近地空間環境

韓波+陳琦+崔曉婷

1 簡介

近地空間環境（如熱層、電離層）對空間系統的危害很大。航天器電源系統必須在從發射到壽命終結的整個任務階段經受住空間環境的考驗，達到各項性能指標要求。為達到此目的，空間研究機構如NASA等已對通用設計準則進行研究并形成了文件。太陽電池陣直接暴露在空間環境中，故極易損壞。事實上，多數情況下，太陽電池陣的損壞情況決定了航天器的壽命。同時，環境因素也影響電源系統其他各個部件的總體設計。

2 發射和轉移軌道環境

在發射和不同的火工品點火驅動展開等各個階段常伴隨有大的加速度、沖擊和振動的產生。不同的運載工具產生量級不同的應力，對電源系統尤其是對太陽電池陣的設計都有影響。例如，航天飛機上的太陽電池陣需要承受3g（g為地球表面的重力加速度）的發射加速度，土星號（Saturn）運載火箭上則為10g。火工品點火沖擊會持續幾毫秒，力量極大，沖擊頻譜一般也具有高頻振動的特點。例如，阿里安（Ariane）運載火箭在有效載荷分離時的沖擊峰值大約為2000g，頻率超過1.5kHz。

在轉移軌道上，雖然太陽電池板是收攏的，但它必須承受近地點的加速力和遠地點的制動力。在溫度方面，外層的太陽電池板必須承受住地球的熱輻射、星體反照率和太陽輻射，并將溫度控制在規定的范圍內。

3 在軌環境

電源系統的設計主要受下列在軌環境因素的影響。

3.1 失重和真空

空間失重和真空對電源系統設計的影響很大。微重力和真空使得所有的航天設備不能采用地球上司空見慣的對流冷卻方式進行散熱。于是內熱主要采用傳導散熱，或者在一定程度上采用輻射散熱的方法。但要將熱量散入太空就只能依靠輻射散熱法。

真空會引起升華和排氣作用，尤其對某些物質而言作用更甚。升華氣體遇冷凝結，附著在電氣元件表面會引起短路。因為鋅有較高的升華率，某些聚合物有較高的排氣率，因此，它們在航天設備中的應用受到了限制。真空中，太陽電池陣的導電滑環和電刷在高接觸壓力的作用下會產生冷壓焊接的現象，因此使用具有較低升華率的潤滑劑，或將其密封在壓力容器里是十分重要的。

3.2 磁場

地磁場和由電流回路產生的磁偶極矩相互作用在航天器上產生力矩。磁矩由航天器電源的電流回路產生，磁矩定義為電流與回路面積的叉積。

在地球靜止軌道，地磁場的法向分量為常值，約為0.104μT。徑向分量隨著衛星繞地球旋轉在±0.042μT間變化。在其他高度的軌道，磁場大小與軌道半徑的立方成反比。在一個軌道周期內，地磁場的法向分量在赤道平面產生的力矩平均為零，力矩的兩個分量均會影響衛星的姿態。電源系統產生的磁力矩來自于太陽電池板、蓄電池和連接系統各部件的線路。

可以通過設計和下列補償方法使航天器上的磁矩最小化：

1）合理鋪設電流線路，使其產生回路的可能性最小;

2）讓兩個相鄰的回路方向相反，使之相互抵消;

3）盡量使用雙絞線來抵消鄰近絞線的力矩。

使用一個或多個上述設計方法后，剩余的凈磁矩由衛星組裝完后的測試確定。在運行軌道上，一個將最終力矩限制在100μN·m以下的磁矩是可接受的。

3.3 流星體和空間碎片

固體沖擊會損壞太陽電池陣。不夠大的小顆粒雖不至于引起直接損傷，但在一段時間后會使電源系統的輸出功率逐漸衰減。顆粒的質量和撞擊速度（通量）取決于軌道。NASA為預測地球軌道上流星體的通量而進行的幾項研究得出了一致的結論：流星體通量的平均數與流星體的質量成反比。最常見的流星體是質量介于0.1～100mg之間的微流星體。給定平面在y年中被質量介于m1和m2之間的顆粒撞擊n次的概率由泊松（Poisson）概率函數給出。在無精確信息的情況下，它們的質量密度設為0.5g/cm3，平均撞擊速度為20km/s。實際流量隨軌道而變。

