航天器在軌空間環(huán)境研究

許 濱，武占成，郝永鋒，毛志煒

（1.軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北石家莊 050003；2.軍械工程學院訓練部裝備處，河北石家莊 050003；3.71887部隊，山東煙臺 265801）

航天器在軌空間環(huán)境研究

許 濱1，武占成1，郝永鋒2，毛志煒3

（1.軍械工程學院靜電與電磁防護研究所，河北石家莊 050003；2.軍械工程學院訓練部裝備處，河北石家莊 050003；3.71887部隊，山東煙臺 265801）

本文闡述了航天器安全可靠性的重要性，提出對航天器表面帶電影響較大的空間環(huán)境主要是等離子體環(huán)境和磁層亞暴環(huán)境，并簡要介紹了空間環(huán)境對航天器表面帶電的影響，為航天器靜電帶電機理及防護研究打下了重要基礎(chǔ)。

航天器；空間環(huán)境；靜電放電

現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境是海、陸、空、天、電磁組成的“五位一體”的復合體，其中的天就是指在航天領(lǐng)域的主動權(quán)。航天技術(shù)和航天裝備的發(fā)展及其在軍事上的應用，已經(jīng)對現(xiàn)代戰(zhàn)爭產(chǎn)生了深遠的影響。據(jù)統(tǒng)計，海灣戰(zhàn)爭中美國共動用了70余顆衛(wèi)星，而在科索沃戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中，也分別動用了50多顆衛(wèi)星，為空中、海上和地面武器裝備和作戰(zhàn)人員提供全方位的信息支援和保障。

近年來，國內(nèi)外航天器發(fā)生了多起由于空間環(huán)境引起的在軌異常和故障。尤其在航天器電子系統(tǒng)采用了集成度較高的大規(guī)模／超大規(guī)模微電子器件后，電子系統(tǒng)的性能提高的同時也對空間環(huán)境更為敏感，因此由于空間環(huán)境引起的航天器故障頻頻出現(xiàn)。

中國對早期6顆衛(wèi)星的故障原因進行統(tǒng)計，結(jié)果表明空間環(huán)境引起的故障占總數(shù)的40%，如表1所示。美國空間環(huán)境中心從1965年起，對多個衛(wèi)星的300個故障進行分析評價，結(jié)果表明，大約33%左右的故障是由于變化的空間環(huán)境造成的［1］。

在這種情況下，對航天器所處的空間環(huán)境進行研究，對于提高航天器的抗干擾能力有著重要的指導意義，對充分發(fā)揮航天器在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的重要作用也具有極為重要的軍事意義。

表1 國內(nèi)早期衛(wèi)星故障原因統(tǒng)計

1 航天器在軌空間環(huán)境

航天器運行于各種軌道，將面臨多種空間環(huán)境要素，其中對航天活動具有較大影響的主要包括太陽電磁輻射、空間等離子體地球磁場、中性大氣地球電離層、空間碎片與微流星體、空間帶電粒子輻射、污染等等。這些空間要素中的某一個或者多個同時與運行在軌道中的航天器相互作用，相互影響，在航天器材料和電子元器件上產(chǎn)生各種空間環(huán)境效應，進而對航天器的安全運行產(chǎn)生影響［1］。其中，對航天器表面帶電影響較大的主要是空間等離子體環(huán)境和磁層亞暴環(huán)境。

1.1 空間等離子體環(huán)境

通常認為，等離子層從離地面約60 km處算起，直至與星際空間的等離子體相接的廣大區(qū)域。隨著高度的變化，等離子體的密度、組分、能量發(fā)生變化。表2給出了60～3 000 km范圍內(nèi)，當太陽活動處于高峰時，典型電子濃度、電子能量隨高度變化的情況［2］。

1.2 空間磁層亞暴環(huán)境

地球磁層是指受太陽風（來自太陽的粒子流）和行星際磁場限制與約束，而地磁場起控制作用的有限的空間范圍。

磁層亞暴是發(fā)生在磁層內(nèi)的經(jīng)常性擾動。磁層首先存儲1×1014～1×1015J的能量，然后在1 000 s左右的時間內(nèi)將這些能量釋放出來時，使得磁層產(chǎn)生擾動。

當發(fā)生磁層亞暴時，地球同步軌道上，原來的高密度、低能量（粒子數(shù)為10／cm－3～100／cm－3、能量小于l eV）的等離子體被低密度、高能量（粒子數(shù)小于1／cm－3，能量約為1～50 ke V）等離子體所取代。據(jù)統(tǒng)計，一年當中，約有1／3的時間內(nèi)能觀測到亞暴活動。而其中有1／10左右的亞暴對地球同步軌道上運行的航天器有影響。美國在“高軌道帶電研究［SCATHA（STP P78-20）］”、“應用技術(shù)（ATS-6）”衛(wèi)星、“應用技術(shù)（ATS-5）”衛(wèi)星衛(wèi)星獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，給出了平均等離子體環(huán)境（見表3）和最惡劣等離子體環(huán)境（見表4）下的地球同步軌道磁層亞暴等離子體環(huán)境，為航天器仿真計算和設(shè)計研究提供參考。

表2 電子濃度、電子能量隨高度的變化值

表3 磁層亞暴期間地球同步軌道的平均等離子體環(huán)境

表4 磁層亞暴期間地球同步軌道的最惡劣等離子體環(huán)境

2 空間環(huán)境對航天器的影響

航天器運行在地球空間等離子體輻射環(huán)境中時，由于等離子體與航天器表面材料相互作用，會使得航天器出現(xiàn)各種情況的表面充／放電現(xiàn)象：航天器外表面可能會積累電荷（充電），由于航天器外表面材料的幾何形狀、介電特性、以及所受的光照條件等不同，可使航天器表面與航天器地之間、相鄰外表面之間、表面與深層之間產(chǎn)生電位差，當這個電位差達到一定值以后，將會以電暈放電、飛弧放電、擊穿放電等方式進行放電，輻射出電磁脈沖（EMP），或者通過航天器接地系統(tǒng)將放電電流直接注入到航天器上的電子系統(tǒng)中，對其產(chǎn)生影響乃至發(fā)生電路故障，對整個航天器的安全構(gòu)成直接威脅。圖1展示了其中的一種放電情景。不同情況下航天器表面帶電基本情況如表5所示。

圖1 航天器表面充放電現(xiàn)象

3 結(jié)束語

本文在總結(jié)當前國內(nèi)外對航天器空間環(huán)境研究的基礎(chǔ)上，研究了對航天器故障影響較大的空間等離子體環(huán)境和空間磁層亞暴環(huán)境，為航天器靜電放電等故障問題的研究打下了基礎(chǔ)，這對于航天器的安全可靠性具有重要的參考意義。

表5 不同條件下航天器表面帶電基本情況

［1］王 立，秦曉剛，李 凱，等.空間靜電放電傳導干擾分析方法研究［J］.中國空間科學技術(shù)，2004（5）：51-55.

［2］黃本誠，馬有禮.航天器空間環(huán)境試驗技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

TN4

A

1008-1542（2011）12-0009-02

2011-06-20；責任編輯：馮 民

許 濱（1986-），男，福建莆田人，博士研究生，主要從事電磁環(huán)境模擬方面的研究。