的电荷超过电路状态的临界电荷时，电路就会出现不期望的翻转，出现逻辑功能混乱。但这种效应不会使逻辑电路损坏,它还可以被重新写入另外一个状态，因此，这种效应常称为软错误。单粒子翻转事件虽然并不产生硬件损伤，但它会导致航天器控制系统的逻辑状态紊乱，从而可能产生灾难性的后果。

空间等离子体与航天器充电放电效应

在近地空间存在着大量的等离子体。除了磁层外的太阳风等离子体外，在磁层中还有电离层、等离子体层和等离子体片等集中分布的等离子体区域。当航天器在这些区域中运行时，与等离子体的相互作用会导致航天器的充电放电效应。当航天器被充电到一定高度时，所产生的强电场可击穿材料或器件；放电所发生的电磁辐射则会干扰航天器上各种电器设备的正常工作，甚至造成航天器失效。

空间等离子体导致的航天器充电大致分为两种形式：一是由能量（数十千电子伏以下）不足以穿透航天器表面的等离子体与航天器相互作用而导致的充电现象，称为表面充电。由于电子热运动速度远高于离子，所以航天器表面将有大量的电子沉积而带负电。又由于航天器不同表面部分可处于不同的环境条件（如有无光照），航天器运动时不同的姿态致使表面的物理环境在不断变化，兼之表面各部分的材料不同，所以航天器表面不同部分可能带有不同电位，从而形成不均匀充电，出现电位差。

另一种充电形式是内部充电，或叫深层充电，它是能量高于几十千电子伏的电子入射到航天器上，其能量可穿透表面，其穿透深度随入射电子能量增加而增加，在表面下数十微米处聚集入射电子与表面同能量的离子形成的充电现象。当航天器表面材料绝缘时，它们在空间等离子体中将被充电至不同电位，从而可能引起放电，造成航天器异常的故障。

空间碎片和微流星

航天器在近地空间运行，有时会遇到不速之客的撞击，造成太空“车祸”。近地空间的航天器经常会遭到两种固态物质撞击的威胁，一种是宇宙空间中自然形成的流星体，另一类是人类空间活动产生的空间垃圾——空间碎片。它们在空间以高速运行，具有极高的动能，一旦与航天器相碰撞，就可能造成严重的后果，这就是当前航天界愈来愈关注的空间环境问题。

流星体在太阳引力场作用下，围绕太阳沿着椭圆轨道运行，运行速度约为45千米/秒，地球围绕太阳运动的速度为30千米/秒，因此流星相对于地球的速度为15~75千米/秒之间。成群出现的流星体称为流星群，它们疏密不等地分布在产生它们的母天体轨道附近。

流星体和空间碎片是航天器的灾星。它们与航天器碰撞的可能性与航天器的大小及在轨停留时间成正比，航天器越大，碰撞的可能性越大，在轨停时间越长，碰撞机会就越多。一旦航天器与流星体或碎片相撞，由于流星体和碎片具有极高的动能——每1克流星体具有的能量可高达2×105焦，在与航天器相撞的瞬间释放出来，将会对航天器造成极为严重的后果。流星和碎片对航天器造成的损害的类型和程度，取决于航天器尺度大小、航天器的结构、形态和在轨的停留时间以及流星和碎片的特征。它们可能会击穿高压舱和燃料箱，损坏助推器的喷口，剥蚀航天器上光学仪器、天线以及热防护的表面涂层，最后使航天器损坏而失效。