近地空間環(huán)境

韓波+陳琦+崔曉婷

1 簡(jiǎn)介

近地空間環(huán)境（如熱層、電離層）對(duì)空間系統(tǒng)的危害很大。航天器電源系統(tǒng)必須在從發(fā)射到壽命終結(jié)的整個(gè)任務(wù)階段經(jīng)受住空間環(huán)境的考驗(yàn)，達(dá)到各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。為達(dá)到此目的，空間研究機(jī)構(gòu)如NASA等已對(duì)通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行研究并形成了文件。太陽(yáng)電池陣直接暴露在空間環(huán)境中，故極易損壞。事實(shí)上，多數(shù)情況下，太陽(yáng)電池陣的損壞情況決定了航天器的壽命。同時(shí)，環(huán)境因素也影響電源系統(tǒng)其他各個(gè)部件的總體設(shè)計(jì)。

2 發(fā)射和轉(zhuǎn)移軌道環(huán)境

在發(fā)射和不同的火工品點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)展開(kāi)等各個(gè)階段常伴隨有大的加速度、沖擊和振動(dòng)的產(chǎn)生。不同的運(yùn)載工具產(chǎn)生量級(jí)不同的應(yīng)力，對(duì)電源系統(tǒng)尤其是對(duì)太陽(yáng)電池陣的設(shè)計(jì)都有影響。例如，航天飛機(jī)上的太陽(yáng)電池陣需要承受3g（g為地球表面的重力加速度）的發(fā)射加速度，土星號(hào)（Saturn）運(yùn)載火箭上則為10g。火工品點(diǎn)火沖擊會(huì)持續(xù)幾毫秒，力量極大，沖擊頻譜一般也具有高頻振動(dòng)的特點(diǎn)。例如，阿里安（Ariane）運(yùn)載火箭在有效載荷分離時(shí)的沖擊峰值大約為2000g，頻率超過(guò)1.5kHz。

在轉(zhuǎn)移軌道上，雖然太陽(yáng)電池板是收攏的，但它必須承受近地點(diǎn)的加速力和遠(yuǎn)地點(diǎn)的制動(dòng)力。在溫度方面，外層的太陽(yáng)電池板必須承受住地球的熱輻射、星體反照率和太陽(yáng)輻射，并將溫度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

3 在軌環(huán)境

電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要受下列在軌環(huán)境因素的影響。

3.1 失重和真空

空間失重和真空對(duì)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響很大。微重力和真空使得所有的航天設(shè)備不能采用地球上司空見(jiàn)慣的對(duì)流冷卻方式進(jìn)行散熱。于是內(nèi)熱主要采用傳導(dǎo)散熱，或者在一定程度上采用輻射散熱的方法。但要將熱量散入太空就只能依靠輻射散熱法。

真空會(huì)引起升華和排氣作用，尤其對(duì)某些物質(zhì)而言作用更甚。升華氣體遇冷凝結(jié)，附著在電氣元件表面會(huì)引起短路。因?yàn)殇\有較高的升華率，某些聚合物有較高的排氣率，因此，它們?cè)诤教煸O(shè)備中的應(yīng)用受到了限制。真空中，太陽(yáng)電池陣的導(dǎo)電滑環(huán)和電刷在高接觸壓力的作用下會(huì)產(chǎn)生冷壓焊接的現(xiàn)象，因此使用具有較低升華率的潤(rùn)滑劑，或?qū)⑵涿芊庠趬毫θ萜骼锸鞘种匾摹?/p>

3.2 磁場(chǎng)

地磁場(chǎng)和由電流回路產(chǎn)生的磁偶極矩相互作用在航天器上產(chǎn)生力矩。磁矩由航天器電源的電流回路產(chǎn)生，磁矩定義為電流與回路面積的叉積。

在地球靜止軌道，地磁場(chǎng)的法向分量為常值，約為0.104μT。徑向分量隨著衛(wèi)星繞地球旋轉(zhuǎn)在±0.042μT間變化。在其他高度的軌道，磁場(chǎng)大小與軌道半徑的立方成反比。在一個(gè)軌道周期內(nèi)，地磁場(chǎng)的法向分量在赤道平面產(chǎn)生的力矩平均為零，力矩的兩個(gè)分量均會(huì)影響衛(wèi)星的姿態(tài)。電源系統(tǒng)產(chǎn)生的磁力矩來(lái)自于太陽(yáng)電池板、蓄電池和連接系統(tǒng)各部件的線(xiàn)路。

