空间飞行器设计-第3讲.ppt

空间飞行器设计-第3讲
地球大气层
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地球大气的结构
按温度垂直分布特性分为以下五层：
：南北极7－8km，赤道上16－18km，中高纬度处8－12km。占3/4空气质量，空气状况经常的成分
地球大气主要由C，N，O元素组成，从海平面到海拔80km高空，大气中各种气体的比例基本恒定，。
大气密度随海拔高度增加而降低。如海拔100~200km处, N2: 1013→109~1010个/cm3;
O2: 1012→(1~4) ×108个/cm3;
O: (2~8)×1011→(1~5)×109个/cm3
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地球大气的成分（续）
20km以下，主要是氧分子、氮分子；
20－50km，臭氧层, O3
80－120km，部分氧分子开始离解为氧原子。
120－300km，主要是氧原子、氧分子、氮分子。
600－700km以上是氦,He（表3－4）。
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表3－4 某些海拔高度处大气的平均分子量
海拔高度(km)
大气的平均分子量
0
120
200
500
800
1000
1500
2000
2500
3000










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高层大气对航天器飞行的影响
高层大气对航天器的影响主要是气动阻力、升力、气动加热，及原子氧对航天器的腐蚀作用。
原子氧会与薄的有机涂层、先进的复合材料和金属表面发生反应。
[例如]:用于绝缘与密封的Kaptom，在1021个氧原子/m2的原子氧作用下，m。材料机械力学性能下降、光学和电性能改变。
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*—太阳对电辐射能量,。单位：10-22W/()

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原子氧密度
原子氧密度随高度和太阳活动的变化关系见图3-6。
航天器材料选择要考虑任务周期与太阳活动周期的关系。
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地球磁场
基本概貌
内源场：起源于地球内部包括基本磁场和外源场变化时在地壳内的感生磁场。
外源场：源于地球附近的电流体。主要部分来自太阳风，即太阳喷发出来的等离子体。
地磁场:Geomagnetic field
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人们普遍认为：地磁场起源于地核中熔融金属流动时所产生的电磁效应。另一说法是：地核在6000K的高温和360万个大气压的环境中会有大量的电子逃逸出来，在地幔间形成负电层，因地球自转而产生地磁场。
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地磁场是变化的。其瞬时变化归因于两个因素：
电离层中的电流体变化；
太阳黑子活动。
引起“磁暴”现象，如在漆黑的北极上空会出现美丽的极光；指南针摇摆不定，无线电短波广播突然中断，依靠地磁场“导航”的鸽子迷失方向，四处乱飞等。
Magnetic Storm
Polar Light
(aurora)
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极光
地磁场的三要素：
（1）磁偏角D：磁场水平分量
与正北方向的夹角。
（2）磁倾角I：磁场方向与水平
面的夹角。
（3）磁场强度（水平方向H，
或垂直方向Z）
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磁层
磁层：由高能粒子辐射带、低能粒子辐射带、环电流、等离子体层、等离子体片、等离子体幔等组成。
磁层顶：在向阳面，为磁层的边界。
磁尾：在背阳面，为柱状拖尾。
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等离子体层：电离化大气。
等离子体片：主要成分有H+,O+,He++，电子能量几百至10keV；
电离层等离子体：在距地面70~3000km的空间，为电子、正负离子和中性粒子组成的气体混合物。以电子浓度分为D，E，F（F1，F2）层和外电离层。
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地球磁层剖面图
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地磁场控制着近地空间带电粒子的运动，并通过大气增温对航天器轨道产生影响。同时，磁力矩影响航天器姿态。
太阳风，即太阳喷发出来的等离子体。太阳风及行星际磁场可能引起磁暴或磁层亚暴。此时对卫星表面电位影响巨大，强电弧、电磁脉冲影响星上电源系统、控制和通讯系统的正常工作。
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空间粒子辐射
空间粒子辐射分：天然粒子辐射环境