10月29日空间环境及其保护(都亨)-第2章
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才也知道，大气的密度高度越高，它的密度越低，所以卫星在绕地球一圈的过程中所受到的阻力最大的地方是哪儿呢，就在近地点附近，那么近地点，附近受到的力，它是和高层大气的密度是成比例的，和卫星的截面积是成比例的，这跟我们地面上是一样的，那么在近地点受了力之后，也就是它的速度降低了以后，它的结果是什么，是它的远地点往下降低了，因为在近地点速度降低以后，它的能量降低了，那么它降到远地点的时候，它的位能就降低了，所以它的高度就必然降低，那么它每一次经过近地点的时候都要受一次大气的阻力，那么远地点就要往下降一点，最后一点一点陨落到大气层里面，返回地球，就烧掉了，所以高层大气对卫星的轨道有很重要的影响，这是我们在卫星设计里面所不可缺少的一个因素。
另外我们又知道，在高层大气里面有很多氧，这个氧原子，它腐蚀性很强，当卫星在原子氧的环境里面运动的时候，它要受到剥蚀，那么根据我们的估算，因为航天器运动的速度很高，它每秒钟将近8公里的速度在原子氧的气体里面运动，就相当于把卫星泡在温度非常高的原子氧的气体环境里面，所以它剥蚀是很快的，它剥蚀的厚度每一年可以剥蚀到一毫米，就是根据物质抗原子氧的剥蚀的程度不一样，它是不一样的，最多 受原子氧影响最大的，它一年可以剥蚀到一个毫米，对卫星表面来讲，这个是非常严重的问题。
刚才我们还讲到，由于太阳电磁辐射使高层大气电离以后，它会形成电离层，那么这个电离层对人类有什么影响，我们看看这张图，我们平常知道的，发射无线电波以后，一个电台发射电波以后，它都是沿直线走的，如果说我们在地球背面一个接受站，它就接受不到这个广播信号，也接受不到电磁信号，所以它就没有办法来收听广播，没有办法来收看电视，那么现在有了电离层以后，因为电离层它里面是电子和离子组成的，它对电磁波有折射和反射作用，那么电离层是包围在地球外面，那么我们可以看到，当发射一个短波出去的时候，碰到电离层它就会反射，这样的话我就有可能在地球背面的接收站来接收到无线电台所发出来的电磁波，因此我就可以在地球的背面来收听无线电波，这个仅局限于短波有这个功能，对于电视信号来讲还不行，电视信号，电离层虽然对它有影响，使它的传播路径有点歪曲，但是它可以透过去，所以我还是在地球背面还是看不到电视信号，这个时候，我们就要借助于卫星的帮助，如果我发射一个卫星，（然后）发射电视信号，到卫星上，卫星接收以后，再发射回来，那么我们就可以在地球的背面接受到这个电视信号，这就是现在我们电视转播的一个概念，无论是短波也好，或者电视信号也好，或者其他频率的电磁波也好，我们可以看到它都会受到电离层的影响，那么也就是说，如果说我电离层受到扰动以后，我所有的短波信号电视信号都会受到干扰，那么这张图就表明，如果说我这个电离层受到影响了，或者密度增加了，或者高度降低了，我都会受到通过扰动区的广播信号或者电视信号都会受到干扰，这张图表明，因为电离层在赤道区和在极区都有很大的扰动，这些扰动都会影响（电波传播），除了这些信号以外，包括我们现在的所谓的GPS，就是全球定位系统，通信系统，都是要借助于无线电波在空间的传播，也避免不了这些无线电波通过电离层，因此一旦电离层发生扰动的话，这些定位系统也都会受到影响，除了这个之外，我们刚才讲到，地磁场和太阳风的作用会形成一个磁层，那么太阳风扰动的时候，就会引起磁场的变化，那么磁场的变化我们就知道，就会在一般我们供电线路的变压器里面，感应出来非常强的电流，那么，有一个例子我们可以看到，1989年8月13号早晨，加拿大的一个电力公司，它的北端的供电网发生了事故，一系列断电事故相继发生，不到90秒钟，整个电网就瘫痪了，电力公司损失一千万美元，用户损失几个亿个美元，部分地区停电了几天以上，这个在一个高度发达的国家里面，停电几天，影响是非常大的，那么它的原因，既不是供电系统设计的问题，也不是操作员的失误，而是由于空间环境所造成的地球磁场的迅速变化，它的变化在变压器里面感应的电流使它烧毁了，那么这里可以看出，这张图就是原来变压器的外形，这个是烧毁以后变压器的线圈，所以空间环境的影响对我们的供电系统也有很多的影响。
那么下面我们再集中讨论一下，空间环境对航天器的影响，因为现在自从我们进入太空以后，航天器在我们人类生活里面的作用是越来越重要，一个通信卫星的影响，一个通信卫星的失效，它不但会使通信中断，像1997年美国的一个通信卫星失败以后，不但影响到打电话，看电视，而且，由于通信的中断，造成股市的中断，影响了整个的经济生活，所以航天器的安全是非常重要的，那么空间环境对航天器的影响刚才我们也看到了，也是非常严重的，归纳起来，大概有这样几种影响，我们刚才讲到了地球高层大气，有原子氧，有地球磁场，有银河宇宙线，有太阳宇宙线，有地球辐射带，有地球电离层，还有磁层里面等离子体，还有流星体，还有太阳电磁辐射，等等这些天然的因素，那么这些因素可能造成（对）卫星轨道的影响，刚才我们讲了，地球高层大气可以使卫星的轨道降低，使卫星陨落，它还会造成卫星辐射损伤，还会造成卫星机械损伤，还会造成化学损伤，等等，我们下面再来看一下，到底空间环境对卫星有哪几（种）具体的影响。