可以通過(guò)設(shè)計(jì)和下列補(bǔ)償方法使航天器上的磁矩最小化：

1）合理鋪設(shè)電流線(xiàn)路，使其產(chǎn)生回路的可能性最小;

2）讓兩個(gè)相鄰的回路方向相反，使之相互抵消;

3）盡量使用雙絞線(xiàn)來(lái)抵消鄰近絞線(xiàn)的力矩。

使用一個(gè)或多個(gè)上述設(shè)計(jì)方法后，剩余的凈磁矩由衛(wèi)星組裝完后的測(cè)試確定。在運(yùn)行軌道上，一個(gè)將最終力矩限制在100μN(yùn)·m以下的磁矩是可接受的。

3.3 流星體和空間碎片

固體沖擊會(huì)損壞太陽(yáng)電池陣。不夠大的小顆粒雖不至于引起直接損傷，但在一段時(shí)間后會(huì)使電源系統(tǒng)的輸出功率逐漸衰減。顆粒的質(zhì)量和撞擊速度（通量）取決于軌道。NASA為預(yù)測(cè)地球軌道上流星體的通量而進(jìn)行的幾項(xiàng)研究得出了一致的結(jié)論：流星體通量的平均數(shù)與流星體的質(zhì)量成反比。最常見(jiàn)的流星體是質(zhì)量介于0.1～100mg之間的微流星體。給定平面在y年中被質(zhì)量介于m1和m2之間的顆粒撞擊n次的概率由泊松（Poisson）概率函數(shù)給出。在無(wú)精確信息的情況下，它們的質(zhì)量密度設(shè)為0.5g/cm3，平均撞擊速度為20km/s。實(shí)際流量隨軌道而變。

除了自然微流星體外，人為形成的碎片直徑在1μm到10mm之間，平均密度等于衛(wèi)星和運(yùn)載工具上廣泛使用的鋁的密度，它們相對(duì)于航天器的速度介于零和兩倍軌道速度之間，平均約為10km/s。大流星體的撞擊能量能立即損壞太陽(yáng)電池陣的玻璃蓋片和太陽(yáng)電池，而微流星體會(huì)逐漸磨損玻璃蓋片表面，使輸出功率隨時(shí)間逐漸衰減。

3.4 原子氧

原子氧存在于低地球軌道，它會(huì)嚴(yán)重侵蝕一些材料，如廣泛用于太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu)的銀。相似的侵蝕也見(jiàn)于一些電絕緣材料，如太陽(yáng)輻射外加Kapton和硅橡膠。這種侵蝕既源于化學(xué)反應(yīng)，大部分也源于相對(duì)于航天器以每秒幾千米的速度高速運(yùn)動(dòng)的氧原子。除了侵蝕（表面下凹）外，氧原子還會(huì)在金屬表面形成穩(wěn)定的氧化物。鑒于上述原因，太陽(yáng)電池陣上采用裸露的銀、電子線(xiàn)路采用硅或Kapton的絕緣材料都是不可取的。

3.5 帶電粒子

太陽(yáng)以可見(jiàn)光或不可見(jiàn)的紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)電波、電子、質(zhì)子和等離子（帶電的熱氣體）的形式向外輻射能量。太陽(yáng)輻射形成的大量帶電粒子使太空成為一個(gè)惡劣的環(huán)境。隨著時(shí)間的累積，這些能量粒子的撞擊會(huì)引起表面損傷。下列術(shù)語(yǔ)廣泛用于討論空間環(huán)境中帶電粒子的輻射。

1兆電子伏特（1 MeV）：各種帶電粒子的等價(jià)能量單位，定義為一百萬(wàn)個(gè)電子經(jīng)過(guò)一伏特的電勢(shì)場(chǎng)所放出的能量。電子帶電量為0.1592×10-18 C，所以1MeV等于0.1592×10-12 J。

通量密度：?jiǎn)挝惑w積中帶電粒子的數(shù)目。

通量：表述粒子流撞擊表面的速度。定義為單位時(shí)間內(nèi)撞擊在單位面積上的粒子個(gè)數(shù)。即用粒子數(shù)/（m2s）或MeV/（m2s）來(lái)衡量其總能量。通量隨航天器在軌道上的移動(dòng)而變化?？拷?yáng)一側(cè)的通量比遠(yuǎn)離太陽(yáng)一側(cè)的大。通常引用的是軌道平均通量。

