7、太空环境对航天器的影响：等离子体与辐射

太空环境对航天器的影响：等离子体与辐射

1. 等离子体环境

等离子体常被称为物质的第四态，是宇宙中最常见的物质形式，宇宙中超过 99% 的物质处于等离子态。在等离子态中，至少有一个原子电子具有足够的能量逃脱原子核的库仑引力，导致自由电子和原子离子独立运动。从宏观尺度上看，如果离子密度等于电子密度，等离子体整体可能保持中性。随着等离子体冷却，电子温度和平均电子能量会降低，当电子能量不足以保持自由时，它会重新附着到原子离子上，等离子体将被中和，回到地球表面常见的物质状态。这里的“温度”指的是动力学温度，用于衡量等离子体粒子的动能。在等离子体物理学中，温度和粒子能量的概念密切相关，通常用能量单位来表示动力学温度，1 eV 的能量对应约 12,000 开尔文的动力学温度。

1.1 等离子体对航天器的影响范围

中性环境仅影响近地轨道（LEO）的卫星，而等离子体环境会影响所有轨道上的卫星。等离子体的特征由其密度和温度来描述，高层大气中有几个不同的区域，具有特征明显不同的等离子体环境。在约 60 公里以上的高度，太阳的短波长辐射足以使存在的中性原子发生显著的光电离。中性原子与高能带电粒子的碰撞也有助于电离过程。由于密度极低，不会立即发生复合，等离子体可以长时间存在。这种情况发生在被称为电离层的区域，其中离子和自由电子始终存在。

电离层通常从约 60 公里的高度开始，向上延伸到数千公里。在这个较低高度以下，紫外线不足以引起明显的电离。在这个不太明确的上边界之上是捕获辐射区（范艾伦辐射带），从约 1.5 个地球半径开始，延伸到约 5.5 个地球半径。更高的位置是磁层的边缘，那里的环境由太阳风等离子体主导。

等离子体环境与航天器的相互作用会给电力系统带来问