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飞向太空,知而后行
文章来源:  |  发布时间:2013-05-25  |  【 】 【打印】 【关闭
 
空间环境与预报科学研究,对于载人航天来讲,就像今天人们对气象预报的依赖一样重要。人们要按照当天的冷、热、阴、晴来安排出行;航行在大海上的船只要知道会不会遇到暴风骤雨,前方有没有暗礁、险阻;在天空飞行的飞机要知道航线上有没有雷雨云层,会不会和其他飞机“狭路相逢”……

  飞船要在太空安全飞行,那里是一个过去并不为人熟知的环境,同样需要预先知道那里有什么,可能会发生什么。研究空间环境并预报空间环境事件,这就是航天红色预报员——当代空间环境与预报科学家们肩负的重大使命。

人类进入太空之前,对于茫茫宇宙了解甚少,也不理解空间发生的许多事情。航天为人类提供了探测空间环境的新手段,从而能够更准确地了解地球辐射带和磁层,探测太阳风等事件的特性……

20世纪50年代,人造地球卫星进入空间,带动了一门新兴基础学科—空间物理学的发展。空间物理学是在大量空间探测的基础上诞生的。现在人类航天活动的能力,已经可以将人送上月球,将探测器送上火星,乃至更广阔的宇宙空间,让人们不断揭开宇宙奥秘,使神话和推测最终被科学结论代替,这大大拓宽了人类科学认知的范围。
当人类不断扩大自己的活动领域,从陆地走向海洋,飞向大气层,进入太空的时候,为了在新的环境中安全地工作和生活,首要任务就是了解新的环境。人类为了走向海洋,飞向大气层,开始测量海水的深度,绘制海图,记录各个季节的风向和规律,监测和预报海洋、大气的风暴等。先辈们付出了辛勤劳动,才使我们今天能够在复杂的海洋和大气环境中自由驰骋。与走向海洋和飞向大气层一样,人类进入太空时,了解空间环境这个任务将更加迫切和重要,这不仅因为人们对空间环境的了解比对海洋环境和大气环境更少,还因为空间环境和人们所熟悉的生活环境差异非常大。茫茫太空,肉眼看起来似乎空无一物,也没有人类赖以生存的空气。实际上,宇宙空间存在着各种形态的物质,例如能量很高的宇宙线,以每秒数十千米速度飞行的大大小小的流星体,以及只有在空间存在的带有各种能量的等离子体和高能粒子。太空中还存在人类空间活动留下的废弃物——空间碎片。


图2-1 太阳风影响地球磁场示意图

人类离开地球,进入太空,就失去了大气层的保护,直接暴露在太阳发出的强大的紫外线和X射线之下。一直作为地球上生命源泉的太阳,也在威胁着我们的生命。不断从太阳表面发射出来的太阳风和太阳爆发时发出的高能带电粒子—太阳宇宙线,可以说是凶残的杀手(图2-1)。诸如此类的问题,成为人类航天需要闯过的难关。“雄关漫道真如铁,而今迈步从头越。”从头越,需要科学家的聪明智慧和敢于认知、进取的开拓精神。

既然空间充满着各种险滩、暗礁,因此,无论是非载人还是载人航天活动,都没有可供自由驰骋的安全空间。世界各航天大国在发展航天技术的同时,首先需要解决的,就是寻找安全进入空间和顺利飞行并平安返回的万全之策,这不仅要求航天器本身工程设计要做到完全可靠,更重要的问题是对空间环境有尽可能多的了解,这就是所谓的“知而后行”。于是,伴随着航天事业的发展,诞生了一个新名词:空间环境保障。

空间环境保障是一门综合性、多学科的基础研究工作,同时也是直接服务和贯穿于整个航天工程的应用科学。

1)设计阶段。根据学科研究的认知和长期观测的资料积累,包括各种地面观测站网和空间探测的历史积累,进行飞船轨道空间的各类环境分析,如高能粒子、空间等离子体、中性大气、微流星与空间碎片等,为飞船设计和船载各种设备、仪器设计提供理论依据。

2)研制阶段。依据空间飞行试验时可能存在的空间环境条件,对航天员和飞船、空间应用实验有效载荷等上天产品以及轨道和通信等进行效应影响分析、研究,提出相关防护建议和验证试验要求。

3)发射阶段。为了保障飞船发射任务在一个较为有利的空间环境状态下进行,避免重大空间环境事件对发射任务的影响,必须密切关注、分析、研究空间环境的变化动态,就像地面气象预报一样,每天发布空间环境安全期预报和射前空间监测预警。

4)运行与回收阶段。为了保障飞船的正常运行和航天员的安全健康,要时刻监视空间环境的变化情况,研究未来环境变化的趋势,如果预测到可能出现流星雨、高能辐射暴、碎片撞击等非常事件,要发出警报,提出躲避危险的科学建议。如果空间运行的飞船或飞船上的设备出现了故障,要提供空间环境背景因素,协助诊断故障异常。
现在的空间环境科学研究,已经成为航天安全保障的重要支持系统,是一个基础科学研究与工程任务紧密结合、相互促进的航天应用科学发展范例。

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