積分通量或流量：用來(lái)計(jì)算在軌一段時(shí)間內(nèi)撞擊在單位面積上的粒子的累積數(shù)目。單位是粒子數(shù)/（m2年）或MeV/（m2任務(wù)期），用以計(jì)算表面必須承受的總能量。

吸收劑量：指定物質(zhì)單位質(zhì)量吸收的能量，單位是拉德或拉德（Si）。因?yàn)榇蟛糠治㈦娮悠骷加晒璨牧现瞥?，所以常用拉德（Si）作為比較輻射能量的參考材料。1rad等于1g指定物質(zhì)吸收100爾格的能量。1rad（Si）是1g硅中產(chǎn)生1.7×1013個(gè)電子空穴對(duì)的能量單位。

空間常見(jiàn)的帶電粒子源有以下幾種。

太陽(yáng)輻射：主要由來(lái)自太陽(yáng)的電子和質(zhì)子組成。

太陽(yáng)風(fēng)：太陽(yáng)輻射外加來(lái)自太陽(yáng)帶電粒子的爆發(fā)。主要由太陽(yáng)輻射的電子和質(zhì)子組成。在通常的太陽(yáng)風(fēng)時(shí)，它們?cè)诘厍蜍壍栏浇耐亢湍芰克捷^低。平均質(zhì)子通量為2×108個(gè)/cm2，平均能量為幾千eV。但在太陽(yáng)耀斑期間會(huì)達(dá)到100 MeV，大爆發(fā)期間甚至高達(dá)1GeV。

宇宙輻射：主要來(lái)自外太空，有些來(lái)自太陽(yáng)。由85%的質(zhì)子，12%的阿爾法粒子和3%的電子組成。質(zhì)子能量達(dá)GeV，但通量很小，大約為每秒每平方厘米幾個(gè)微粒。

4 范艾倫輻射帶

地球磁場(chǎng)遍及所有受地球磁場(chǎng)影響的環(huán)形空間，即磁層，它與來(lái)自太空的電子和質(zhì)子發(fā)生相互作用。范艾倫輻射帶是包含有大量粒子的一部分磁層。磁層通常是地球和這些粒子間的屏障。但是當(dāng)太陽(yáng)的擾動(dòng)輻射出大量粒子時(shí)，有些粒子會(huì)抵達(dá)地球磁極附近的大氣層，形成極光，最著名的極光是北極光（或南半球的南極光）。

地磁場(chǎng)隨半徑徑向梯度的立方變化而變化，并匯集于磁極附近。太陽(yáng)風(fēng)將帶電粒子帶入地磁場(chǎng)。使這些粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)的洛侖茲力。

粒子以一定速度沿徑向向地球運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生沿切向速度的切向力。磁場(chǎng)徑向梯度使粒子螺旋運(yùn)動(dòng)。當(dāng)能量被吸收時(shí)，粒子的螺旋運(yùn)動(dòng)將停止，然后做下述的前后跳躍。

粒子在會(huì)聚磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)將粒子推入弱磁場(chǎng)的推力，使之以某一速度飄移。當(dāng)粒子向磁場(chǎng)較弱的赤道平面移動(dòng)時(shí)，飄移速度逐漸減小，切向速度逐漸增大，保持動(dòng)能守恒。最終粒子停止運(yùn)動(dòng)，然后返回弱磁場(chǎng)，此時(shí)磁場(chǎng)又會(huì)聚在另一端，粒子再次反射回來(lái)。因此，會(huì)聚磁場(chǎng)將帶電粒子限制在兩面磁鏡之間。以這樣的方式，大多數(shù)粒子一直被俘獲在一定的帶狀區(qū)域中。當(dāng)然，當(dāng)粒子有足夠高的軸向動(dòng)能時(shí)，它就會(huì)逸出禁帶。

大多數(shù)粒子被俘獲在兩個(gè)環(huán)狀的范艾倫輻射帶中，它們是磁層的一部分。輻射帶靠近太陽(yáng)的一側(cè)較遠(yuǎn)離太陽(yáng)的一側(cè)要強(qiáng)，俘獲主要集中在兩條帶中：電子俘獲帶從2倍地球半徑延伸到5倍地球半徑，主要集中在3倍到4倍地球半徑之間;高能質(zhì)子深入到更靠近地球的地方，其俘獲帶從1倍地球半徑延伸到2倍地球半徑，主要集中在1.5倍地球半徑附近。因?yàn)椴煌l(wèi)星軌道上的帶電粒子通量是變化的，所以電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)常用積分輻射通量（流量）。

太陽(yáng)電池陣尤其需要采取措施來(lái)抵御輻射的損害。地球同步衛(wèi)星的軌道在6.6倍地球半徑處，遠(yuǎn)離內(nèi)層質(zhì)子帶，在外層電子帶的外層邊緣處。因此，它們只暴露在小部分外層電子帶中，但很容易受到太陽(yáng)耀斑產(chǎn)生的高能質(zhì)子的損害。

5 太陽(yáng)風(fēng)與太陽(yáng)耀斑

由太陽(yáng)產(chǎn)生并橫掃太陽(yáng)系的質(zhì)子、電子和離子流稱(chēng)為太陽(yáng)風(fēng)，它非常稀薄，每立方厘米僅含5個(gè)帶電粒子。太陽(yáng)風(fēng)的粒子流是恒定的，但并非均勻。這些粒子以480km/s的速度經(jīng)過(guò)地球，與此相對(duì)應(yīng)的是地球的公轉(zhuǎn)速度為30km/s，當(dāng)這些粒子經(jīng)過(guò)地球時(shí)，其中的一些會(huì)被地磁層俘獲。

太陽(yáng)耀斑會(huì)釋放出由日冕產(chǎn)生的大量帶電粒子所形成的等離子氣體，它與周期為11年的被強(qiáng)磁場(chǎng)包圍的太陽(yáng)黑子有關(guān)。太陽(yáng)耀斑爆發(fā)會(huì)引起地球極光和無(wú)線(xiàn)電信號(hào)干擾。等離子氣體的溫度很高（>1×106℃），在如此高的溫度下氫原子和氦原子均化為主要由負(fù)電子和正質(zhì)子組成的稀薄的等離子氣體。盡管等離子氣體的質(zhì)量可達(dá)1×106t，時(shí)速1×106英里（1英里約1.6km），但它的密度很低，以至于仍可以看做真空，但它的作用卻是摧毀性的。

太陽(yáng)耀斑每11年爆發(fā)一次，上次爆發(fā)發(fā)生在2000年11月～12月間。每個(gè)太陽(yáng)周期都會(huì)有幾次太陽(yáng)耀斑爆發(fā)，其中7年為爆發(fā)活躍期，4年為不活躍期。爆發(fā)強(qiáng)度有很大的不同。因此，在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，爆發(fā)的強(qiáng)度和概率須經(jīng)衛(wèi)星用戶(hù)和制造者的一致確認(rèn)。航天器設(shè)計(jì)師利用獲得的太陽(yáng)耀斑的質(zhì)量和數(shù)量的數(shù)據(jù)，以及它對(duì)當(dāng)時(shí)在軌航天器的影響情況，詳細(xì)分析了1989年～1990年爆發(fā)的相對(duì)較強(qiáng)的太陽(yáng)耀斑。新建立的模型表明過(guò)去嚴(yán)重低估了10 MeV以下的質(zhì)子流的作用，它導(dǎo)致光伏電池（PV）Isc的下降，但對(duì)Voc影響不大。據(jù)估計(jì)，基于1974年King模型設(shè)計(jì)的太陽(yáng)電池陣有20%的概率不能滿(mǎn)足功率輸出需求，而基于1989年～1990年爆發(fā)的Feynman模型的概率只有幾個(gè)百分點(diǎn)。

先驅(qū)者號(hào)和旅行者號(hào)等飛出太陽(yáng)系的航天器在太陽(yáng)系邊緣經(jīng)歷了所謂的終極沖擊波，終級(jí)沖擊波所在的區(qū)域環(huán)繞在太陽(yáng)系的周?chē)?，那里的星際空間填充著太陽(yáng)風(fēng)分解形成的稀薄氣體和灰塵。

6 地磁暴

人們已充分地認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)活動(dòng)、地磁場(chǎng)擾動(dòng)和對(duì)人造系統(tǒng)（如衛(wèi)星、通信網(wǎng)絡(luò)、防御系統(tǒng)、甚至地球上強(qiáng)大的電力網(wǎng)）形成的干擾之間存在的聯(lián)系。分析表明，雖然人造系統(tǒng)在持續(xù)地發(fā)展和進(jìn)步，但易受地磁擾動(dòng)影響的弱點(diǎn)依然存在，甚至更加嚴(yán)重。

