临近空间环境对临近空间飞行器的影响

傅啸天

傅啸天（南京国际关系学院，江苏南京210000）

摘要：本文叙述了运行在临近空间的飞行器要经历的对流层和平流层的环境特点，对风速、温度、太阳辐射、臭氧、水蒸气以及高能粒子这些大气环境进行了分析，并提出了环境控制需要注意的几个问题，为临近空间飞行器的设计和应用提供了参考。

关键词：临近空间环境；临近空间飞行器

一、前言

临近空间（NearSpace）通常是指高度距离地面20～100km的空域，介于传统意义上航空器飞行高度（低于20km）和航天器飞行高度（高于100km）之间，也称为近空间或空天过渡区。由于高度的差异，临近空间有着不同于空中、空间独特的环境特点，这对运行其中的临近空间飞行器在设计和应用上提出了一定的要求。

二、临近空间环境及对临近空间飞行器的影响

（一）大气飞行环境

以大气中温度随高度而分布为主要依据，可将大气层划分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层（外大气层）等五个层次。大气层中的平流层和中间层对临近空间飞行器的影响最大。

1.对流层及影响。临近空间飞行器在升空、回收过程中经过对流层。对流层是最贴近地球表面的一层。它是从地面开始至垂直对流特征消失的高度（对流层顶）为止，即从地面向上至温度出现第一极小值-56.5℃所在高度的大气层。对流层是接近海平面的一层大气，其厚度随着纬度与季节等因素而变化。对流层空气质量大约占总大气质量的3/4，此层中的风速与风向是经常变化的。空气的压强、密度、温度和湿度也经常变化，一般随着高度的增加而减少。风、雨、雷、电等气象现象发生在这一层。对流层中风速一般是随高度的增加而增加，但变化比较复杂，没有规律，需要实际测量。1.5km高度以下的大气边界层由于受地面热力和地形的影响，空气运动具有明显的紊流运动特征，表现为风速和气温在时间和空间上变化激烈。临空器在起飞及上升阶段需要穿越对流层，对流层的气象环境对临空器的上升过程有很大的影响。因此需要对起飞的气象条件作一定的选择，尽量避免在恶劣气象条件下起飞。

2.平流层及影响。平流层是从对流层顶端到海拔80km之间的大气层，其质量约占大气总质量的1/4。在20km高度以内，气温不随高度变化，保持在-56.5℃；在20～32km之间，气温则随高度的增加而上升。平流层中几乎没有水汽凝结，没有雷、雨等气象，也没有大气的上下对流，只有水平方向的流动，故称平流层。平流层是临空器可以稳定工作的高度。因此平流层高度的风速直接影响临空器的尺寸、能源系统和动力推进系统的大小。

3.温度。温度影响了整个临空器的热环境及设备和材料的环境适应能力。材料在低温条件下会发脆，很多设备及普通的润滑系统在低温条件下不能正常工作，从而直接影响到系统的寿命和可靠性，因此低温环境对临空器的环境控制提出了更高的要求。

（二）臭氧

臭氧有很强的氧化性，可使许多有机色素脱色，侵蚀橡胶等材质，很容易氧化有机不饱和化合物。臭氧的这种强氧化性将可能导致临空器的部件变脆和加速老化，严重影响其在高空飞行的运行寿命，因此在设计时就须充分考虑对臭氧的防护。

（三）太阳辐射环境及影响

太阳辐射量同样也是临空器设计必须考虑的重要参数之一。太阳辐射的时间和辐射度直接影响临空器工作的时间和吸收的太阳能量大小。太阳辐射量的数值与太阳高度角及太阳辐射度都有关。太阳高度角的变化是由时间、纬度决定的，而太阳辐射度在一年内的变化与地日距离的变化有关，一般来说随着纬度的增加太阳辐射度减少。

太阳辐射的不同谱段对临空器有不同的影响。临空器主要吸收红外线与可见光谱段。吸收热量的多少取决于结构外形、涂层材料和飞行高度。这部分能量是临空器热量的主要来源之一，将影响临空器的温度。若热设计处理不当，会造成临空器温度过高或过低，影响其正常运行。因此，为了验证热设计，鉴定临空器的可靠性，可在地面试验设备中再现太阳辐射环境，模拟空间的外热流进行热平衡试验。

波长短于300nm的所有紫外辐射虽然只占有太阳总辐射的1％左右，但其影响很大：紫外线照射到金属表面，由于光电效应而产生许多自由电子，使金属表面带电，造成临空器表面电位升高，将干扰其电磁系统；紫外线会使光学玻璃、太阳电池盖板等改变颜色，影响光谱的透过率；紫外线会改变瓷质绝缘的介电性质；紫外线的光量子能破坏分子聚合物的化学键，引起光化学反应，造成聚合物分子量降低，材料分解、裂析、变色，弹力和抗拉强度降低等；紫外线和臭氧会影响橡胶、环氧树脂粘合剂性能的稳定性；紫外线会改变外涂层的光学性质，使表面逐渐变暗，对太阳辐射的吸收率显著提高，影响临空器的温度控制。对于长时间在空运行的临空器的设计必须考虑紫外线对外涂层的影响。

（四）水蒸气、高能粒子

在高空平流层环境中还含有少量的水蒸汽，但与对流层相比含量较低。在平流层高度，μ介子、电子、光子、中子、质子等高能粒子的辐射强度较地面大大增加，它们会对遥感仪器的运行带来不利影响。水蒸汽会凝结在镜头和制冷部件上，长期累积会影响仪器性能甚至使仪器失效。高能粒子可能对探测部件造成损坏。

三、结束语

总的来说，临近空间环境的特点决定了临空器与一般中低空飞行平台的不同。它需要全面考虑临近空间环境特点，可借鉴航天器环境控制所采取的相应设计和防护措施来达到设计目的。结合环境特点，对于临空器环境控制有以下几点可作为设计时的一些参考：

1.为了确保太阳电池系统的良好工作性能和安全可靠，必须考虑其热控措施，可在太阳电池表面覆盖热控涂层。在热控涂层的研制和选用上，必须认真考虑上述环境影响可能引起的涂层热辐射的稳定性问题。在选择涂层时，选择那些在地面已经过模拟空间环境的考验并证明稳定性合格的涂层。

2.需要充分考虑低压、低密度环境对临空器总体、能源与动力及热控等的影响，进行针对性的设计和研究；对于平流层低温环境对临空器材料和系统设备的影响，要提高材料的性能和加强设备的热控来满足设备对热环境的要求。

3.针对临近空间存在的太阳辐射和臭氧环境，需对临空器材料和系统设备进行污染防护和器件抗辐射加固等；应根据太阳辐射强度的分布和变化规律，结合临空器能源平衡需求以及对风场环境的分析，对临空器参数的设计选择进行优化，并且合理选择飞行的地点和时间。