工作中的分析、设计内容进行在轨试验验证；积累原材料/元器件、单机设备乃至系统级空间环境效应的数据，为后续航天器研制提供可靠性基础保障。本文回顾国内外空间次生环境效应探测方面的工作，并提出一些空间次生环境探测的新方法，以促进我国有关在轨探测工作的开展。空间次生环境效应指空间次生环境对航天器的影响。对空间自然环境定义为包括大气层、微流星及粒子辐射等外界物理环境因素构成的环境，而空间次生环境则是指由航天器及其任务引起或改变的环境因素，典型的次生环境如污染、二次辐射、航天器带电等。
1国内情况介绍
国内以往对于空间自然环境和空间次生环境定义比较模糊，除了对空间自然环境引起的航天器各种效应（如太阳电磁辐射、粒子辐射、空间碎片等）开展了很多研究外，也对航天器污染、航天器带电、原子氧剥蚀等空间次生环境及其效应开展了大量仿真、地面环境试验等相关研究工作，然而尚未形成完善的体系，对于空间次生环境全面系统考虑仍有不足，还有很多次生环境效应研究工作没有深入开展，且在轨试验数据获取方面相对较为薄弱。表1列举了空间次生环境探测的若干方面。
表1空间次生环境探测表
1.1磁场作用下带电粒子对航天器的影响国内对于带电粒子在磁场中的运动也开展了相应研究，如成都电子科技大学于20世纪90年代初就开始进行高功率微波器件的粒子模拟研究。特别是2002年其大型数值模拟软件CHIPIC研发项目启动以来更是取得了长足的进步。然而，对于航天器磁场引起的带电粒子环境变化影响研究较少，目前只有北京卫星环境工程研究所在“十一五”（2006—2010年）期间开展了初步研究，获得了磁力矩器周围空间等离子体环境中的电子分布，并开展了相关的地面试验验证工作，并应用于载人航天三期工程的空间环境分析。
1.2航天器非金属材料出气的影响
我国目前对航天器非金属材料出气的影响研究主要集中在航天器外表面污染敏感器件的污染效应防护上。利用石英晶体微量天平监测航天器外的污染环境中沉积成分的数量，对舱外的污染物进行采样分析，通过真空热试验来降低航天器产品在真空环境下产生出气污染的水平，而国外则是采用专门的真空烘烤试验来降低航天器产品产生出气污染的水平。航天器非金属材料出气会大量挥发到周边真空环境，在地面试验中将对真空试验设备造成严重污染，而在轨工作有可能引起低气压环境下的帕邢放电，影响高压部组件的工作安全。
2国外情况介绍
国外在空间次生环境探测方面开展了大量的研究工作，积累了大量的在轨试验数据，不仅为航天器的地面环境模拟试验提供依据，也为航天器设计阶段提供参考。磁场作用下带电粒子对航天器的影响国外对磁场作用下带电粒子的运动行为已经开展了很多研究，电磁粒子模拟是从20世纪60年代开始发展的，通过对Maxwell方程和带电粒子运动方程数值积分求解，获得带电粒子在磁场中运动及其相互作用。这一理论研究方法随着计算机科学的迅猛发展，经过30多年的不断完善，在微波电子学、等离子体电子学和相对论电子学研究领域，取得了很多理论研究成果。仿真分析能力不断增强。
2.1航天器与空间等离子体相互作用影响
NASA的应用技术卫星ATS-5、ATS-6分别于1969—1970年、1974—1976年间进行了多种技术试验，获得了大量环境数据；1979年1月发射试验卫星SCATHA，除进一步获得大量等离子体环境数据外，还测定了航天器与空间等离子体相互作用对星上仪器的影响，并对卫星结构电位主动控制技术进行了验证。美国洛克希德·马丁公司在INTELSAT-801/802/804和NSS-803卫星的南板、背地板上装有卫星表面充电监测设备（CPA），在INTELSAT-805/806卫星北板上装有卫星表面充电监测设备，通过分压电容测量绝缘材料表面相对于卫星结构地的电位。印度GLSAT-2卫星装有4个表面充电监测器，用于监测卫星在轨表面充电事件，测量探头表面材料上的电荷积累和流向卫星结构地的电流。
2.2航天器舱内电子环境及效应
在航天器舱内电子环境仿真方面，集成软件如SpaceRadiation6.0和Astrium公司开发的Envipack软件包均可以对舱内电子分布情况进行仿真分析。在舱内电子环境探测、仿真及防护方面，借助一系列卫星（如UoSAT系列卫星、SAMPEX、APEX、CRRES等）对舱内电子通量、能量以及舱内带电粒子效应进行了在轨观测研究。
3空间次生环境及效应探测方法
北京卫星环境工程研究所结合空间次生环境的特点开展了其在轨探测方法研究。下文分别阐述羽流效应、放电监测仪探测和航天器自身磁场分布探测方法。
3.1羽流效应测试系统
