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空间自然环境是宇宙中天然形成的航天器飞行环境，主要包括真空环境、空间太阳辐照环境、空间冷黑环境、高能粒子辐照环境、微流星体环境、空间等离子体环境、空间磁场环境、空间微重力环境、空间原子氧环境及空间大气环境等。几乎所有的航天器空间环境参数对航天器都有不可忽视的影响，由空间环境导致的航天事故也不胜枚举。
航天器运行轨道高度不同，真空度也不同，轨道越高，真空度越高。海平面大气密度的标准值为 1.225 × 10 -3 g/ cm 3 ，压力的标准值为 101 325 Pa。 随着高度的增加，大气压力和密度迅速下降。在 90km 处的高空大气压力约为 10 -1 Pa,600 km 处的高空大气压力约为 10 -7 Pa, 1 000 km 处约为 10 -8 Pa, 2 100 km 处约为 10 -9 Pa。 2 000 km 高度以上压力随高度增加而下降的速度变缓 。10 000 km 处约为 10 -10 Pa; 月球表面约为 10 -10 ~ 10 -12 Pa, 相当于有 100 个氢分子 / cm 3 ；银河系星际空间压力约为 10 -13 ~ 10 -18 Pa。 高度在 100km 以上，由于光电离作用，平均温度急剧增加，到 700km 处，达 1 000K, 大气层的极限温度可达 2 100K。 距地面数百千米的低轨道环境为高真空，距地面数千千米的中轨道环境为超高真空，距地面数万千米的高轨道环境为极高真空。在空间轨道运行的航天器，环境压力范围是从高真空到极高真空。
宇宙真空是理想的洁净真空，这时气体分子的热传导可以忽略，只有辐射换热。空间真空环境对航天器的影响是多方面的，有由真空状态引起的空间真空效应，也有基于空间真空环境并与其他环境共同引起的所谓协同效应。真空环境效应主要有：压力差效应，真空放电效应，辐射传热效应，真空出气效应，材料蒸发、升华和分解效应，黏着和冷焊效应以及空间大气密度对航天器的阻尼效应等。
太阳是个巨大的辐射源，每时每刻都在向空间辐射大量能量，其发出的能量相当于 6 000K 黑体的辐射能量。太阳能够发射从 10 -14 m 的 γ 射线到 10 2 m 的无线电波之间各种波长的电磁波，不同波长辐射的能量大小不同，其中可见光的辐射能量最大（能量峰值的波长为 0.48μm） 。
太阳电磁辐射中的可见光辐射、近红外辐射和远红外辐射共同构成了航天器在空间飞行时所受到的加热源，也称空间外热流。若航天器的热设计处理不当，会造成航天器温度过高或者过低，影响航天器的正常运行。太阳辐照光压能够影响航天器的姿态和自旋速率，在设计航天器的姿态控制系统时，特别在设计高轨道航天器与重力梯度稳定的航天器的姿态控制系统时，必须考虑太阳辐照光压的影响。由于光电效应会产生很多自由电子，太阳辐射中的紫外线辐射能使航天器表面发生静电效应带电和电位升高，对航天器内电子系统和磁元件产生影响。紫外线辐照可以在晶体和玻璃等光学材料中产生色心，使光学材料染上颜色，影响光谱的透过率。此外，紫外线的光量子还能破坏分子聚合物的化学键，引起光化学反应，造成分子量降低、材料分解、裂析、变色、弹性和抗张性降低等。
如果不考虑太阳与附近行星的辐射，那么宇宙空间背景辐射的总剩余能量基本可以忽略不计（能量密度约为 1 ×10 -5 W /m 2 ），相当于温度为 3 K 的黑体发出的能量，同时，在太空中航天器的热辐射几乎可以全部被太空所吸收，没有二次反射，即航天器没有同空间其他星体热交换的可能，这一环境称为空间冷黑环境，也称热沉。航天器热设计必须考虑冷黑环境的影响，它是航天器热平衡实验、热真空实验的主要环境之一，考虑不当会造成航天器的温度过高或过低，影响航天器的正常工作与轨道寿命。
