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第二届全球華人空間科學大會. 空間天氣與航天活動. 張永維. 航天東方紅衛星有限公司. 提纲. 前言 空間天氣對航天活動的影響 空間天氣 服务 在航天工程中的作用 航天工程對空間天氣數據的需求. 1. 前言. 五十餘年的航天 歷史 表明，空間天氣對航天器的影響是苛刻的、不可忽視的，是誘發航天器异常和故障的重要原因之一。 人類社會對空間系統的依賴也日益加深，空間系統性能提升 ， 空間天氣及其對航天其影響研究的重要性也日益突出。. 1. 前言. 載人航天 探月工程 導航衛星 新一代通信衛星. 對空間天氣服務提出了更高的要求 !.
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第二届全球華人空間科學大會 空間天氣與航天活動 張永維 航天東方紅衛星有限公司
提纲 • 前言 • 空間天氣對航天活動的影響 • 空間天氣服务在航天工程中的作用 • 航天工程對空間天氣數據的需求
1.前言 • 五十餘年的航天歷史表明，空間天氣對航天器的影響是苛刻的、不可忽視的，是誘發航天器异常和故障的重要原因之一。 • 人類社會對空間系統的依賴也日益加深，空間系統性能提升，空間天氣及其對航天其影響研究的重要性也日益突出。
1.前言 • 載人航天 • 探月工程 • 導航衛星 • 新一代通信衛星 對空間天氣服務提出了更高的要求!
2.空間天氣對航天活動的影響 • 太陽電磁輻射 • 中性大氣 • 電離層 • 等離子體 • 磁場 • 帶電粒子輻射 • 微流星 • 空間碎片(人爲) • 污染（誘發）
2.空間天氣對航天活動的影響 • 充放電效應 • 單粒子事件 • 累積劑量效應 • 對宇航員的危害 • 高層大氣對航天器的影響 • 原子氧對航天器表面的侵蝕 • 微流星體與空間碎片對航天器的影響
2.空間天氣對航天活動的影響 • 丟失數據 • 飛行數據記錄儀出現單粒子翻轉，數據鏈路干擾 • 性能降低 • 微電子器件功能下降，成像儀功能下降 • 干擾儀器 成像儀噪聲，儀器讀數偏差 • 服務中斷 • 系統復位，安全模式 • 任務壽命縮短 • 太陽電池功能下降，微電子器件性能降低 • 航天器失效 • 灾害性失效
2.空間天氣對航天活動的影響 • 衛星表面充電效應 • 等離子體與航天器作用引起; • 亞暴等離子體（5-10keV）使航天器表面帶負電位,同步軌道衛星表面電位高達幾千伏； • 高電位差導致衛星表面放電或通過材料放電，産生的電磁脉衝干擾電子綫路，使電子器件失效或异常，導致航天器故障甚至失效。
2.空間天氣對航天活動的影響 • 深層介質帶電效應 • 當高能電子入射到絕緣材料表面幷在其內部沉積電荷時，就會出現深層介質帶電。如果入射帶電離子的沉積量高于材料內電荷的泄漏時，材料就會形成一個大的電勢差從而發生放電。 • 磁暴會導致相對論電子增强事件，增加深層介質帶電的風險 。
2.空間天氣對航天活動的影響 • 太陽電池陣的等離子體效應 • 高壓太陽電池陣裸露導體部分與空間等離子體之間構成幷聯回路，從而造成衛星電源電流持續的無功泄露； • 太陽電池陣的表面充電電位升高到一定量值之後，將以電暈、飛弧、擊穿等方式産生靜電放電，幷輻射出電磁脉衝，或者通過衛星結構、接地系統將放電電流直接耦合/注入到衛星電子系統之中，對星上電子系統産生影響，乃至發生電路故障，直接威脅整星安全。
2.空間天氣對航天活動的影響 • 單粒子翻转 单个荷能粒子在微电子器件和光电器件中引起的一种有害的电离辐射效应，SEE随着集成电路的发展而出现，并随着集成电路的发展其危害也更加严重。随着大量新型器件的出现，目前已经发现多种不同种类的SEE。
