中文摘要硕士毕业小论文,近地空间环境

本篇文章是近地空间环境类的论文,提供给写中文摘要和粒子和太阳方面毕业论文的学生参考。

《科技创新导报》2014030期作者/韩波 陈琦 崔晓婷 译本文总字数:6093

韩波 陈琦 崔晓婷 译

1 简介

近地空间环境(如热层、电离层)对空间系统的危害很大.航天器电源系统必须在从发射到寿命终结的整个任务阶段经受住空间环境的考验,达到各项性能指标要求.为达到此目的,空间研究机构如NASA等已对通用设计准则进行研究并形成了文件.太阳电池阵直接暴露在空间环境中,故极易损坏.事实上,多数情况下,太阳电池阵的损坏情况决定了航天器的寿命.同时,环境因素也影响电源系统其他各个部件的总体设计.

2 发射和转移轨道环境

在发射和不同的火工品点火驱动展开等各个阶段常伴随有大的加速度、冲击和振动的产生.不同的运载工具产生量级不同的应力,对电源系统尤其是对太阳电池阵的设计都有影响.例如,航天飞机上的太阳电池阵需要承受3g(g为地球表面的重力加速度)的发射加速度,土星号(Saturn)运载火箭上则为10g.火工品点火冲击会持续几毫秒,力量极大,冲击频谱一般也具有高频振动的特点.例如,阿里安(Ariane)运载火箭在有效载荷分离时的冲击峰值大约为2000g,频率超过1。5kHz.

在转移轨道上,虽然太阳电池板是收拢的,但它必须承受近地点的加速力和远地点的制动力.在温度方面,外层的太阳电池板必须承受住地球的热辐射、星体反照率和太阳辐射,并将温度控制在规定的范围内.

3 在轨环境

电源系统的设计主要受下列在轨环境因素的影响.

3。1 失重和真空

空间失重和真空对电源系统设计的影响很大.微重力和真空使得所有的航天设备不能采用地球上司空见惯的对流冷却方式进行散热.于是内热主要采用传导散热,或者在一定程度上采用辐射散热的方法.但要将热量散入太空就只能依靠辐射散热法.

真空会引起升华和排气作用,尤其对某些物质而言作用更甚.升华气体遇冷凝结,附着在电气元件表面会引起短路.因为锌有较高的升华率,某些聚合物有较高的排气率,因此,它们在航天设备中的应用受到了限制.真空中,太阳电池阵的导电滑环和电刷在高接触压力的作用下会产生冷压焊接的现象,因此使用具有较低升华率的润滑剂,或将其密封在压力容器里是十分重要的.

3。2 磁场

地磁场和由电流回路产生的磁偶极矩相互作用在航天器上产生力矩.磁矩由航天器电源的电流回路产生,磁矩定义为电流与回路面积的叉积.

在地球静止轨道,地磁场的法向分量为常值,约为0。104μT.径向分量随着卫星绕地球旋转在±0。042μT间变化.在其他高度的轨道,磁场大小与轨道半径的立方成反比.在一个轨道周期内,地磁场的法向分量在赤道平面产生的力矩平均为零,力矩的两个分量均会影响卫星的姿态.电源系统产生的磁力矩来自于太阳电池板、蓄电池和连接系统各部件的线路.

可以通过设计和下列补偿方法使航天器上的磁矩最小化:

1)合理铺设电流线路,使其产生回路的可能性最小;

2)让两个相邻的回路方向相反,使之相互抵消;

3)尽量使用双绞线来抵消邻近绞线的力矩.

使用一个或多个上述设计方法后,剩余的净磁矩由卫星组装完后的测试确定.在运行轨道上,一个将最终力矩限制在100μN·m以下的磁矩是可接受的.

