太空自然環(huán)境影響航天活動(dòng)

文/ 寧艷 王文梅

2020年，世界航天的深空探測(cè)步伐沒(méi)有因?yàn)樾鹿诜窝滓咔榈挠绊懚磺?。尤其是針?duì)火星的探測(cè)，中國(guó)、美國(guó)、阿聯(lián)酋紛紛發(fā)力。與此同時(shí)，對(duì)飛行器所處太空環(huán)境的關(guān)注也與日俱增。

太空環(huán)境也稱(chēng)為空間環(huán)境，是指影響人類(lèi)活動(dòng)的、距地面幾十公里高度以上直至太陽(yáng)的廣闊空間內(nèi)的環(huán)境，涵蓋的區(qū)域包括高層大氣、電離層、磁層、行星際空間以及太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)。經(jīng)長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)各類(lèi)航天活動(dòng)產(chǎn)生影響的主要有以下幾種太空自然環(huán)境。

真空環(huán)境

飛行器處于太空高真空環(huán)境中，會(huì)受到壓力差效應(yīng)、真空放電效應(yīng)、真空出氣效應(yīng)、分子污染效應(yīng)、紫外輻照效應(yīng)及黏著和冷焊效應(yīng)等的影響。其中需要重點(diǎn)考慮的是紫外輻照及分子污染效應(yīng)的影響。

由太陽(yáng)發(fā)出的紫外線有21%能不受阻礙地穿過(guò)地球大氣層到達(dá)地球表面，31%被反射回太空，29%通過(guò)散射到達(dá)地球，19%作為熱量被大氣吸收，而在軌飛行器表面會(huì)完全暴露在太陽(yáng)紫外線中。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，對(duì)飛行器產(chǎn)生各種影響，具體包括：使光學(xué)玻璃、太陽(yáng)能電池蓋片等改變顏色，影響光譜的透過(guò)率；會(huì)改變熱控涂層的光學(xué)性質(zhì)，使表面逐漸變暗，對(duì)太陽(yáng)輻照的吸收率顯著提高，影響飛行器的溫度控制；波長(zhǎng)小于300 納米的紫外線照射到飛行器金屬表面，由于光電效應(yīng)而產(chǎn)生許多自由電子，使金屬表面帶電，飛行器的表面電位升高，將干擾飛行器的電磁系統(tǒng)。

飛行器在高真空環(huán)境中，當(dāng)真空度高于10-2Pa 時(shí)，氣體會(huì)不斷從材料表面釋放出來(lái)。例如原先在材料表面吸附的氣體，在真空狀態(tài)下從表面脫附；原先溶解于材料內(nèi)的氣體，在真空環(huán)境中從材料內(nèi)向真空邊界擴(kuò)散，最后在界面上釋放，脫離材料；滲透氣體通過(guò)固體材料釋放出來(lái)。這些從飛行器材料中脫離的物質(zhì)沉積在飛行器其他部位造成飛行器表面污染。嚴(yán)重的分子污染會(huì)降低觀察窗和光學(xué)鏡頭的透明度，改變熱控涂層的性能，減少太陽(yáng)能電池的光吸收率，增加電器元件的接觸電阻等。

中性粒子環(huán)境

中性粒子環(huán)境的影響主要是中性大氣環(huán)境的阻力效應(yīng)及原子氧對(duì)飛行器產(chǎn)生腐蝕作用。

飛行器的阻力與大氣密度成正比，軌道越高，阻力越小。大氣阻力與飛行器垂直運(yùn)動(dòng)方向的截面成正比。飛行器在大氣阻力作用下產(chǎn)生的減速度與飛行質(zhì)量成正比，截面越大、質(zhì)量越小的飛行器其壽命越短。飛行器所受的大氣阻力與飛行器的運(yùn)動(dòng)方向相反，它使飛行器的動(dòng)能減少，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)高度下降。當(dāng)飛行器進(jìn)入大氣稠密區(qū)域時(shí)，飛行器所受的阻力進(jìn)一步增加。因此，高層大氣的阻力是飛行器的軌道衰變、姿態(tài)調(diào)整、壽命損耗的主要原因。

原子氧是低地球軌道（200 ～700公里高度）上以原子態(tài)氧存在的殘余氣體環(huán)境。大量空間飛行試驗(yàn)及地面試驗(yàn)結(jié)果表明：原子氧對(duì)飛行器表面的高溫氧化、高速撞擊會(huì)使大部分有機(jī)材料產(chǎn)生嚴(yán)重剝蝕，導(dǎo)致質(zhì)量損失、厚度損失，使光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)及機(jī)械參數(shù)退化，造成結(jié)構(gòu)性材料強(qiáng)度下降、功能性材料性能變壞。原子氧氧化剝蝕過(guò)程還會(huì)造成飛行器敏感表面的污染，導(dǎo)致飛行器性能下降、壽命縮短，系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)失敗等。

巖石或更大塊碎片的碎裂物——微流星體

等離子體環(huán)境

空間等離子體由太陽(yáng)風(fēng)等離子體、磁層等離子體及電離層等離子體3 部分組成。他們是太陽(yáng)電磁輻照、粒子輻照與地球磁場(chǎng)、地球熱層殘余大氣相互作用的結(jié)果。距離地球表面60 公里以上的空間充滿(mǎn)了等離子體。