2.空間天氣對航天活動的影響 • 單粒子锁定 內部由四層p－n－p－n結構構成雙穩態的器件可能發生鎖定。重離子（質子或中子通過核反應産生的重核）引起向高電流狀態轉變的事件被稱爲單粒子鎖定。
2.空間天氣對航天活動的影響 • 總劑量效應 质子、电子、γ射线等在SiO2中产生电子－空穴对，其中电子除了与空穴复合以外，大多数在大约~ps量级时间内很快迁移出SiO2，而大部分的空穴被俘获，累积在Si／SiO2界面上在氧化层中和各种界面附近形成陷阱电荷，造成器件参数的永久衰退。
2.空間天氣對航天活動的影響 • 位移損傷 • 荷能粒子与晶格原子相互作用，形成间隙子空穴对，形成复杂的缺陷，产生新的能级，这些能级通过不同的机制影响器件的光电性能。
2.空間天氣對航天活動的影響 • 空間輻射對宇航員的危害 • 空间环境中强电离的粒子轰击人体组织，会产生细胞损伤。空间辐射环境中的高能，高Z离子，尽管丰度较低，但其拥有更高的电离能力，产生损伤和穿透能力都很强。可能造成的健康危害包括癌症，白内障，急性辐射病（症兆为呕吐、衰弱、易感染、白血病、直至死亡），遗传效应（影响胚胎和胎儿；产生遗传突变）以及对中枢神经系统的损伤。
2.空間天氣對航天活動的影響 • 高層大氣變化對轨道的影響 • 高層大氣是航天器的活動場所，運行于高層大氣的飛行器都會受到來自大氣的阻力。一旦發生地磁暴，大氣密度會在短時內急劇增加，航天器産生的氣動力增大，因而使航天器産生强大的過載力和很大的氣動力熱，會給航天器帶來很大的威脅。 中巴資源衛星太陽事件引起的軌道衰變
2.空間天氣對航天活動的影響 • 原子氧對表面的侵蝕 • 在170 km以上，原子氧是主要成分，原子氧是一種强氧化劑，能與有機合成物、金屬表面作用，剝蝕表面材料，有的情况下産生揮發性氧化物，引起質量損失及傳感器性能下降。原子氧濃度在太陽周內或不同太陽周中的變化可達幾個量級。
2.空間天氣對航天活動的影響 • 微流星體與空間碎片對航天器的影響 • 在與航天器撞擊時本身可蒸發，可産生碎片，在航天器表面留下坑或洞。微流星體與空間碎片對地球軌道飛船帶來嚴重的危害，特別是對于在空間站外工作的宇航員，可有生命危險。
3.空間天氣服务在航天工程中的作用 • 航天工程对空间环境数据的需求贯穿卫星寿命的整个周期。
3.空間天氣服务在航天工程中的作用 • 航天工程对空间环境数据的需求贯穿卫星寿命的整个周期。
3.空間天氣服务在航天工程中的作用 • 設計階段提高空間環境氣候模型的精度，降低設計餘量。
3.空間天氣服务在航天工程中的作用 • 空間天氣服務提高在軌管理水平
4. 航天工程對空間天氣數據的需求 • 载人航天 預報太陽活動 太陽粒子事件 空間碎片和微流星 電離層擾動 中高層大氣擾動 時間要求：提前幾十分鐘 到幾小時。
4. 航天工程對空間天氣數據的需求 • 航天器在軌管理人員 太陽高能粒子事件及其可能影響的軌道 高能電子增强事件發生及其可能影響的軌道 空間碎片和微流星 電離層擾動 中高層大氣擾動 時間要求：提前數天
4. 航天工程對空間天氣數據的需求 • 航天器設計人員 瞭解空間環境長期變化規律，合理估計壽命期內太陽粒子事件的頻率和强度，幷開展適應性設計。 時間要求：整個壽命期（幾年）
4. 航天工程對空間天氣數據的需求 • 航天任務規劃部門 掌握空間天氣的長期變化，合理安排航天任務開展的時機 時間要求：提前一個太陽活動周期（10年以上）
4. 航天工程對空間天氣數據的需求 • 開展空間天氣應用基礎研究 • 建立關鍵數據獲取的規劃 • 開發應用模型 對于航天的可持續發展具有重要的價值。