除了自然微流星體外，人為形成的碎片直徑在1μm到10mm之間，平均密度等于衛星和運載工具上廣泛使用的鋁的密度，它們相對于航天器的速度介于零和兩倍軌道速度之間，平均約為10km/s。大流星體的撞擊能量能立即損壞太陽電池陣的玻璃蓋片和太陽電池，而微流星體會逐漸磨損玻璃蓋片表面，使輸出功率隨時間逐漸衰減。

3.4 原子氧

原子氧存在于低地球軌道，它會嚴重侵蝕一些材料，如廣泛用于太陽電池陣結構的銀。相似的侵蝕也見于一些電絕緣材料，如太陽輻射外加Kapton和硅橡膠。這種侵蝕既源于化學反應，大部分也源于相對于航天器以每秒幾千米的速度高速運動的氧原子。除了侵蝕（表面下凹）外，氧原子還會在金屬表面形成穩定的氧化物。鑒于上述原因，太陽電池陣上采用裸露的銀、電子線路采用硅或Kapton的絕緣材料都是不可取的。

3.5 帶電粒子

太陽以可見光或不可見的紅外線、紫外線、X射線、γ射線、無線電波、電子、質子和等離子（帶電的熱氣體）的形式向外輻射能量。太陽輻射形成的大量帶電粒子使太空成為一個惡劣的環境。隨著時間的累積，這些能量粒子的撞擊會引起表面損傷。下列術語廣泛用于討論空間環境中帶電粒子的輻射。

1兆電子伏特（1 MeV）：各種帶電粒子的等價能量單位，定義為一百萬個電子經過一伏特的電勢場所放出的能量。電子帶電量為0.1592×10-18 C，所以1MeV等于0.1592×10-12 J。

通量密度：單位體積中帶電粒子的數目。

通量：表述粒子流撞擊表面的速度。定義為單位時間內撞擊在單位面積上的粒子個數。即用粒子數/（m2s）或MeV/（m2s）來衡量其總能量。通量隨航天器在軌道上的移動而變化。靠近太陽一側的通量比遠離太陽一側的大。通常引用的是軌道平均通量。

積分通量或流量：用來計算在軌一段時間內撞擊在單位面積上的粒子的累積數目。單位是粒子數/（m2年）或MeV/（m2任務期），用以計算表面必須承受的總能量。

吸收劑量：指定物質單位質量吸收的能量，單位是拉德或拉德（Si）。因為大部分微電子器件都由硅材料制成，所以常用拉德（Si）作為比較輻射能量的參考材料。1rad等于1g指定物質吸收100爾格的能量。1rad（Si）是1g硅中產生1.7×1013個電子空穴對的能量單位。

空間常見的帶電粒子源有以下幾種。

太陽輻射：主要由來自太陽的電子和質子組成。

太陽風：太陽輻射外加來自太陽帶電粒子的爆發。主要由太陽輻射的電子和質子組成。在通常的太陽風時，它們在地球軌道附近的通量和能量水平較低。平均質子通量為2×108個/cm2，平均能量為幾千eV。但在太陽耀斑期間會達到100 MeV，大爆發期間甚至高達1GeV。

宇宙輻射：主要來自外太空，有些來自太陽。由85%的質子，12%的阿爾法粒子和3%的電子組成。質子能量達GeV，但通量很小，大約為每秒每平方厘米幾個微粒。

4 范艾倫輻射帶

地球磁場遍及所有受地球磁場影響的環形空間，即磁層，它與來自太空的電子和質子發生相互作用。范艾倫輻射帶是包含有大量粒子的一部分磁層。磁層通常是地球和這些粒子間的屏障。但是當太陽的擾動輻射出大量粒子時，有些粒子會抵達地球磁極附近的大氣層，形成極光，最著名的極光是北極光（或南半球的南極光）。

