“航天器空间特殊环境、效应及评价技术”专题 序言

除力、热、磁等环境外,航天器在轨期间,还将遭受空间辐射、空间原子氧、空间等离子体、空间碎片、空间污染等特殊环境及其效应的考验,引起航天器用材料、器件、组件等在轨性能退化,甚至失效。随着我国航天科技的发展,尤其是大型空间基础设施的建设、可重复使用航天器和以月球探测为代表的深空探测任务的推进,以及航天器空间环境效应地面模拟实验能力的提高,对航天器空间特殊环境与效应及其评价均有了新认识、新发展和新成果。     

空间环境对载人登月活动的影响及保障需求研究

为了确保载人登月航天器的飞行安全和航天员出舱登月安全,分析研究了地月空间环境对载人登月航天器的影响,针对通信控制、航天器、探测器、月球车和航天员,分析提出了载人登月探测活动空间环境保障主要需求,并在此基础上重点分析了月球空间环境探测保障急需,即高能粒子辐射探测、辐射效应探测和月表尘埃等离子体探测等。     

航天器材料空间环境适应性评价技术

航天器及其使用的材料在轨服役期间要经受真空、热循环、辐照、原子氧及碎片等空间环境的作用,航天器材料的空间环境适应性是其区别于其它材料的一项重要质量特性,评价其适应性是航天器材料质量保证工作的重要内容。推进评价技术的发展,实现航天器材料质量,可以保证各个环节中对材料空间环境适应性的有效分析、评估与控制,是促进航天器可靠性提升所面临的一项重大问题。针对原材料选用、认定、复验等环节中的应用需求,分析了空间环境适应性评价技术目前存在的差距,并对今后的发展进行了展望。     

载人航天器关键电子产品综合环境应力试验

载人航天器电子产品在轨经历多种环境应力的综合作用,为提高载人航天器电子产品的可靠性,针对其综合应力环境考核需要,制定了载人航天器电子产品综合环境应力试验方案,并设计了试验程序,明确了各单项应力环境试验条件。经筛选,9艘载人航天器共136台电子产品参加了综合环境应力试验。试验结果表明,综合环境应力试验可以有效地暴露载人航天器电子产品设计和制造缺陷。     

基于地理探测器的城市要素对街尘累积和磷污染空间分异影响特征分析

量化分析城市要素对街尘及其负载磷素空间分异的影响特征可帮助指导大尺度空间城市非点源磷污染管控.本研究结合地理大数据（兴趣点等）与实地采样数据,利用地理探测器定量探究武汉市汉阳区城市要素对街尘累积量及街尘负载多形态磷素含量空间分异的解释能力.结果表明：① 街尘累积量及街尘中磷素含量的空间分异程度随街尘粒径和磷形态变化.粒径<150 μm街尘累积量的空间分异程度相对较高;铝结合态磷（Al-P）、闭蓄态磷（Oc-P）和有机态磷（Or-P）的空间分异程度整体较高,而碎屑态磷（De-P）和总磷（TP）的空间分异程度则相对 较低;Oc-P和Or-P的空间分异程度随街尘粒径变化不大.② 单因子条件下,车站类（POI I）、住宅学校类（POI II）和工厂汽修类（POI III）要素对街尘累积量和多种形态磷含量空间分异的解释力较强;路网（ROAD）主要对粒径<150 μm街尘中部分磷素含量的空间分异有较强的解释力;餐饮商场类（POI IV）、娱乐休闲类（POI V）和医院类（POI VI）要素主要对>150 μm街尘中磷素含量的空间分异有明显的解释力;景点类（POI VII）要素则对街尘累积量和磷素含量空间分异的解释力较弱.③ 城市要素交互往往增强其对街尘累积量和街尘磷素含量空间分异的解释力,但路网（ROAD）、车站类（POI I）和景点类（POI VII）要素与部分城市要素交互容易对其解释力产生非线性减弱或单因子非线性减弱作用. ④ 基于城市要素布局对不同形态磷设置差异化的控制策略有利于街尘磷污染控制.     

