臨近空間環境對臨近空間飛行器的影響

摘 要：本文敘述了運行在臨近空間的飛行器要經歷的對流層和平流層的環境特點，對風速、溫度、太陽輻射、臭氧、水蒸氣以及高能粒子這些大氣環境進行了分析，并提出了環境控制需要注意的幾個問題，為臨近空間飛行器的設計和應用提供了參考。

關鍵詞：臨近空間環境；臨近空間飛行器

一、前言

臨近空間（Near Space）通常是指高度距離地面20～100km的空域，介于傳統意義上航空器飛行高度（低于20km）和航天器飛行高度（高于100km）之間，也稱為近空間或空天過渡區。由于高度的差異，臨近空間有著不同于空中、空間獨特的環境特點，這對運行其中的臨近空間飛行器在設計和應用上提出了一定的要求。

二、臨近空間環境及對臨近空間飛行器的影響

（一）大氣飛行環境

以大氣中溫度隨高度而分布為主要依據，可將大氣層劃分為對流層、平流層、中間層、熱層和散逸層（外大氣層）等五個層次。大氣層中的平流層和中間層對臨近空間飛行器的影響最大。

1.對流層及影響。臨近空間飛行器在升空、回收過程中經過對流層。對流層是最貼近地球表面的一層。它是從地面開始至垂直對流特征消失的高度（對流層頂）為止，即從地面向上至溫度出現第一極小值-56.5℃所在高度的大氣層。對流層是接近海平面的一層大氣，其厚度隨著緯度與季節等因素而變化。對流層空氣質量大約占總大氣質量的3/4，此層中的風速與風向是經常變化的。空氣的壓強、密度、溫度和濕度也經常變化，一般隨著高度的增加而減少。風、雨、雷、電等氣象現象發生在這一層。對流層中風速一般是隨高度的增加而增加，但變化比較復雜，沒有規律，需要實際測量。1.5km高度以下的大氣邊界層由于受地面熱力和地形的影響，空氣運動具有明顯的紊流運動特征，表現為風速和氣溫在時間和空間上變化激烈。臨空器在起飛及上升階段需要穿越對流層，對流層的氣象環境對臨空器的上升過程有很大的影響。因此需要對起飛的氣象條件作一定的選擇，盡量避免在惡劣氣象條件下起飛。

2.平流層及影響。平流層是從對流層頂端到海拔80km之間的大氣層，其質量約占大氣總質量的1/4。在20km高度以內，氣溫不隨高度變化，保持在-56.5℃；在20～32km之間，氣溫則隨高度的增加而上升。平流層中幾乎沒有水汽凝結，沒有雷、雨等氣象，也沒有大氣的上下對流，只有水平方向的流動，故稱平流層。平流層是臨空器可以穩定工作的高度。因此平流層高度的風速直接影響臨空器的尺寸、能源系統和動力推進系統的大小。

3.溫度。溫度影響了整個臨空器的熱環境及設備和材料的環境適應能力。材料在低溫條件下會發脆，很多設備及普通的潤滑系統在低溫條件下不能正常工作，從而直接影響到系統的壽命和可靠性，因此低溫環境對臨空器的環境控制提出了更高的要求。

（二）臭氧

臭氧有很強的氧化性，可使許多有機色素脫色，侵蝕橡膠等材質，很容易氧化有機不飽和化合物。臭氧的這種強氧化性將可能導致臨空器的部件變脆和加速老化，嚴重影響其在高空飛行的運行壽命，因此在設計時就須充分考慮對臭氧的防護。

（三）太陽輻射環境及影響

太陽輻射量同樣也是臨空器設計必須考慮的重要參數之一。太陽輻射的時間和輻射度直接影響臨空器工作的時間和吸收的太陽能量大小。太陽輻射量的數值與太陽高度角及太陽輻射度都有關。太陽高度角的變化是由時間、緯度決定的，而太陽輻射度在一年內的變化與地日距離的變化有關，一般來說隨著緯度的增加太陽輻射度減少。

太陽輻射的不同譜段對臨空器有不同的影響。臨空器主要吸收紅外線與可見光譜段。吸收熱量的多少取決于結構外形、涂層材料和飛行高度。這部分能量是臨空器熱量的主要來源之一，將影響臨空器的溫度。若熱設計處理不當，會造成臨空器溫度過高或過低，影響其正常運行。因此，為了驗證熱設計，鑒定臨空器的可靠性，可在地面試驗設備中再現太陽輻射環境，模擬空間的外熱流進行熱平衡試驗。

波長短于300nm的所有紫外輻射雖然只占有太陽總輻射的1％左右，但其影響很大：紫外線照射到金屬表面，由于光電效應而產生許多自由電子，使金屬表面帶電，造成臨空器表面電位升高，將干擾其電磁系統；紫外線會使光學玻璃、太陽電池蓋板等改變顏色，影響光譜的透過率；紫外線會改變瓷質絕緣的介電性質；紫外線的光量子能破壞分子聚合物的化學鍵，引起光化學反應，造成聚合物分子量降低，材料分解、裂析、變色，彈力和抗拉強度降低等；紫外線和臭氧會影響橡膠、環氧樹脂粘合劑性能的穩定性；紫外線會改變外涂層的光學性質，使表面逐漸變暗，對太陽輻射的吸收率顯著提高，影響臨空器的溫度控制。對于長時間在空運行的臨空器的設計必須考慮紫外線對外涂層的影響。

（四）水蒸氣、高能粒子

在高空平流層環境中還含有少量的水蒸汽，但與對流層相比含量較低。在平流層高度，μ介子、電子、光子、中子、質子等高能粒子的輻射強度較地面大大增加，它們會對遙感儀器的運行帶來不利影響。水蒸汽會凝結在鏡頭和制冷部件上，長期累積會影響儀器性能甚至使儀器失效。高能粒子可能對探測部件造成損壞。

三、結束語

總的來說，臨近空間環境的特點決定了臨空器與一般中低空飛行平臺的不同。它需要全面考慮臨近空間環境特點，可借鑒航天器環境控制所采取的相應設計和防護措施來達到設計目的。結合環境特點，對于臨空器環境控制有以下幾點可作為設計時的一些參考：

1.為了確保太陽電池系統的良好工作性能和安全可靠，必須考慮其熱控措施，可在太陽電池表面覆蓋熱控涂層。在熱控涂層的研制和選用上，必須認真考慮上述環境影響可能引起的涂層熱輻射的穩定性問題。在選擇涂層時，選擇那些在地面已經過模擬空間環境的考驗并證明穩定性合格的涂層。

2.需要充分考慮低壓、低密度環境對臨空器總體、能源與動力及熱控等的影響，進行針對性的設計和研究；對于平流層低溫環境對臨空器材料和系統設備的影響，要提高材料的性能和加強設備的熱控來滿足設備對熱環境的要求。

3.針對臨近空間存在的太陽輻射和臭氧環境，需對臨空器材料和系統設備進行污染防護和器件抗輻射加固等；應根據太陽輻射強度的分布和變化規律，結合臨空器能源平衡需求以及對風場環境的分析，對臨空器參數的設計選擇進行優化，并且合理選擇飛行的地點和時間。