航天器上可伸缩的活动机构，如太阳电池阵、天线等在冷黑环境下由于冷黑环境影响会使展开机构卡死，影响其伸缩性能。航天器上某些有机材料在冷黑环境下会老化和脆化，影响材料的性能。
高能粒子辐照环境主要来自地球辐射带、太阳宇宙射线、银河宇宙射线等，主要成分是电子、质子及少量重离子，它们具有能量高、能谱宽、强度大的特点，共同构成了航天器轨道上的带电粒子环境。带电粒子对航天器材料、微电子器件、光学窗口、温控表面、生物及宇航员均会产生辐射损伤，是目前航天器在轨异常和失效的重要原因。为减少这种影响，提高航天器的可靠性，必须采用合适的抗辐射措施。
粒子辐照环境效应对航天器的影响主要表现为总剂量效应和单粒子事件效应两方面，其他还包括充放电效应及内带电效应等。单粒子事件效应主要有单粒子翻转效应和单粒子锁定效应。单粒子翻转效应是指高能带电粒子轰击微电子器件造成器件瞬时翻转，产生软故障。而在 CMOS （互补性氧化金属半导体）电路中，带电粒子穿越芯片时，形成的电流会导致导通，造成锁定事件，电流过大会烧毁器件，这种效应称为单粒子锁定效应。另外，带电粒子对航天器还会产生辐照损伤，高能质子和重离子既能产生电离作用，又能产生位移作用，这些作用会导致航天器上的各种材料、电子器件等性能变差，严重时会损坏。
微流星体 （ micrometeoroid） 通常是指直径在 1 mm 以下、质量在 1 mg 以下的固体颗粒，它们主要来源于彗星，少数来源于小行星。在太阳引力场作用下，微流星体围绕太阳沿椭圆轨道运行，具有较高的速度，一般在 3 ~90km/ s 之间，平均速度为 20km/ s。 天然微流星一般分零星微流星（背景流星）和雨流微流星（流星群），其质量范围为 1 ~ 1 × 10 -6 g, 平均密度约为 0.5 g / cm 3 。
由于微流星速度很高，当它与航天器相撞时，能够释放出巨大的能量，对航天器有很大危害。质量小的微流星体主要对航天器表面起沙蚀作用，影响光学表面、太阳能电池板的透光性能，造成表面热控涂层特性破坏，引起表面材料的溶化和汽化等。质量较大的微流星体由于其能量大，还能使卫星表面产生裂痕或穿透壳壁。微流星高速撞击航天器的具体危害表现如下：加压舱、燃料舱和散热器等的穿孔、破裂或漏气；窗、光学表面和热平衡镜层被打出单坑或打破；热防护效能减退；天线系统、推力喷嘴和导线被破坏等。
等离子体是由带电粒子（也包括部分中性粒子）在电磁力作用下表现出集体行为的一种准中性物质，被称为物质的第四态。日地空间等离子体主要由太阳风等离子体、磁层等离子体、电离层等离子体三部分组成，它们是太阳辐射、粒子辐射与地球磁场、地球高层残余大气相互作用的复杂结果。
空间等离子体对航天器影响较大的是磁层亚暴时的等离子体和近地轨道等离子体。在磁层亚暴时，高能等离子体注入地球同步轨道，能使航天器表面被充电到上万伏的电位。当出现不等量带电时，会产生放电现象，强电弧和电磁脉冲 （ electro magnetic pulse, EMP） 严重危害航天器上仪器正常工作。近地轨道等离子体对航天器影响主要有对航天器表面的充电效应、对航天器内部的充电效应、对高压太阳电池阵的漏电影响、对高压电池阵的弧光放电以及对卫星通信系统的影响。此外，电离层等离子体还会造成在轨航天器电阻力增加或大型无线电增益下降等不良影响。