有一个事情，是卫星充电，是过去在上个世纪70年代，人们在很多卫星的故障原因的分析出才逐渐发现的，就是说，一开始的时候，工程师并没有注意到这样一个问题，后来在（20世纪）70年代，美国很多通信卫星相继的出现故障，分析原因找不到设计上的问题，后来，就根据空间环境当时的状态，人们才发现，原来造成这一卫星的损失，就是空间的等离子体，那我们看到，如果说在一个卫星表面，它的周围有很多电子和离子，由于电子的质量比离子的（质量）要小得多，所以电子运动速度要比离子的速度要快得多，也就是说，电子落在航天器表面上的速度要比离子或者质子要快得多，这样的话，在（航天器）表面上就积累一种负电荷，一直达到平衡电位，这个电位是排斥了一些电子，使得最后落到航天器表面的电子和质子的数量，就达到一个很高的电位，那么在没有太阳照射的情况下是这样。
这时候，卫星表面上就会积累很多的负电荷，那么在阳光照射的区域情况就有点不一样，它一方面有电子打上去，另一方面也有质子打上去，这是跟夜晚和阴雨区一样的，但同时在太阳光照射下，我们知道太阳光可以在卫星表面上打出很多光电子，也就是很多电子是会离开航天器表面往外跑，这时候，它的作用也就可以完全把电子的作用抵消掉，而形成一种，在表面积累一些正的电荷，于是，在太阳光照射的区域，卫星表面是带正电的，这样的话，如果说一个卫星表面它有一部分是照射到太阳光，有一部分是照射不到太阳光，而且它表面不是导体，是个介质，我们可以很自然的想到，在太阳光照射的部分它可以带正电，没有照射部分它是带负电，而且它的电位，据实测的电位可以达到一万多伏，那么在很小一个航天器的表面，它电位差到一万多伏是非常危险的，它可以放电，放电可以使表面材料烧毁，它发出电磁脉冲，可以把整个卫星都打坏，在上个世纪70年代在地球同步轨道上的通信卫星屡屡发生故障最后分析的原因就是空间环境造成的，刚才我们讲到，太阳宇宙线辐射带里面都有很多高能的粒子，高能的粒子，加速器里面造成的粒子有很强的辐射效应，物体照射会受到损害，人照射也会受到损害，那么这是一种剂量效应。
另外，在空间随着我们在卫星上用到的集成电路越来越多，它的集成度越来越高的话，就是一个高能的粒子就可以造成整个卫星的失败，这种事件我们叫单粒子事件，就是一个粒子就可以造成的事件，这个图上给出一个最基本的一个集成电路的一个单元，我们叫PMG，所有的逻辑线路，所有的储存器都是由这种基本（单元）构成的，如果说在空间我们刚才知道有很高能量的太阳宇宙线，和辐射带的粒子，有个粒子打上去的话，我们可以发现在通过的PMG的周围就会打出很多等离子体，形成很多电子和离子，那么电子和离子在PMG的电场作用下，它就会形成一个电脉冲，这个电脉冲进入了电路以后，它就会造成逻辑状态的翻转，就是说，如果我储存器里面原来存着0，那么由于高能粒子通过，所造成的影响它变成1了，或者1就变成了0了，这样一个结果，可想而知，如果仅仅是数据上一个错，问题不大，如果是在控制系统里面，0变成1，或者1变成0的话，那整个控制逻辑就完全紊乱，它就完全可以导致卫星的失败，总结起来，我们空间环境对人类生活有那些影响，我们可以看到，刚才讲到的卫星充电是一个，卫星可以达到很高的电位，还有流星体，很高的速度可以打坏卫星的表面，还有太阳电池的损坏，在高能粒子的轰击下，太阳电池的功率会越来越小，航天员的安全也是我们要考虑的，还有大气阻力是卫星要陨落的主要的因素，还有电离层那些不规则体，它可以影响到卫星和地面的通信，造成信号闪烁，无线电波的扰动，还有供电网的中断，这都是空间环境引起的，这里还有飞机乘客辐射的安全，这个在国外的，通过极区的航线上，已经在开始考虑这样一些问题了，同样原因，由于通信电缆，就是说，很长的电缆，由于供电网，是很长的电缆，通信电缆里面，如果（受到）地磁场的扰动，也会感生很多电流，也会产生扰乱，所以刚才我们讨论的，就是空间环境，对我们现在人类生活的影响，是非常大的，特别对航天的影响，对我们人类的发展有很重要的影响。
第四个问题我们就要讨论研究和防护空间环境，就是说，空间环境对人类在空间生存是很不利的，那么我们怎么办，我们首先看一下我们的任务，首先我们的任务要认识空间环境的规律，到底空间环境怎么变化的，我们首先要掌握它的变化规律，要测绘空间环境的分布，到底空间环境有些什么东西，比如它大气是怎么分布的，太阳宇宙线它是怎么分布的，辐射带它是怎么分布的，这些都是我们要去测量和描绘的，另外我们还需要预报空间环境的变化，特别像太阳活动它不是说始终是那么（频繁），有的时候还是很平静的，那么我们就要挑选太阳活动比较平静的时候来进行我们的空间环境（测量），预报空间环境的变化，还有就是要减缓空间环境的影响，就是我们知道空间环境对航天员对卫星有这个影响，我们怎么来防护它，我们是给卫星穿个盔甲呢，还是采取别的办法来防护，最后当然还有一个利用和开发空间�
