太空自然環境影響航天活動

文/ 寧艷 王文梅

2020年，世界航天的深空探測步伐沒有因為新冠肺炎疫情的影響而停滯不前。尤其是針對火星的探測，中國、美國、阿聯酋紛紛發力。與此同時，對飛行器所處太空環境的關注也與日俱增。

太空環境也稱為空間環境，是指影響人類活動的、距地面幾十公里高度以上直至太陽的廣闊空間內的環境，涵蓋的區域包括高層大氣、電離層、磁層、行星際空間以及太陽活動區。經長期研究發現，對各類航天活動產生影響的主要有以下幾種太空自然環境。

真空環境

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

由太陽發出的紫外線有21%能不受阻礙地穿過地球大氣層到達地球表面，31%被反射回太空，29%通過散射到達地球，19%作為熱量被大氣吸收，而在軌飛行器表面會完全暴露在太陽紫外線中。紫外線中的單個光子具有的能量，足以使許多物質的有機化學鍵斷裂，對飛行器產生各種影響，具體包括：使光學玻璃、太陽能電池蓋片等改變顏色，影響光譜的透過率；會改變熱控涂層的光學性質，使表面逐漸變暗，對太陽輻照的吸收率顯著提高，影響飛行器的溫度控制；波長小于300 納米的紫外線照射到飛行器金屬表面，由于光電效應而產生許多自由電子，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。

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

中性粒子環境

中性粒子環境的影響主要是中性大氣環境的阻力效應及原子氧對飛行器產生腐蝕作用。

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動方向的截面成正比。飛行器在大氣阻力作用下產生的減速度與飛行質量成正比，截面越大、質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動方向相反，它使飛行器的動能減少，導致運動高度下降。當飛行器進入大氣稠密區域時，飛行器所受的阻力進一步增加。因此，高層大氣的阻力是飛行器的軌道衰變、姿態調整、壽命損耗的主要原因。

原子氧是低地球軌道（200 ～700公里高度）上以原子態氧存在的殘余氣體環境。大量空間飛行試驗及地面試驗結果表明：原子氧對飛行器表面的高溫氧化、高速撞擊會使大部分有機材料產生嚴重剝蝕，導致質量損失、厚度損失，使光學、熱學、電學及機械參數退化，造成結構性材料強度下降、功能性材料性能變壞。原子氧氧化剝蝕過程還會造成飛行器敏感表面的污染，導致飛行器性能下降、壽命縮短，系統設計目標失敗等。

巖石或更大塊碎片的碎裂物——微流星體

等離子體環境

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

空間等離子體環境對飛行器的影響主要包括：形成靜電場，污染環境，影響探測結果；產生放電脈沖，造成信號失真，影響材料性能和太陽電池光電轉化效率等；影響飛行器姿態；高壓太陽電池陣產生弧光放電、電流泄露。

輻射環境

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

輻射效應會使電子設備的性能發生退化。例如場效應管器件發生輻射效應會造成跨導降低、伏安特性曲線畸變、閾值電壓漂移、噪聲增加、阻抗變化等；雙極晶體管器件發生輻射效應會造成晶體管器件增益下降，漏電流增加等。

輻射環境效應會對二極管、太陽電池和光電器件造成損傷。輻射效應造成二極管反向漏電流增加，正向電阻變大。輻射效應還會使太陽電池光電轉化效率降低，輸出電壓降低。輻射效應還會造成光電器件增益下降，光電轉化率降低、噪聲增加。

輻射環境效應對聚合物產生影響。聚合物材料暴露于輻射環境時，其共價鍵被激發或被電離，產生不可逆化學反應。化學鍵被打斷后，反應物又形成新的化合物，這個過程即輻射降解。輻射降解后的材料其物理性能和化學性能都發生退化，影響飛行器的性能和壽命。

輻射環境效應還會對生物體造成損傷，生命體受到輻射作用后，會出現功能下降的現象。尤其是在行星際空間長時間執行飛行任務時，會遭受更大劑量的輻射。

微流星體環境

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

微流星體對太空探測有著重大威脅。它們相對于地球軌道上的飛行器的速度大約為每秒數公里，抵抗微流星體的撞擊是設計航天器所面臨的重要難題。微流星體雖然體積很小，但數量多時仍會對航天器外殼造成類似噴砂的效果，長期暴露會危害到各系統的性能。對于長期停留在地球軌道上的人造衛星等物體，這種極高速撞擊造成的風險更高。

太陽爆發下的太空災害

當爆發劇烈太陽活動時，電磁輻射、高能帶電粒子流和等離子體云3 種物質和能量形式將先后引發地球空間環境擾動，形成一系列“次生災害”，例如產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害，這些現象通過各種路徑加劇了對飛行器的影響。

協同環境效應

飛行器在太空環境中經受到的不是單一的某種環境，而是多種環境的綜合作用，各種環境因素共同作用時，如太陽紫外線、等離子體、輻射帶、銀河宇宙線、太陽宇宙線等相互活動，會加劇對飛行器產生的影響。

綜上所述，太空自然環境極為復雜，對人類日常工作、生活產生直接或間接的影響，對人類太空活動帶來密切而直接的影響。系統研究太空自然環境及災害形式，對于保障太空活動的正常開展具有重大意義。