空間等離子體環(huán)境對(duì)飛行器的影響主要包括：形成靜電場(chǎng)，污染環(huán)境，影響探測(cè)結(jié)果；產(chǎn)生放電脈沖，造成信號(hào)失真，影響材料性能和太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)化效率等；影響飛行器姿態(tài)；高壓太陽(yáng)電池陣產(chǎn)生弧光放電、電流泄露。

輻射環(huán)境

空間輻射環(huán)境主要來(lái)源包括地球輻射帶、銀河系宇宙射線及太陽(yáng)質(zhì)子事件，主要成分為電子、質(zhì)子及重離子，主要能量為1 ～40 兆電子伏特。空間輻射環(huán)境中的高能粒子可產(chǎn)生多種輻射環(huán)境效應(yīng)，主要為總劑量效應(yīng)及單粒子效應(yīng)，對(duì)飛行器造成各種損傷。

輻射效應(yīng)會(huì)使電子設(shè)備的性能發(fā)生退化。例如場(chǎng)效應(yīng)管器件發(fā)生輻射效應(yīng)會(huì)造成跨導(dǎo)降低、伏安特性曲線畸變、閾值電壓漂移、噪聲增加、阻抗變化等；雙極晶體管器件發(fā)生輻射效應(yīng)會(huì)造成晶體管器件增益下降，漏電流增加等。

輻射環(huán)境效應(yīng)會(huì)對(duì)二極管、太陽(yáng)電池和光電器件造成損傷。輻射效應(yīng)造成二極管反向漏電流增加，正向電阻變大。輻射效應(yīng)還會(huì)使太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)化效率降低，輸出電壓降低。輻射效應(yīng)還會(huì)造成光電器件增益下降，光電轉(zhuǎn)化率降低、噪聲增加。

輻射環(huán)境效應(yīng)對(duì)聚合物產(chǎn)生影響。聚合物材料暴露于輻射環(huán)境時(shí)，其共價(jià)鍵被激發(fā)或被電離，產(chǎn)生不可逆化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)鍵被打斷后，反應(yīng)物又形成新的化合物，這個(gè)過(guò)程即輻射降解。輻射降解后的材料其物理性能和化學(xué)性能都發(fā)生退化，影響飛行器的性能和壽命。

輻射環(huán)境效應(yīng)還會(huì)對(duì)生物體造成損傷，生命體受到輻射作用后，會(huì)出現(xiàn)功能下降的現(xiàn)象。尤其是在行星際空間長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，會(huì)遭受更大劑量的輻射。

微流星體環(huán)境

微流星體非常小，它們來(lái)自于巖石或更大塊碎片的碎裂物，典型成分是金屬，通常產(chǎn)生于太陽(yáng)系形成之際。在太空中，特別是在地球的附近，普遍存在著微流星體，這些微粒對(duì)太空風(fēng)化過(guò)程起到了主要作用。但他們撞擊月球或者沒(méi)有大氣層的天體（水星或小行星等）的表面時(shí)，會(huì)造成這些天體表面的溶解與蒸發(fā)，導(dǎo)致模糊、變暗等光學(xué)變化。

微流星體對(duì)太空探測(cè)有著重大威脅。它們相對(duì)于地球軌道上的飛行器的速度大約為每秒數(shù)公里，抵抗微流星體的撞擊是設(shè)計(jì)航天器所面臨的重要難題。微流星體雖然體積很小，但數(shù)量多時(shí)仍會(huì)對(duì)航天器外殼造成類(lèi)似噴砂的效果，長(zhǎng)期暴露會(huì)危害到各系統(tǒng)的性能。對(duì)于長(zhǎng)期停留在地球軌道上的人造衛(wèi)星等物體，這種極高速撞擊造成的風(fēng)險(xiǎn)更高。

太陽(yáng)爆發(fā)下的太空災(zāi)害

當(dāng)爆發(fā)劇烈太陽(yáng)活動(dòng)時(shí)，電磁輻射、高能帶電粒子流和等離子體云3 種物質(zhì)和能量形式將先后引發(fā)地球空間環(huán)境擾動(dòng)，形成一系列“次生災(zāi)害”，例如產(chǎn)生高層大氣密度增加、電離層突然騷擾、極蓋吸收、地磁暴及電離層暴等自然災(zāi)害，這些現(xiàn)象通過(guò)各種路徑加劇了對(duì)飛行器的影響。

協(xié)同環(huán)境效應(yīng)

飛行器在太空環(huán)境中經(jīng)受到的不是單一的某種環(huán)境，而是多種環(huán)境的綜合作用，各種環(huán)境因素共同作用時(shí)，如太陽(yáng)紫外線、等離子體、輻射帶、銀河宇宙線、太陽(yáng)宇宙線等相互活動(dòng)，會(huì)加劇對(duì)飛行器產(chǎn)生的影響。

綜上所述，太空自然環(huán)境極為復(fù)雜，對(duì)人類(lèi)日常工作、生活產(chǎn)生直接或間接的影響，對(duì)人類(lèi)太空活動(dòng)帶來(lái)密切而直接的影響。系統(tǒng)研究太空自然環(huán)境及災(zāi)害形式，對(duì)于保障太空活動(dòng)的正常開(kāi)展具有重大意義。