地磁場隨半徑徑向梯度的立方變化而變化，并匯集于磁極附近。太陽風將帶電粒子帶入地磁場。使這些粒子發生偏轉的洛侖茲力。

粒子以一定速度沿徑向向地球運動產生沿切向速度的切向力。磁場徑向梯度使粒子螺旋運動。當能量被吸收時，粒子的螺旋運動將停止，然后做下述的前后跳躍。

粒子在會聚磁場運動時會產生一個將粒子推入弱磁場的推力，使之以某一速度飄移。當粒子向磁場較弱的赤道平面移動時，飄移速度逐漸減小，切向速度逐漸增大，保持動能守恒。最終粒子停止運動，然后返回弱磁場，此時磁場又會聚在另一端，粒子再次反射回來。因此，會聚磁場將帶電粒子限制在兩面磁鏡之間。以這樣的方式，大多數粒子一直被俘獲在一定的帶狀區域中。當然，當粒子有足夠高的軸向動能時，它就會逸出禁帶。

大多數粒子被俘獲在兩個環狀的范艾倫輻射帶中，它們是磁層的一部分。輻射帶靠近太陽的一側較遠離太陽的一側要強，俘獲主要集中在兩條帶中：電子俘獲帶從2倍地球半徑延伸到5倍地球半徑，主要集中在3倍到4倍地球半徑之間;高能質子深入到更靠近地球的地方，其俘獲帶從1倍地球半徑延伸到2倍地球半徑，主要集中在1.5倍地球半徑附近。因為不同衛星軌道上的帶電粒子通量是變化的，所以電源系統設計常用積分輻射通量（流量）。

太陽電池陣尤其需要采取措施來抵御輻射的損害。地球同步衛星的軌道在6.6倍地球半徑處，遠離內層質子帶，在外層電子帶的外層邊緣處。因此，它們只暴露在小部分外層電子帶中，但很容易受到太陽耀斑產生的高能質子的損害。

5 太陽風與太陽耀斑

由太陽產生并橫掃太陽系的質子、電子和離子流稱為太陽風，它非常稀薄，每立方厘米僅含5個帶電粒子。太陽風的粒子流是恒定的，但并非均勻。這些粒子以480km/s的速度經過地球，與此相對應的是地球的公轉速度為30km/s，當這些粒子經過地球時，其中的一些會被地磁層俘獲。

太陽耀斑會釋放出由日冕產生的大量帶電粒子所形成的等離子氣體，它與周期為11年的被強磁場包圍的太陽黑子有關。太陽耀斑爆發會引起地球極光和無線電信號干擾。等離子氣體的溫度很高（>1×106℃），在如此高的溫度下氫原子和氦原子均化為主要由負電子和正質子組成的稀薄的等離子氣體。盡管等離子氣體的質量可達1×106t，時速1×106英里（1英里約1.6km），但它的密度很低，以至于仍可以看做真空，但它的作用卻是摧毀性的。

太陽耀斑每11年爆發一次，上次爆發發生在2000年11月～12月間。每個太陽周期都會有幾次太陽耀斑爆發，其中7年為爆發活躍期，4年為不活躍期。爆發強度有很大的不同。因此，在電源系統設計中，爆發的強度和概率須經衛星用戶和制造者的一致確認。航天器設計師利用獲得的太陽耀斑的質量和數量的數據，以及它對當時在軌航天器的影響情況，詳細分析了1989年～1990年爆發的相對較強的太陽耀斑。新建立的模型表明過去嚴重低估了10 MeV以下的質子流的作用，它導致光伏電池（PV）Isc的下降，但對Voc影響不大。據估計，基于1974年King模型設計的太陽電池陣有20%的概率不能滿足功率輸出需求，而基于1989年～1990年爆發的Feynman模型的概率只有幾個百分點。

