空间飞行器设计-第3讲

1,第三讲近地空间环境,2,航天器在空间飞行时所处的环境（包括自然的和人为的）称为空间环境。太阳系内的空间环境可分为：,地球空间环境行星际空间环境其他行星空间环境,大多数航天器运行在近地空间。,3,3.1地球空间环境,3.1.1地球的数学描述采用国际大地测量与地球物理联合会（IUGG-1975）推荐值参考椭球体：长半径a=6378.14km短半径b=6356.76km扁率f=1/298.257引力常数GM=3.986005105km3/s2,地球大气层以外的领域通称宇宙空间（外层空间、太空）太阳系内宇宙空间分为：行星空间、行星际空间。行星空间指行星引力作用的范围,行星际指行星间其他空间。,4,表面重力加速度：标准值g09.80665m/s245纬度处g459.80612m/s2其他纬度处g9.78031(1+0.005302sin2-0.000006sin22),半径向量a(1-0.00336317sin20.00000639sin22)式中，地理纬度。,5,3.1.2近地空间（Near-earthSpace),地球引力作用以内的区域称为地球空间，为一个球体：R9.3105km(约150个地球半径)平均地月距离：eEM3.84105km（384404km,约60个地球半径）月球对地球也有其作用空间：R月6.6104km,6,3.1.2近地空间,深层空间(深空，DeepSpace)：近地空间（Near-earthSpace）：100kmR35786km(地球静止轨道);也有人定义为90kmR6.5104km(10RE).影响航天器活动的因素：地球大气、地球电离层、地球磁场、太阳电子辐射、空间离子辐射。,深空,7,3.2地球大气,大气质量m大气5.131018kg，占地球质量的百万分之0.86。90%以上集中在15km高度以内，99.9%在50km高度以内，2000km以上及其稀薄。,地球大气指由地球引力场和地磁场束缚，位于地球表面和水圈之上的气体层。,8,图3.1地球大气层,9,3.2.1地球大气的结构,按温度垂直分布特性分为以下五层：1.对流层：南北极78km，赤道上1618km，中高纬度处812km。占3/4空气质量，空气状况经常变化，风雨雷电在此发生。2.平流层：50km，大气无上下对流，只有水平方向的流动，空气质量占1/4。20km以下温度一般保持在216.65K(-56.5)。2032km气温逐渐升高。层内水蒸气、尘埃很少。,10,3.中间层：80km，空气只有1/3000。5053km之间，气温随高度上升，达282K0，以后下降，到80km处降为196.86K。4.热层：400km。80km以上，气温随高度上升，到150km处，达1000K。在400km处，达15001600K。5.外层：4001600km。大气边界位于20003000km。,11,图3.2地球大气温度随高度的变化关系,12,按大气被电离情况,分为电离层和非电离层：非电离层：H1，超重力状态；K1，在水准面上，称1g0状态；104K1，低重力状态；107K104，微重力状态，称g0状态。,41,2.微重力物理现象液体的对流、沉降、分层、静压力等均有不同程度的减弱或消失，表面张力特别突出。统称微重力物理现象。具体表现在：(1)晶体的生长在1g0状态下，溶液的对流使生成的晶体出现条纹，生长的树状晶体形成结构严重缺陷；在g0状态，由于对流现象减弱，晶体均匀，结构完整，颗粒较大，强度较高。,42,(2)合金的形成在1g0状态下，重力的沉降使合金内部出现不均匀性;在g0状态，沉降作用十分微弱，无需搅拌而获得的合金十分均匀。,(3)微重力生理现象航天员刚进入失重状态时，有心悸、感觉错误等不舒适现象。长期处于失重环境，可能引起某些疾病。失重对人体免疫力和遗传情况也有不同程度影响。,43,4.微重力对空间飞行的影响在g0状态，还会产生一些异常现象。如，火箭的液体推进剂会在储箱中飘浮，造成严重事故。,图3.9失重状态下推进剂的漂浮现象,44,3.6空间碎片,航天活动在太空留下的人造物体称为空间碎片，也称空间垃圾。,2006年2月3日，国际空间站抛出一个特别的卫星，太空服卫星一号(SuitSat-1)，这个卫星是一个经过改装的俄罗斯退役航天服。,45,3.6.1空间碎片的来源美、俄是空间碎片的最大制造者。只在1978-1981，1989-1992出现负增长。(1)工作产生的碎片失效的有效载荷、卫星发射或工作时抛弃的物体，如镜头盖、分离装置和包装部件、起旋装置、空推进剂箱、已燃尽和未使用的火箭体、有效载荷整流罩、航天器丢弃物等。,46,图3.10记录在册的空间物体数,1986，1993年发生的Ariana和质子号末级爆炸，使该两个年度空间碎片陡增。,47,(2)碎裂生产的碎片碎裂原因：内部装置，如蓄电池等装置的爆炸推进剂箱的爆炸(属高能爆炸)，Delta火箭末节充压箱爆炸(属低能爆炸)故意炸毁(3)老化生产的碎片航天器表面长期暴露在真空环境中会逐渐分解、剥蚀产生微小的空间碎片。也有热防护层和隔热材料因老化分解而脱落。,48,(4)固体火箭发动机粒子固体发动机燃料喷出的粒子(氧化铝)，尺寸小，约0.1mm以下。对处于该环境下的空间飞行器表面有有腐蚀和污染作用，影响光学镜头、太阳能电池的性能等。不过，由于粒子质量小，发动机工作时停泊的轨道低，陨落快，只有少数粒子在太阳光压作用下扩散，其影响只是短期的。,49,3.6.2空间碎片的数量、分类与分布,美国通过地面空间监视网（SSN）进行观测。大碎片：直径大于10cm风险碎片：直径大于1cm、小于10cm小碎片：直径小于1cm轨道越高，空间碎片最小尺寸越大。1000km高度处，空间物体最多。大碎片数量很少，但质量总数占99.93%。,50,3.6.3空间碎片对航天器的影响,直径小于0.01cm的碎片会使航天器表面产生凹陷和剥蚀，长期与卫星碰撞会造成累积影响。直径为0.011cm的碎片影响视航天器耐受性和防护措施。比如直径为0.1cm的碎片会对卫星结构造成损害。直径大于1cm的碎片将对航天器造成灾难性的破坏。,51,目前，航天器上实际采取的防护措施能抵御直径小于1cm、质量小于1.46g的空间碎片；对2cm的碎片，不能有效地防护；对于大于2cm碎片，唯一的方法是躲避。幸而大多数航天器尺度为中等大小，遇到2cm以上空间碎片概率极小；对大尺寸航天器则需专门研究其防护措施。在地球同步轨道内，空间碎片密度较低、空间物体相对速度较小(约为低轨道处1/10),碎片破坏性相应较小。,52,目前太空碎片数量已超过了3000万个。我国对空间碎片的研究起步晚，在神二、神三、神四的时候都没有成熟的成果应用，神五的时候在前期工作的基础上做了一些比较简单的东西，当时也是起了一定的作用。神五飞船曾经和一个空间碎片擦身而过，当时概率比较高，所幸后来是有惊无险。“神六”轨道附近有500个左右空间碎片，不过，都是哪些碎片还不是很清楚。,“中国科学院空间目标与碎片观测研究中心”2005年3月在中科院紫金山天文台成立，将为中国在