电磁监测卫星磁洁净控制方法研究

提出了卫星磁洁净控制的主要方法,覆盖从卫星可行性设计到最终系统级磁试验的各个阶段。结合电磁监测卫星的研制流程,介绍了在可行性论证、方案阶段和初样阶段卫星磁洁净控制工作的进展。开展的工作表明,卫星平台在绝对磁场校准装置位置产生的磁场干扰不确定量可以控制在0.5 nT,能够满足卫星在轨科学探测任务需求。     

基于地理探测器的土壤重金属空间分异及其影响因素分析研究进展

地理探测器是探测空间分异性,以及揭示其背后驱动因子的一种新的统计学方法,由于其既能揭示单一因素对因变量的影响,也能评价双因素相互作用的影响,且不需要考虑线性,还能避免多变量共线性的影响,没有较强的模型假设,解决了传统方法在分析类别变量时的局限性,在土壤重金属空间分异领域研究的应用越来越广泛.通过收集40篇关于地理探测器在土壤重金属空间分异领域的研究报道,梳理了采用的自变量离散化方法、研究尺度、因变量和自变量类型、因子探测、交换探测、风险探测和生态探测等内容,并提出下一步的应用研究急需明确的问题,为地理探测器在土壤重金属空间分异领域深层次应用提供支撑.     

微米级空间碎片撞击太阳电池研究

目的评估航天器太阳电池阵遭遇微米级空间碎片撞击后性能的下降程度。方法利用激光驱动飞片发射系统针对硅太阳电池开展系统的试验工作,对太阳电池机械损伤特性及伏安特性进行测试。利用ORDEM2000软件计算航天器所在轨道的碎片通量和速度。结合试验结果,计算航天器太阳电池阵因微米级空间碎片撞击引起的最大输出功率衰减率。结果太阳电池最大输出功率衰减率与溅射区直径呈二次函数关系,与表面污染率近似相等。未来5年天宫一号所在轨道航天器太阳电池因微米级空间碎片撞击引起的最大输出功率衰减率为0.45%。结论利用该研究结果可以预计航天器太阳电池因微米级空间碎片撞击引起的最大输出功率衰减率,为航天器总体设计提供技术支持。     

卫星热试验舱内污染监测及烘烤出气方法研究

目的通过卫星热试验过程中采取烘烤出气措施后舱体内部污染状况分析,为卫星试验过程中污染控制工作提供有效方法。方法使用石英晶体微量天平(QCM)及真空度测试系统,对星内污染沉积量与真空度进行实时监测,比较卫星高温静置工况前后沉积量与真空度测试量值的变化。结果整个热试验过程中星内污染出气沉积量为1.8×10-5g/cm2,高温静置工况星内污染出气沉积量为5.67×10-6g/cm2,高温静置工况开始前星内真空度为2.9×10-2Pa,第一次高温循环工况开始时星内真空度为2.3×10-3Pa。结论整个高温静置工况星内污染出气沉积量约占整个热试验过程中的30%,且使得星内真空度由10-2Pa的量级降低到10-3Pa的量级,因此高温静置烘烤措施能够有效去除卫星材料出气污染。     

空间环境中子效应及测量技术

随着航天事业向长时间载人深空探测方向发展,空间辐射环境对航天器及其器件、对宇航员的损伤越来越受到重视。在空间辐射的诸多因素中,中子的辐射危害相当可观。介绍了空间中子探测研究的重要性,总结了空间中子的分布和来源、中子导致的辐射剂量贡献、中子对航天器危害和对航天员的损伤以及空间中子的探测方法。     

1980年行星学概况

<正> 发射行星探测器从其发端到首批数据的获得往往要花费十年以上的时间。目前,在太阳系中运行的空间飞船比以往任何时候都多,近两年来,七十年代初期开始的空间实验计划已见成果。由于旅行者-1去年十一月成功地掠过土星表面,加之分析了一九七九年飞掠木星时获得的数据,科学家们将主要的注意力集中在外太阳系。此外,先驱者金星轨道飞船运用雷达连续地绘制着金星表面地图,从而提供了第一幅金星     

燃煤工业区不同土地利用类型土壤汞含量污染评价

为揭示黄土高原燃煤工业区不同土地利用方式下土壤Hg污染特征及空间变异程度,以山西省忻州市西部7县为研究区域,采用地累积指数、潜在生态风险指数、健康风险模型和地理探测器等对该区域不同土地利用类型中的Hg含量进行污染及健康风险评价.结果表明,耕地、草地、林地和居住用地中ω（Hg）均值分别为0.48、 0.34、 0.58和0.52mg·kg^-1,耕地、草地、林地和居住用地中Hg平均值分别为背景值的16、 11.33、 19.33和17.33倍,变异系数大小为：居住用地>耕地>草地>林地.地累积指数与潜在生态风险指数评价结果表明,研究区整体受Hg污染生态风险程度较为严重,局部区域存在极强污染.健康风险评价结果表明研究区Hg对儿童和成人均不存在非致癌健康风险.因子探测结果表明耕地Hg的空间变异性主要受工农业生产影响,草地Hg主要受土壤有机质和pH值影响,林地Hg主要受土壤盐分的影响,居住用地Hg主要受土壤盐分和有机质的影响.Hg含量空间分布格局总体上表现为中部向南北两侧递增趋势,污染严重区域主要受煤炭开采及工业生产等人类扰动因素影响.     

