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单词 卫星空间环境工程
释义

【卫星空间环境工程】
 

拼译:satellite space environment engineering
 

随着航天技术的发展而产生的新兴学科,是航天工程学科中的重要分支,起始于20世纪50年代末,它涉及多门学科与技术,主要有热物理学、电学、光学、磁学、力学、空间物理学、真空科学与技术、深冷技术、计算机技术、自动化技术、机械工程技术等。

卫星空间环境是卫星在轨道上运行时所遇到的自然和人为的环境,包括真空、冷黑(热沉)、太阳辐照、弱磁场、微重力、微流星、空间碎片、粒子辐射、原子氧、等离子体、磁层亚暴环境等。

卫星空间环境工程研究的主要内容有:(1)空间环境对卫星的影响及其机理。(2)空间环境地面模拟方法及其模拟技术。包括空间环境模拟(在地面上再现空间环境)、空间环境效应模拟、空间环境模拟设备的研制、模拟方法的研究与模拟误差分析。(3)空间环境的利用。空间微重力环境、空间环境为空间工业、空间药物生产服务及空间太阳能的利用等。(4)模拟空间环境的试验方法、试验条件、试验理论。航天器试验分为初样试验、鉴定试验、验收试验。整星级试验通常要进行热真空试验、热平衡试验、磁试验。试验内容包括:试验规范、试验标准化、环境试验予示。(5)提供航天员训练的空间环境模拟条件与试验方法。空间环境对卫星有极其重要的影响,其中重力场、高层大气、太阳辐射影响卫星的轨道与寿命;地球磁场、高层大气、太阳辐射、太阳宇宙线、银河宇宙线,辐射损伤卫星材料与涂层;空间碎片、微流星,损伤卫星的光学镜头、机械结构;原子氧等给卫星的材料与涂层造成化学损伤;磁层等离子体、太阳辐射影响航天器表面电位;地球电离层影响卫星的通信和测控;太阳辐射、冷黑环境、高层大气的真空环境影响卫星的热状态。

载人飞船和空间站还要受到空间环境的特殊影响,因为人对生存环境的要求极为苛刻,要采取更严格的防护措施。永久性空间站更容易受空间环境的影响,如空间碎片和微流星的碰撞几率与卫星的特征尺度的平方成正比,气动力矩与特征尺度的三次方成正比,环境参数的影响大都和时间成正比,一些在短时间内是“低概率”的事件成为不可忽视的因素。

综上所述,空间环境工程研究的意义有:(1)减少或避免卫星产生故障或失效,延长卫星的工作寿命,提高卫星工作的可靠性。(2)提高卫星设计质量,因为绝大部分卫星不可回收,并具有不可维修性,在太空产生的故障很难分析原因。充分的地面模拟试验,可以得到合理的设计、避免过厚的屏蔽与结构及过多的备用燃料,降低研制成本、节省经费。

卫星空间环境工程是随着航天技术的发展而发展的,而卫星环境工程的发展也带动了其它学科的发展,如真空技术、低温技术、太阳模拟技术、磁试验技术等等。中国从1960年开始研究空间环境在航天技术中的作用和对卫星的影响,开展空间环境模拟技术的研究,并于1961年开始研制第1批直径为0.5m和2m的空间环模设备,并于1965年研制成功,填补了中国空间环模技术的空白,为东方红1号卫星提供了空间热真空环境试验条件。60年代开展了卫星环境试验规范、红外热试验方法的研究。1970年中国建成了当时亚洲最大的直径为3.6m的KM3空间环模设备,1976年建成了直径7m、高12m的KM4空间环模设备。空间环模技术的发展促进了中国应用卫星的发展。80年代数值模拟技术、红外模拟技术、多温区瞬变热流模拟技术、卫星柔性结构在空间环境下的展开试验技术、无油真空获得技术、热沉调温技术、太阳模拟技术、控制技术、数据采集处理技术、发动机空间环境下点火和羽焰效应试验技术、环模理论等都有了新的发展,建立了直径4m的磁实验室、卫星表面充放电试验设备、KFT热真空环模设备,带有高精度离轴太阳模拟器、无油真空系统、热沉调温系统等。为中国的应用卫星的发展提供了高可靠的保证条件,全国已经建立了近100台各种空间环模设备及数十个小型空间环模实验室,为中国航天技术的发展发挥了重要的作用。

60年代初,美、前苏联就很重视空间环模技术,建立了多台大型空间环模设备,由于试验误差、卫星舱段间边界条件设定的复杂性,卫星的热真空环境条件下的缩比试验与分舱段试验不能代替整星试验。所有型号的卫星都必须作整星热真空试验,以及在各种特殊空间环境下作零组件试验。

80年代,世界上许多国家总结实践经验、教训,更重视空间环境工程的发展。美国、前苏联、欧联、法国、德国、日本、印度、巴西等国都投巨资发展空间环模技术,建立大型空间环模实验室。前苏联1985年建成直径为17.5m的大型空间环模设备,美国已有20台直径10m以上的空间环模设备,1984年、1986年分别又建成直径16.7m球型与直径12.2m柱形空间环模设备,欧联(空间技术研究中心)建成直径10m、印度1989年建成直径9m、日本1990年建成直径13m的空间环模设备,这类设备主要用于模拟太空的真空、冷黑(热沉)、太阳辐照环境,提供卫星或载人航天器进行整星热真空、热平衡试验。

美国先后建立了液体火箭发动机启动和羽焰效应试验设备、大气闪电的模拟试验设备、航天员舱外活动与训练试验设备、红外与多光谱遥感器定标的模拟试验设备、微重力、弱磁场、电离层与磁层亚暴环境的模拟试验设备及其试验技术研究。近期为适应开发空间资源、研究空间兵器、航天飞机、永久性空间站的需要,新建与改建了一些环境模拟试验设备,以低地球轨道的环境及其效应为主,有载人航天器大型座舱的热真空试验设备、航天员空中组装试验的大型中性浮力失重模拟设备、研究空间兵器作用机理与效果的试验设备、特殊空间环境如;原子氧、微流星、宇宙碎片、电子辐照及质子、电子、原子氧、紫外等综合环境效应模拟试验设备及试验技术研究。

一些国家专门出版了“空间环境工程”刊物,美国、欧洲、前苏联分别定期召开国际学术讨论会。中国于1984年成立了航天系统“空间环境工程专业信息网”,出版了“环模技术”刊物,每年举行全国性的学术讨论会,推动了卫星空间环境工程学科的发展。

【参考文献】:

1 黄本诚主编.“航天环境模拟设备手册”.中国空间技术研究院,1988

2 黄本诚主编.空间环境工程学的研究与发展环模技术,1992,1

3 黄本诚主编.空间环境工程学.北京:宇航出版社,1993

4 黄本诚主编.空间模拟器设计.北京:宇航出版社,1994

(中国空间技术研究院、北京卫星环境工程研究所黄本诚研究员撰)

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