先驅者號和旅行者號等飛出太陽系的航天器在太陽系邊緣經歷了所謂的終極沖擊波，終級沖擊波所在的區域環繞在太陽系的周圍，那里的星際空間填充著太陽風分解形成的稀薄氣體和灰塵。

6 地磁暴

人們已充分地認識到太陽活動、地磁場擾動和對人造系統（如衛星、通信網絡、防御系統、甚至地球上強大的電力網）形成的干擾之間存在的聯系。分析表明，雖然人造系統在持續地發展和進步，但易受地磁擾動影響的弱點依然存在，甚至更加嚴重。

航天器電源系統在地磁暴中的情況，可以通過過去地磁暴對地面上的電力網的影響來考察。在地磁暴的作用下，地磁場出現擾動，在架空輸電線上引起感應電流。由于距離遠，與地球表面形成的回路面積大，因此，高壓線會有很大的感應電流產生。這種低頻、類似直流的地磁感應電流會進入到變壓器，使之深度磁飽和，引起電壓溢出和嚴重過熱。1989年3月13日的大磁暴使北美大部分地區長時間停電，影響到了加拿大魁北克六百萬用戶。當時未曾預料的共模電流使變壓器鐵芯磁飽和，影響了電壓調節，導致系統設備出現了非預期延遲和其他易損目標，傳輸線上出現大電流并發生跳閘。1989年9月、1991年3月和1991年10月發生的強度稍小的地磁暴，進一步證實了地磁擾動會影響設備運行的事實。2003年10月的地磁暴在NOAA預計時刻的幾小時內抵達，它使衛星失效（如，日本的地球觀測衛星ADEOS-11），無線電通信中斷，并導致瑞典停電。為防止帶電粒子對飛機乘客的傷害，美國聯邦航空管理局警告飛行員在極地附近飛行時，要將飛行高度控制在25000英尺（約7500m）以下，以防過度輻射。

等離子數目和環流的空間研究模型、星際太陽風及地磁感應電流的實時監測以及極光帶的跟蹤可為2010年～2011年開始的下次太陽風的極大值提供及時的信息。

太陽耀斑和地磁暴對航天器電源系統的主要影響如下：

1）使太陽電池陣產生的功率快速下降，雖非致命影響，但會縮短太陽電池陣的使用壽命。

2）共模EMI干擾會通過裸露電纜進入電源系統，會影響電源系統的正常工作，甚至會造成永久性損壞。20世紀90年代，一些新型通信衛星的電源系統遭受損壞（如，加拿大阿尼克-E1和國際通信衛星-K），據推測還有一些衛星是在強太陽耀斑下損壞的。深入調查表明，地磁暴引起的電火花造成了衛星太陽電池陣與數十個繼電器的連接短路。

7 核威脅

一些防務衛星要能經受一定強度的人為核爆炸的威脅。核爆炸中釋放的高能粒子有：核裂變電子、中子、γ射線和X射線，它們的能量大小僅取決于被投放核裝置的毀傷力，設計所依據的威脅水平取決于其概率和因果考慮，但核威脅等級一直是美國防務部門（DoD）秘密分類體系中的保密數據。

8 總輻射量

地球軌道上各種輻射源的自然輻射能量水平如下：

俘獲電子 0.1～7 MeV

俘獲質子 0.1～100 MeV

太陽耀斑質子 1～200 MeV

太陽耀斑α粒子 1～300 MeV

銀河宇宙射線 >1 GeV

指定任務的總通量可利用用戶給出的環境模型計算得出。

最近完成的幾項跨學科的科學與工程研究項目極大改進了對空間環境特性的認知，而航天系統用戶則是這一研究發展的直接受益者。

（摘自中國宇航出版社《航天器電源系統》[美]穆肯德·R·帕特爾著）