基于流域尺度的农业非点源污染物空间排放特征与总量控制研究

农业非点源污染是导致流域水质恶化的重要原因之一.依据农业污染源主要污染物空间排放特征和排放强度分析,划分农业非点源污染空间管理分区,并研究设计分区污染物总量控制方案,是提高农业非点源污染控制成效的重要途径之一.以湖北省四湖流域为研究案例区,系统开展了流域尺度的农业非点源污染空间排放特征识别与总量控制研究.结果表明,四湖流域水环境COD、总氮、总磷、氨氮负荷主要来自于农业非点源污染,4类非点源污染物分别占到流域污染物排放总量的67.6％、 82.2％、 84.7％和50.9％.对四湖流域非点源污染物空间排放特征分析结果表明,水产和畜禽养殖业发达的洪湖、监利、潜江、沙洋地区是流域非点源污染物的主要贡献源区.根据污染物在流域空间上的排放特征和源强评价结果,将四湖流域划分为3个农业非点源污染管理分区,即长湖上游水产和畜禽养殖污染重点控制区、四湖干渠农村非点源污染综合控制区和洪湖水产养殖污染重点控制区,针对不同管理分区分别提出了污染控制措施.基于水质改善和水体纳污能力综合考虑,设计了针对3个非点源污染管理分区的总量控制方案,分阶段实现监测断面全指标达标和满足水体纳污能力要求.主要污染物中,COD主要削减区域为四湖干渠区和洪湖区,分别占到流域COD削减量的43％和42％;氨氮主要削减区域为四湖干渠区,占到氨氮总削减量的66％;总氮主要削减区域为四湖干渠区和洪湖区,分别占到流域总氮削减量的42％和31％;总磷主要削减区域为四湖干渠区,占到流域总磷削减量的53％.     

加氢站火灾风险分析及火焰探测覆盖率优化

针对加氢站紫外火焰探测器覆盖率不足、布置位置与角度不合理等问题,采用空间法对其探测覆盖率进行定量分析与优化.空间法主要包括3个步骤:一是火灾易发目标区域辨识与风险层划分;二是火焰探测器布点与几何覆盖率求解;三是探测器布局优化与角度调整.结合国内典型加氢站氢气泄漏火灾易发目标区域数据库,对现有紫外火焰探测器空间覆盖率定量计算,对探测器布点位置与探测角度进行优化,各目标位置的火焰覆盖率均可达到80％以上.     

基于地理探测器和多源数据的耕地土壤重金属来源驱动因子及其交互作用识别

明确耕地土壤重金属来源对土壤健康合理管护及其可持续发展至关重要.利用正定矩阵因子分解(PMF)模型源解析结果(源成分谱和源贡献)、历史调查数据和时序遥感数据,整合地理探测器(GD)、最佳参数地理探测器(OPGD)、空间关联探测器(SPADE)和空间关联交互探测器(IDSA)模型,探讨了土壤重金属来源空间分层异质性研究中可塑性面积单元问题(MAUP),分别识别了分类变量和连续变量中控制土壤重金属来源空间分异的驱动因子及其交互作用.结果表明,中小尺度下土壤重金属来源的空间分异性研究受空间尺度影响,0.08 km²能够作为区域土壤重金属来源空间分异性探测的可选空间单元.连续变量受空间相关性与离散化水平影响,分位数法和中断数为10的离散化参数组合能够减少连续变量在土壤重金属来源空间分异性探测中所受分区效应的影响.分类变量中地层(PD 0.12～0.48)控制土壤重金属来源空间分异,地层和流域的交互作用对各来源解释力为27.28%～60.61%,各来源的高风险区域分别分布在地层中的下震旦系、上白垩系、土地利用中采矿用地和土壤种类中典型强淋溶土区域.连续变量中人口(PSD 0...     

基于最优尺度地理探测的长三角有机污染物时空分布驱动因素分析

场地污染对人体健康和生态环境造成了严重危害,理解其时空分布规律是污染评估和场地修复的基础.为此基于场地采样数据,利用最优尺度地理探测器分析长三角地区有机污染物时空分布规律及其驱动因素.结果表明:①长三角场地有机污染物空间分布存在显著的尺度效应,其最佳地理探测尺度格网为8000 m;②长三角污染物空间分布的主控因子最主要来源于生物场,其次来源于化学场;③在土壤0~20 cm深度,蔗糖酶含量、脲酶含量、微生物量氮、全氮含量和离子交换量等对有机污染物空间分布的解释力较大.在土壤20~40 cm深度,对有机污染物空间分布解释力较强的因子是土壤湿度、人口和全氮含量等.随着土壤深度的加深,水动力场的因子解释力增强.④春季里人口、全氮含量和多酚氧化酶含量等对有机污染物空间分布解释力较强.秋季里有机污染物的空间分布更复杂,因子之间表现出更强烈的非线性增强现象和双因子增强现象.     