3。3 流星体和空间碎片

固体冲击会损坏太阳电池阵.不够大的小颗粒虽不至于引起直接损伤,但在一段时间后会使电源系统的输出功率逐渐衰减.颗粒的质量和撞击速度(通量)取决于轨道.NASA为预测地球轨道上流星体的通量而进行的几项研究得出了一致的结论:流星体通量的平均数与流星体的质量成反比.最常见的流星体是质量介于0。1~100mg之间的微流星体.给定平面在y年中被质量介于m1和m2之间的颗粒撞击n次的概率由泊松(Poisson)概率函数给出.在无精确信息的情况下,它们的质量密度设为0。5g/cm3,平均撞击速度为20km/s.实际流量随轨道而变.

除了自然微流星体外,人为形成的碎片直径在1μm到10mm之间,平均密度等于卫星和运载工具上广泛使用的铝的密度,它们相对于航天器的速度介于零和两倍轨道速度之间,平均约为10km/s.大流星体的撞击能量能立即损坏太阳电池阵的玻璃盖片和太阳电池,而微流星体会逐渐磨损玻璃盖片表面,使输出功率随时间逐渐

近地空间环境
中文摘要和粒子和太阳硕士毕业小论文

衰减.

3。4 原子氧

原子氧存在于低地球轨道,它会严重侵蚀一些材料,如广泛用于太阳电池阵结构的银.相似的侵蚀也见于一些电绝缘材料,如太阳辐射外加Kapton和硅橡胶.这种侵蚀既源于化学反应,大部分也源于相对于航天器以每秒几千米的速度高速运动的氧原子.除了侵蚀(表面下凹)外,氧原子还会在金属表面形成稳定的氧化物.鉴于上述原因,太阳电池阵上采用裸露的银、电子线路采用硅或Kapton的绝缘材料都是不可取的.

3。5 带电粒子

太阳以可见光或不可见的红外线、紫外线、X射线、γ射线、无线电波、电子、质子和等离子(带电的热气体)的形式向外辐射能量.太阳辐射形成的大量带电粒子使太空成为一个恶劣的环境.随着时间的累积,这些能量粒子的撞击会引起表面损伤.下列术语广泛用于讨论空间环境中带电粒子的辐射.

1兆电子伏特(1 MeV):各种带电粒子的等价能量单位,定义为一百万个电子经过一伏特的电势场所放出的能量.电子带电量为0。1592×10-18 C,所以1MeV等于0。1592×10-12 J.

通量密度:单位体积中带电粒子的数目.

通量:表述粒子流撞击表面的速度.定义为单位时间内撞击在单位面积上的粒子个数.即用粒子数/(m2s)或MeV/(m2s)来衡量其总能量.通量随航天器在轨道上的移动而变化.靠近太阳一侧的通量比远离太阳一侧的大.通常引用的是轨道平均通量.

积分通量或流量:用来计算在轨一段时间内撞击在单位面积上的粒子的累积数目.单位是粒子数/(m2年)或MeV/(m2任务期),用以计算表面必须承受的总能量.

吸收剂量:指定物质单位质量吸收的能量,单位是拉德或拉德(Si).因为大部分微电子器件都由硅材料制成,所以常用拉德(Si)作为比较辐射能量的参考材料.1rad等于1g指定物质吸收100尔格的能量.1rad(Si)是1g硅中产生1。7×1013个电子空穴对的能量单位.

空间常见的带电粒子源有以下几种.

太阳辐射:主要由来自太阳的电子和质子组成.

太阳风:太阳辐射外加来自太阳带电粒子的爆发.主要由太阳辐射的电子和质子组成.在通常的太阳风时,它们在地球轨道附近的通量和能量水平较低.平均质子通量为2×108个/cm2,平均能量为几千eV.但在太阳耀斑期间会达到100 MeV,大爆发期间甚至高达1GeV.

宇宙辐射:主要来自外太空,有些来自太阳.由85%的质子,12%的阿尔法粒子和3%的电子组成.质子能量达GeV,但通量很小,大约为每秒每平方厘米几个微粒.

4 范艾伦辐射带

地球磁场遍及所有受地球磁场影响的环形空间,即磁层,&

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