航天器電源系統(tǒng)在地磁暴中的情況，可以通過(guò)過(guò)去地磁暴對(duì)地面上的電力網(wǎng)的影響來(lái)考察。在地磁暴的作用下，地磁場(chǎng)出現(xiàn)擾動(dòng)，在架空輸電線(xiàn)上引起感應(yīng)電流。由于距離遠(yuǎn)，與地球表面形成的回路面積大，因此，高壓線(xiàn)會(huì)有很大的感應(yīng)電流產(chǎn)生。這種低頻、類(lèi)似直流的地磁感應(yīng)電流會(huì)進(jìn)入到變壓器，使之深度磁飽和，引起電壓溢出和嚴(yán)重過(guò)熱。1989年3月13日的大磁暴使北美大部分地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間停電，影響到了加拿大魁北克六百萬(wàn)用戶(hù)。當(dāng)時(shí)未曾預(yù)料的共模電流使變壓器鐵芯磁飽和，影響了電壓調(diào)節(jié)，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)了非預(yù)期延遲和其他易損目標(biāo)，傳輸線(xiàn)上出現(xiàn)大電流并發(fā)生跳閘。1989年9月、1991年3月和1991年10月發(fā)生的強(qiáng)度稍小的地磁暴，進(jìn)一步證實(shí)了地磁擾動(dòng)會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行的事實(shí)。2003年10月的地磁暴在NOAA預(yù)計(jì)時(shí)刻的幾小時(shí)內(nèi)抵達(dá)，它使衛(wèi)星失效（如，日本的地球觀測(cè)衛(wèi)星ADEOS-11），無(wú)線(xiàn)電通信中斷，并導(dǎo)致瑞典停電。為防止帶電粒子對(duì)飛機(jī)乘客的傷害，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局警告飛行員在極地附近飛行時(shí)，要將飛行高度控制在25000英尺（約7500m）以下，以防過(guò)度輻射。

等離子數(shù)目和環(huán)流的空間研究模型、星際太陽(yáng)風(fēng)及地磁感應(yīng)電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及極光帶的跟蹤可為2010年～2011年開(kāi)始的下次太陽(yáng)風(fēng)的極大值提供及時(shí)的信息。

太陽(yáng)耀斑和地磁暴對(duì)航天器電源系統(tǒng)的主要影響如下：

1）使太陽(yáng)電池陣產(chǎn)生的功率快速下降，雖非致命影響，但會(huì)縮短太陽(yáng)電池陣的使用壽命。

2）共模EMI干擾會(huì)通過(guò)裸露電纜進(jìn)入電源系統(tǒng)，會(huì)影響電源系統(tǒng)的正常工作，甚至?xí)斐捎谰眯該p壞。20世紀(jì)90年代，一些新型通信衛(wèi)星的電源系統(tǒng)遭受損壞（如，加拿大阿尼克-E1和國(guó)際通信衛(wèi)星-K），據(jù)推測(cè)還有一些衛(wèi)星是在強(qiáng)太陽(yáng)耀斑下?lián)p壞的。深入調(diào)查表明，地磁暴引起的電火花造成了衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣與數(shù)十個(gè)繼電器的連接短路。

7 核威脅

一些防務(wù)衛(wèi)星要能經(jīng)受一定強(qiáng)度的人為核爆炸的威脅。核爆炸中釋放的高能粒子有：核裂變電子、中子、γ射線(xiàn)和X射線(xiàn)，它們的能量大小僅取決于被投放核裝置的毀傷力，設(shè)計(jì)所依據(jù)的威脅水平取決于其概率和因果考慮，但核威脅等級(jí)一直是美國(guó)防務(wù)部門(mén)（DoD）秘密分類(lèi)體系中的保密數(shù)據(jù)。

8 總輻射量

地球軌道上各種輻射源的自然輻射能量水平如下：

俘獲電子 0.1～7 MeV

俘獲質(zhì)子 0.1～100 MeV

太陽(yáng)耀斑質(zhì)子 1～200 MeV

太陽(yáng)耀斑α粒子 1～300 MeV

銀河宇宙射線(xiàn) >1 GeV

指定任務(wù)的總通量可利用用戶(hù)給出的環(huán)境模型計(jì)算得出。

最近完成的幾項(xiàng)跨學(xué)科的科學(xué)與工程研究項(xiàng)目極大改進(jìn)了對(duì)空間環(huán)境特性的認(rèn)知，而航天系統(tǒng)用戶(hù)則是這一研究發(fā)展的直接受益者。

（摘自中國(guó)宇航出版社《航天器電源系統(tǒng)》[美]穆肯德·R·帕特爾著）