卫星元器件抗辐射指标优化分析

目的在航天器设计中对选用的电子元器件提出了抗辐射指标要求。随着航天器设计寿命增加,对元器件提出的抗辐射指标越来越高,因此需要优化对元器件的抗辐射指标要求,以降低因辐射指标不满足而限制元器件的选择范围。方法通过对国内外抗辐射指标体系的对比分析和典型轨道、典型器件的数据分析,探讨总剂量指标的优化方法。对在轨翻转概率的影响因素进行分析,并采用典型数据的单粒子翻转概率评估,明确采用单一LET阈值指标的局限。结果总剂量效应和单粒子效应指标均有优化的方法和空间。结论通过对辐射环境的细化分析,降低辐射设计裕度,可降低总剂量的辐射指标要求。结合单粒子效应的应用需求以及防护设计,降低对器件LET阈值要求。     

基于地理探测器的镇域尺度土壤重金属含量空间分异及其影响因素分析

为揭示镇域尺度规模土壤重金属含量的空间分异及其影响因素,以成都平原腹心地带某镇为研究区域,采集788份表层土壤样品,利用地累积指数法对土壤Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn和Ni的污染进行评价,基于地理探测器,以土壤性质、地形和距离等15种因子为自变量,各重金属含量为因变量,探析土壤重金属含量的空间分异及其影响因素.结果表明,研究区土壤Hg、As、Pb、Cr、Cu、Ni和Zn含量平均值是成都市土壤背景值的1.06~1.93倍,Cd含量低于背景值;除Hg呈现轻度污染外,其余7种重金属处于清洁状态.8种重金属空间分布存在显著差异,且各重金属间存在显著相关性,并与土壤性质存在显著相关性.因子探测发现,总磷（TP）、总钾（TK）、pH、总有机碳（TOC）、高程和距铁路距离对8种重金属含量的解释力最显著.交互作用探测发现,土壤性质与其他因子交互作用是重金属空间分异的最主要影响因素,高程、距住宅区距离、距铁路距离和距工业用地距离也是重要影响因子.风险探测发现,Hg在高程和距铁路距离的子区域的差异最显著,其余7种重金属在土壤性质影响因子子区域的差异最显著.镇域尺度规模土壤重金属的空间分布差异显著,这与研究区的土壤性质、地形和人类活动密切相关.     

长乐江流域非点源氮素污染的关键源区识别

以浙江长乐江流域为研究对象,基于2007-2009年的野外监测、调查、分析结果,构建了ArcSWAT模型所需的各类空间数据库和属性数据库,实现了基于ArcSWAT的流域径流、泥沙和氮污染过程动态模拟,定量识别了非点源氮素污染的关键时期和关键源区.结果表明,模型在校正和验证期对径流、泥沙和氮污染过程模拟的效率系数≥0.5、决定系数≥0.6、相对误差＜20％,能满足研究和管理工作需要.雨季(6-8月)的累积氮入河量约占了全年人河总量的50％,是流域氮污染的关键时期.在流域所含的7个乡镇中,崇仁镇、鹿山街道和甘霖镇单位面积的年均氮入河量最大,分别为42.8、48.5和43.7 kg·hm-2·a-1,是流域氮污染的关键区域.在该关键区域中,土壤氮库、大气沉降与氮肥施用产生的氮对氮入河总量的贡献率分别为23％、29％和38％,是需要重点关注的氮源.以上关键时期和关键源区定量识别结果,为实现流域氮污染有效控制提供了重要科学依据.     

空间站原子氧环境仿真研究

目的预估空间站在轨期间遭受的原子氧撞击通量。方法通过对空间站构型进行建模,轨道、姿态参数设定,应用Kepler计算方法对空间站在轨20年的原子氧积分通量进行初步的仿真计算和分析。结果得到了航天器各个微元表面的原子氧积分通量数据。结论通过数据分析可知,迎风方向上经受的最大原子氧通量达到5.79×1022atoms/cm2,综合空间站各个不同位置表面的积分通量数据,可为航天器结构设计与材料选择提供技术支持。