空间磁场环境包括地球磁场和星际磁场，对航天器来说空间磁场一般主要指地球磁场。从地球地心至磁层边界空间范围的磁场为地磁场，是地球磁场的总称。地磁场包括基本磁场（主磁场）和变化磁场两部分。基本磁场可分为偶极子磁场、非偶极子磁场和地磁异常三个组成部分。偶极子磁场是地磁场的基本成分，约占地磁场 90%, 起源于地核磁流体发电过程和地壳中的磁性岩石，它有稳定的空间结构和缓慢的长期变化。非偶极子磁场主要分布在亚洲东部、非洲西部、南大西洋和南印度洋等几个辽阔地域，平均强度约占地磁场的 10%, 场源在地球内部何处目前还有争议。地磁异常又分为区域异常和局部异常，由地壳内具有磁性的岩石和矿体等所形成。变化磁场起源于磁层、电离层的各种电流体系、粒子流和等离子体流及其地球内部的感应电流，它的强度虽然只有地磁场的百分之几，但这部分磁场随时间变化大，对航天器的工作状态有直接的影响。
空间磁场环境对航天器的影响是长期的、潜在的、累积的过程。航天器在轨运行期间，空间磁场环境对其主要会带来如下影响 :① 影响航天器的轨道姿态，通常航天器由于结构和性能的需要会使用一些永磁材料和感磁材料，故航天器总会有一定的剩磁矩，同时航天器上仪器内和仪器之间连线中的电流也会产生磁矩，轨道上航天器的磁矩和空间磁场相互作用会产生干扰力矩 ;② 影响航天器上磁性仪器的测试精度，有些航天器上带有用来探测空间磁场的高精度磁性探测器，为估计仪器采集数据的精度，探测器必须处于很低的磁场环境中，否则所测磁场在时间和空间上的变化会被航天器本身的磁场所淹没。
空间轨道上航天器上的重力加速度值为 10 -3 ~ 10 -6 g, 这种环境称为微重力环境。在微重力条件下，主要有以下物理现象 :① 自然对流基本消除，由液体表面处热梯度和成分梯度引起的马兰戈尼 （ Marangoni） 对流成为主要因素，扩散过程成为传递的主要过程 ;② 液体中由于物质密度不同引起的沉浮和分层现象消失 ;③ 二次作用力成为主要因素，液体因表面张力所束缚，使浸润现象和毛细现象加剧 ;④ 液体静压力消失。
微重力对航天器的影响主要有对接与分离、太阳电池阵与天线展开、航天员的生理功能等。同时，微重力环境是一种很有价值的空间资源，是发展空间产业的重要环境条件。
原子氧是太阳辐照中紫外光与氧分子相互作用并使其分解形成的，在低地球轨道中原子氧的密度为 10 9 个 / cm 3 ，温度一般为 1 000 ~ 1 500 K。 在太空 200 ~1 000km 的轨道高度内，原子氧是大气中含量最多的成分，大约占 80%, 特别是 300~ 500km 高度范围内，原子氧占有绝对优势。由于航天器的轨道速度为 8 km/ s, 相对于航天器的高速碰撞，原子氧的动能约为 5 eV, 通量为 1 ×10 15 个 / cm - 2 s - 1 ，使其具有极强的氧化能力。
原子氧主要是通过剥能和辉光放电与材料相互作用的。当原子氧与航天器材料表面发生反应时，可使其氧化形成氧化物，同时导致材料放气加快，质量损失率增加，机械强度下降，光学和电性能改变等。空间原子氧环境还可造成航天器结构材料的剥蚀老化，剥蚀的材料会成为航天器的一种污染源。温控涂层和光学涂层的光学性能对原子氧的作用最为敏感，可使涂层的太阳吸收率变化，使一些材料的镜面反射率减小甚至完全消失，表面电导率降低等。此外，原子氧与紫外辐照组合环境的效应还会加速对材料的剥蚀作用。
高层大气是航天器活动的重要场所，在一定程度上影响着航天器的轨道和寿命。大气密度随轨道高度的升高而降低，虽然在 200km 的高空，真空度为 1 × 10 -4 Pa, 密度只有 3 × 10 -5 g / m 3 左右，大气已相当稀薄，但其对航天器的阻尼效应仍不能忽视。大气对航天器作用力的大小与大气密度成正比。在高轨道上运行的航天器，遇到的大气稀薄，阻尼小，轨道寿命较长，在轨道高度 800km 以上的航天器，寿命在几十年以上。在低轨道上运行的航天器遇到的大气密度较稠密，受到的阻力大，寿命短，高度在 200km 左右的航天器寿命只有几天到几十天。同时大气稀薄时，大气分子导热和对流实际上对航天器的热平衡不起作用，因此，航天器的温度远远低于大气分子温度，其温度基本上取决于航天器本身的温控方式和辐射热交换。