空間等離子體對空間攔截器飛行可靠性影響分析

【裝備理論與裝備技術(shù)】

空間等離子體對空間攔截器飛行可靠性影響分析

馮博鑫，譚守林，仉小博

(第二炮兵工程大學(xué)4504分隊(duì)， 西安710025)

摘要：分析了等離子體空間分布規(guī)律，介紹了2種會對空間攔截器造成損傷的環(huán)境效應(yīng)，利用電離層等離子體對空間攔截器信號傳輸衰減的公式，分析了電離層等離子體對電磁波的衰減常數(shù)與電子密度的關(guān)系，得出了電磁波的衰減常數(shù)與電子密度成線性正比關(guān)系的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：攔截器；等離子體；環(huán)境效應(yīng)；信號衰減

收稿日期：2014-11-04

作者簡介：馮博鑫(1989—)，男，碩士研究生，主要從事飛行動力學(xué)與制導(dǎo)研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.03.014

中圖分類號：V448;TJ86

文章編號：1006-0707(2015)03-0053-03

本文引用格式：馮博鑫，譚守林，仉小博.空間等離子體對空間攔截器飛行可靠性影響分析[J].四川兵工學(xué)報，2015(3):53-55.

Citation format:FENG Bo-xin, TAN Shou-lin, ZHANG Xiao-bo.Analysis on Influence of Space Plasma on Flight Reliability of Space Interceptor[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(3):53-55.

Analysis on Influence of Space Plasma on Flight Reliability

of Space Interceptor

FENG Bo-xin, TAN Shou-lin, ZHANG Xiao-bo

(No. 4504thContingent, the Second Artillery Engineering University, Xi’an 700025, China)

Abstract:This paper analyzed the principle of space plasma distribution, and introduced two kinds of environment effects which can cause damage to space interceptors. Using the equation of space interceptors signal transmission attenuation caused by ionosphere plasma, this paper analyzed the relationship between the attenuation constant and election density thus came up with the conclusion that the attenuation and election density are of direct ratio relationship.

Key words: interceptors; plasma; environment effect; signal attenuation

近年來，國內(nèi)外在軌運(yùn)行的航天器由于空間環(huán)境引起的異常和故障現(xiàn)象頻頻出現(xiàn)。隨著集成度較高的大規(guī)模/超大規(guī)模微電子器件在航天器上頻繁使用，電子系統(tǒng)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日益增多。

對早期6顆衛(wèi)星的故障原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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。美國環(huán)境中心從1965年起，對多個衛(wèi)星的300個故障進(jìn)行分析評價，結(jié)果表明，大約33%左右的故障時由于變化的空間環(huán)境造成的[1]。

目前，在軌攔截器在空間的作用越來越明顯，利用其對敵方衛(wèi)星進(jìn)行攔截是破壞敵空間力量的一個重要手段，隨著在軌攔截器空間數(shù)目的增多和空間地位的提高，它的空間環(huán)境問題也受到廣泛關(guān)注，對攔截器所處的空間環(huán)境進(jìn)行研究，對于提高攔截器的抗干擾能力，確保攔截器安全運(yùn)行，充分發(fā)揮攔截器在空間的重要作用都具有重要意義。

空間攔截器在各種軌道運(yùn)行，面臨著多種空間環(huán)境要素，其中對攔截器有較大影響的重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、空間帶電粒子輻射、空間碎片與微流星體等等。這些空間要素與運(yùn)行在軌道中的攔截器相互作用、相互影響，與攔截器材料和電子元器件產(chǎn)生各種空間環(huán)境效應(yīng)，進(jìn)而會對攔截器的飛行可靠性產(chǎn)生影響，其中，對攔截器表面影響較大的主要是空間等離子體環(huán)境，例如，等離子體引起的攔截器表面充電效應(yīng)是導(dǎo)致攔截器異常和故障的重要原因，在空間環(huán)境引起的攔截器異常和故障中約占1/3。鑒于此，主要分析等離子體環(huán)境對攔截器飛行可靠性的影響[2]。

表1　國內(nèi)早期衛(wèi)星故障原因統(tǒng)計(jì)

1等離子體空間分布分析

通常認(rèn)為，等離子層分布區(qū)域從距離地面約60 km處算起，直至與星際空間相接的廣大區(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)，典型電子濃度、電子能量隨高度變化的情況。

表2　電子濃度、電子能量隨高度的變化值

由表2可以看出，電子能量隨著高度的增加持續(xù)增加，而在距離地球300～500 km高度區(qū)域是等離子體分布最集中區(qū)域，會對一些低軌道的攔截器造成損傷。

2等離子體環(huán)境效應(yīng)對空間攔截器可靠性影響

地球周圍大多數(shù)的軌道環(huán)境都處于等離子狀態(tài)，進(jìn)入等離子體環(huán)境的攔截器由于表面材料導(dǎo)電性的差別，導(dǎo)體和絕緣體有不同的電位，會導(dǎo)致攔截器在飛行過程中出現(xiàn)靜電電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，攔截器表面可能形成巨大的電位差，由其產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)會對攔截器的電子元器件以及電子控制分系統(tǒng)產(chǎn)生破壞，對攔截器安全飛行可靠性產(chǎn)生影響[3]。