发动机羽流是典型的空间次生环境，其对航天器产生的影响主要是羽流场压力效应、温度效应及污染效应。经过调研，各种压力测试方法特性见表2所示。电离式压力传感器主要针对静态压力进行测试，不满足本项目中总压力的测试需求。电容式压力传感器测试量程、精度最优，抗振动能力强，不足是环境温度要求高，尺寸、重量大。结合羽流压力测试要求及空间环境的要求，选用电阻式差压测试方式测试发动机羽流压力。电阻式压力测试方法主要结构包括受力弹性变形体、前置信号放大整理电路和安装壳体。利用受力弹性变形体的压阻效应来监测压力变化情况。
表2压力测试方法特性比较
表3对不同温度测试方法特点进行了比较。
表3温度测试方法特性比较
热敏电阻与铂电阻测试精度高，但是热响应时间长，考虑到脉冲式羽流测试需要温度传感器能够有较短的热响应时间，因此选择热电偶温度传感器进行温度效应测试。石英晶体微量天平传感器是进行微污染沉积量测试必备的精密仪器之一，基频10MHz，测试精度4.4×10-9g/cm2/Hz，测试范围0～1×10-4g/cm2，满足测试需求。
3.2放电监测系统
对电离层等离子体环境，可以利用太阳电池阵放电原理，在轨试验中通过外露的电池片上模拟电池片可能的放电情况。发生放电时，电池阵会产生短暂的脉冲电流，通过进行补偿可以增加脉冲的宽度和放电能量，以弥补小电池试样与实际太阳电池板缩比后的不同。放电产生的电流脉冲可以利用霍尔传感器制作的放电监测装置进行监测，其原理如图1所示。通过Vout=（Iin/n）RTerm即可得出通过太阳电池组件中产生的脉冲电流。
图1放电监测装置原理图
放电监测仪与一个顶面装有柔性太阳电池阵（3P30S）的等离子体环境防护试验件连接，试验件接入电阻器提供适当负载构成回路。放电监测仪引入试验件回路的电流，利用电流监测电路（霍尔传感器）非接触感应测量回路中的电流信号并转化为模拟电压信号，在A/D转换后，通过数据采集及控制（包括高速数字采集、控制系统）判断、储存并通过RS422接口下传数据，方案如图2所示。
图2放电监测装置方案
3.3航天器自身磁场分布探测系统
磁强计可以测量空间中的磁场大小，利用三轴磁强计可以测量空间中的磁场分布情况，磁强计的种类目前较常用的有磁通门磁强计及磁阻式磁强计。随着应用的逐步深入，对磁强计的要求也越来越高，大动态范围、高精度是未来磁强计的发展方向。在近地空间对地球磁场及航天器自身产生的磁场进行探测，一般要求磁强计的测量范围不小于±65000nT。磁通门磁强计利用法拉第电子原理研制，具有体积小、重量轻、可靠性高等特点，在地质勘探、地磁监测、磁场测绘、卫星姿控和空间环境探测等领域有非常广泛的应用。其探头结构如图3所示，由激励线圈、信号线圈和反馈线圈构成。利用这一传感器可以探测信号线圈轴向磁场的强度。如果对激励线圈施加一个余弦的激励电流信号，则在外界磁场强度确定的情况下，信号线圈产生的感应电动势中与外界磁场强度成正比的信号部分是激励频率的偶次谐波，通过仪器设计就可以利用感应电动势的二次谐波作为测量磁场的有效信号。
图3磁通门传感器线圈系统
磁阻式磁强计有两种类型，一种是半导体磁阻式磁强计，另一种是薄膜磁阻式磁强计。利用磁强计进行航天器自身的空间磁场分布情况探测，可以结合已有的磁场与空间带电粒子相互作用研究，用于对空间带电粒子在磁场作用下的分布异常情况进行在轨探测和预警，同时也可以结合全向带电粒子测量仪，对空间带电粒子在磁场作用下的影响行为进行测量。
4结束语
综上所述，空间次生环境效应中，除了传统意义上的污染、航天器带电效应外，还包括很多航天器与空间环境相互作用产生的其他问题：如磁场作用下带电粒子对航天器的影响；航天器非金属材料出气的影响；航天器与空间等离子体相互作用影响；航天器发动机羽流效应以及航天器舱内电子环境及效应等。且随着航天技术的提高以及航天器任务的多样性发展，空间次生环境效应也随之发生改变。因而有必要加强对次生环境效应影响的研究工作，以应对航天技术发展带来的新问题。文章基于空间次生环境及其效应定义，分别结合不同次生环境阐述了国内外在磁场作用下带电粒子对航天器的影响、航天器非金属材料出气的影响、航天器与空间等离子体相互作用影响、航天器发动机羽流效应和航天器舱内电子环境及效应等的研究状况，并有针对性地开展了典型的发动机羽流效应、放电监测系统和航天器自身磁场分布探测研究。与空间自然环境相比，空间次生环境由于引入了航天器的因素而具有与空间自然环境效应所不同的机理、更多因素的相互作用和更为复杂的空间尺度。
参考文献：
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