空間環境探測
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空間環境探測是為了解、監測和研究空間環境而進行的探測,即對航天器[1]空間環境[2]及其效應進行探測研究,為航天工程進行空間環境探測服務。空間環境探測是空間環境科學研究的基礎,也是空間環境科學研究的出發點。按照探測方式可分為直接探測、間接探測和遙感探測。按照探測手段可分為地基、火箭、天基探測。按其目的可分為三類,一是為編制空間環境模式而進行的探測,要求探測的空間覆蓋區域廣、無遺漏,時間覆蓋至少一個11年太陽活動周;二是為預報而進行的空間環境探測,要求按照預報需要在不同的空間位置設置相應的監測系統並能長時間連續進行監測;三是為航天器故障分析而進行的空間環境探測,要求與空間環境效應探測同時進行。
空間環境探測內容包括空間高能電子、質子、重離子及其單粒子效應和輻射劑量效應,空間熱等離子體及其航天器表面和深層充電效應,高層大氣密度及大氣成分,紫外大氣臭氧探測、空間物理主動實驗、飛行器電位主動控制、太陽高能電磁輻射等諸多環境。在國防和航天應用上具有非常重要的作用。
發展歷程
空間探測是人類進入太空以後開拓知識、認識宇宙的最前沿和最具創新意義的主要手段,而空間環境探測則是進行得最早、也是與人類活動最為密切的空間探測。空間環境探測的目的在於人們去認識宇宙的本質,測繪宇宙的結構、監測宇宙的變化、開發和利用宇宙。科學家的任務就是要通過各種探測技術,獲取空間環境的各種相關數據,分析認識這些數據,並試圖建立一個自然的、真實運轉的、相互緊密聯繫的外部世界圖像。
在人類進人太空之前,對於茫茫宇宙了解得很少,也不可能理解空間發生的許多事情,正是空間探測發現了地球輻射帶和磁層,探測了太陽風的特性,可以說空間物理學是在大量空間探測的基礎上誕生的。科學的歷史清楚地告訴我們,新的探測方法和新穎的探測技術在科學發展的歷史中總是帶來知識的進步。空間環境科學也不例外,隨着航天技術的發展,不但將人和探測器送上了月球,還將探測器送到離地球越來越遠的星球,讓人們揭開了火星,木星等神秘星球的面紗,使神話、推測變成了科學;通過紅外、紫外、可見光和高能電磁輻射波段進行的觀測,在人們面前展現了一幅嶄新的、壯觀的圖像。空間科學,包括空間環境科學正是在所有空間探測成果的基礎上建立和發展起來的。
在人類的太空活動中,空間環境探測不斷向航天技術提出新的要求,是航天技術發展的動力之一。另一方面空間環境探測也為航天活動提供了安全保障。空間環境探測的重要成果是對廣闊的空間環境進行了「測繪」,發現了可能影響航天器安全的環境參數,並對它的分布和變化特徵進行了測量,預測了各種軌道上航天器將會遇到的空間環境因素。在空間探測的基礎上研究了空間環境對航天器可能造成的影響,在航天器發生故障時,空間環境的探測結果可用來推斷故障的原因是來自空間環境的干擾,還是技術設計上的原因,進而提出減輕或消除不良影響的措施。空間環境是不平靜的,航天器在空間還會遇到太陽活動引發的各種「風暴」,這種比平時更加惡劣的環境對航天器和航天員構成嚴重威脅,監測這種「風暴」並預報它的到來,也是空間環境探測對航天安全可靠保障的重要部分。
空間環境探測的內容應包括空間磁場,電場,重力場、電磁輻射、高能帶電粒子,空間等離子體、地球高層大氣、微流星體等自然空間環境,以及人為造成的空間環境,如空間碎片、航天器誘發的各種污染、核爆炸造成的空間輻射等等。本書主要涉及與航天活動關係較密切、影響較大的空間環境的探測,主要有空間磁場、電磁輻射、高能帶電粒子、空間等離子體、高層大氣、微流星體和空間碎片等。
探測方式
一般說來,空間環境的探測有三條途徑可供選擇,這三條途徑通常叫做「直接探測」、「間接探測」和「遙感探測」。
直接探測
直接探測直接探測是指把探測器(傳感器)放在所要測量的某種特性的介質中,所放置的位置緊靠它的周圍環境。已經為衛星、火箭和氣球裝置發展了許多這類直接探測器,如測量地球輻射帶粒子的通量,是直接把高能帶電粒子探測器安裝在穿越地球輻射帶的衛星上進行直接探測。大多數這類探測器都是由實驗室的儀器發展而來的,如測量帶電粒子的各種探測器大多是曾在地面實驗室使用過的核探測器發展而來的。直接探測方法通常是特有的,它只對所要測量的參量響應,但是,由於它們的存在可能擾動被測量的介質,因此,需要儘量減少這種影響,並儘可能對所測量的參量進行必要的修正。這種方法由於需要一個飛行器將探測器放置到指定的地點,因而所需費用昂貴。
間接探測
間接探測是指把探測器放置於所要測量的介質中,它並不使用帶有探測器的儀器裝置(雖然它可以攜帶遙測裝置),介質的特性是通過在遠處觀測傳感器的運動導出來的,正如我們所了解的高層大氣的密度測量也可以通過間接途徑來測量。例如,通過發射氣球衛星,在地面觀測其運動可以導出衛星軌道處的大氣密度。這種方法對於間接探測器自身來說可能是相當簡單的和相對便宜的,但它也需要一個飛行器。
遙感探測
遙感是指探測器沒有被放置在所要測量的介質中,但是,介質的特性是由穿越介質的、或者由介質發射的波的觀測導出來的,監測的波可以是電磁波或者聲波。如果波是從一個發射機傳輸到介質的(如電離層測高儀、非相干散射雷達),我們稱之為主動遙感。如果波是來自自然過程而呈現在介質中(例如極光),那麼我們稱之為被動遙感。許多種技術都可以作為遙感的手段,因此,要歸納它們的優缺點是困難的。就其時間的連續性和經濟性來說它們是有優勢的,裝置既不要大的消耗,也不用回收。但在某些遠距離技術方面存在解釋的困難,因為波通過一段距離傳遞後,影響波的性能可能是整個路徑而不僅僅是一個特殊點。「遙感」這個術語在衛星一地面觀測(陸地地勢、雲的覆蓋等)中也常常使用,這些是真正的遙感的例子,但是,它們明顯地不包括在我們的範圍。
參考文獻
- 移至 ↑ 世界載人航天器歷次發射一覽表,搜狐,2024-08-24
- 移至 ↑ 空間環境微重力模擬 ,搜狐,2023-05-04