2.1絕緣體故障影響

如果絕緣體的電位差超出了其承受范圍，就可能發(fā)生絕緣體擊穿故障，當(dāng)物體的電位差在絕緣體內(nèi)形成了一條氣體通道時，其產(chǎn)生的相關(guān)能量可以導(dǎo)致氣體脫離物體表面的控制。絕大多數(shù)絕緣體故障的發(fā)生，一定會誘發(fā)整個物體表面性質(zhì)的明顯變化，局部發(fā)生的單一絕緣體故障，也會導(dǎo)致攔截器飛行任務(wù)失敗。

2.2氣態(tài)電弧放電影響

如果電位差達(dá)到足夠大時，物體表面會發(fā)生電弧放電，電弧放電產(chǎn)生的能量脈沖可能對攔截器造成物理性損壞，會使攔截器的電子控制分系統(tǒng)遭到永久性的破壞，乃至產(chǎn)生電路故障，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。由于電弧放電可能產(chǎn)生的災(zāi)難性后果，所以在分析攔截器飛行可靠性影響時，必須考慮電弧放電現(xiàn)象。

電弧放電產(chǎn)生的能量脈沖可能會損壞攔截器，電弧放電的能力雖然是mJ量級或更小一些，但足以損壞一些特殊的部件，即使放電沒有對放電區(qū)造成物理性的損壞，但同時形成的EMI也會在系統(tǒng)中擴(kuò)散，并導(dǎo)致攔截器的供電系統(tǒng)或電子控制分系統(tǒng)出現(xiàn)混亂[4]。

3電離層等離子體對空間攔截器信號傳輸衰減的分析

電離層等離子體是一種與太陽活動密切相關(guān)的湍動劇烈的不均勻等離子體，其高度在600 km以下，主要反應(yīng)機(jī)理是光致電離過程。當(dāng)有無線電波通過時，它會引起電波的衰減、反射、相位變化，并產(chǎn)生噪聲，使攔截器的制導(dǎo)系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)和雷達(dá)測量受到影響，甚至引起信號中斷，給測量帶來較大的誤差，會導(dǎo)致攔截器在執(zhí)行任務(wù)時出現(xiàn)精度下降甚至機(jī)動失敗的后果。

電離層等離子體的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，很難用精確的理論描述。假設(shè)它是無界的，各向同性的、均勻等離子體，通過它的電磁波為平面波，則運(yùn)用麥克斯韋方程組和經(jīng)典氣動力學(xué)理論，得到電磁波的衰減常數(shù)α和相位常數(shù)β的表達(dá)式為[5]：

(1)

式中：c為光速；N為電子密度；ω為無線電角頻率(rad /s)；e為電子電荷；m為電子質(zhì)量；v為碰撞頻率(次/s)。

在選擇適當(dāng)ω的情況下，N、ν和α的關(guān)系式簡化為

(2)

假定在ω、ν已知的情況下，α和N的關(guān)系式可以表示為

(3)

從式(3)可以看出N和α呈線性比例關(guān)系，其中l(wèi)0是該線性關(guān)系的比率。即隨著電子密度的增大，電離層等離子體對電磁波的衰減嚴(yán)重。

4結(jié)論

通過分析等離子體空間分布規(guī)律和2種會對攔截器造成損傷的環(huán)境效應(yīng)，可以得出，等離子體在地球低軌道環(huán)境中會對攔截器造成不同程度的破壞，甚至還可能會使攔截器出現(xiàn)重大故障，尤其是在等離子體濃度最大的300～500 km高度區(qū)域，其對攔截器的影響是最為嚴(yán)重的。

利用電離層等離子體對攔截器信號傳輸衰減的公式，分析了電離層等離子體對電磁波的衰減常數(shù)與電子密度的關(guān)系，得出了電磁波的衰減常數(shù)與電子密度成線性正比關(guān)系的結(jié)論，所以為減少等離子體對攔截器的影響，加強(qiáng)攔截器空間飛行的可靠性，在攔截器飛行過程中應(yīng)設(shè)法避開等離子體電子密度高的區(qū)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]許濱,武占成，郝永峰，等.攔截器在軌空間環(huán)境研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報，2011(4)：45-47.

[2]黃本誠,馬有禮.攔截器軌道動力學(xué)與控制[M].北京:國防工業(yè)出版社，2002.

[3]馮偉泉，徐焱林.歸因于空間環(huán)境的攔截器故障與異常[J].攔截器環(huán)境工程,2011(4):23-25.

[4]唐賢明.空間環(huán)境[M].北京:中國宇航出版社,2009.

[5]葉宗海.空間環(huán)境對航天活動的影響[J].載人航天,1997(2)：19-21.

(責(zé)任編輯周江川)