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人类的航天活动总是在特定的太空环境中开展的，也就必然会受到复杂的太空环境的影响。广义的太空环境可以理解为地球大气层以外广阔宇宙空间中的一切物理环境的总和，同时随着太空竞争的加剧，在开展太空活动时也要充分考虑国际太空规则的约束。
太空，也称为空间（Space）或外层空间（Outer Space），简称天，是指地球稠密大气层以外的广阔宇宙空间，在航天领域一般定义为距离地面100km以上的空间，这一高度也被称为“卡门线”。按照太空的范围尺度，可以将太空划分为近地空间、地月空间、太阳系天体系统及银河系与星际空间等。
我们居住的地球是太阳系八大行星之一，也是太阳系中直径、质量和密度最大的类地行星，距离太阳1.5亿千米，现有40亿～46亿岁。地球存在着引力场和磁场，地球被大气层包围着，来自太阳的电磁辐射和携带太阳磁场的太阳风与地球磁场和地球大气相互作用，形成了由磁层、电离层和高层大气组成的相对稳定又紧密耦合的复杂系统。这一系统所在的空间我们视之为近地空间或地球空间，其外围即地球磁层顶，在日地连线向阳一侧，距离地心约为10个地球半径，即约65000km。其基本特点是高真空、微重力、强辐射、高温差等。
地球是一个形状复杂的不规则椭球体，物理表面极不规则，陆地约占地球表面的30%，地球上最高峰是珠穆朗玛峰，高度为8848.86m；海洋约占地球表面的70%，最深的海沟是太平洋的马里亚纳海沟，深度为11022m。所以地球的物理表面实际上是不能用数学方法来准确描述的。根据研究工作的不同需要，可以采用以下四种地球形状近似模型。
在大地测量中，常用大地水准面来表示地球近似的形状。这是一个假想的表面，它是占地球表面70%的海洋表面延伸穿过陆地得到的地球表面。大地水准面是重力作用下的等位面，它是不规则的，南半球和北半球也不对称，北极略凸起，南极略扁平，很像梨子的形状。大地水准面又称为全球静止海平面，是一个理想的表面，与地球的真实形状很接近。
地球形状的一级近似是均质圆球，即地球各处密度均匀的球体，其体积等于地球的体积，圆球体的半径为6371.004km。在研究卫星运动时，首先研究卫星在地球中心引力场中的运动规律，这就是卫星-地球二体问题，它是研究卫星在地球引力场中运动的基础。
地球形状的二级近似是旋转椭球体，它比球体更接近于地球的真实形状。旋转椭球体是由一个椭圆绕其短轴旋转而得到的。其参数按照以下条件来确定：
（1）椭球体中心与地球质心重合，且其赤道平面与地球赤道平面重合。
（2）椭球体的体积与大地水准面模型的体积相等。
（3）椭球的表面与大地水准面的表面的高度偏差的平方和最小。
按照上述参数确定的椭球体称为总椭球体，其与大地水准面的最大偏差为几十米。1976年，国际天文学联合会天文常数系统中确定的地球赤道半径为6378.140km、扁率为1/298.257，地心引力常数 μ = GM =398600 . 5km 3 /s 2 （其中， G 为万有引力常数， M 为地球质量）。一个多世纪以来，世界各国先后推算出几十个地球椭球参数，表2.1列出了世界主要卫星导航系统所使用的地球椭球参数。
表2.1 主要卫星导航系统所使用的地球椭球参数
地球形状的三级近似是三轴椭球体。通过对地球形状的进一步研究发现，地球的形状并不是旋转椭球，而是接近三轴椭球，即赤道的形状不是圆而是椭圆，南北半球对称。根据测量，地球赤道椭圆半长轴为6378.351km，半短轴为6378.139km，赤道扁率为1/30000。长轴方向在西经35 ◦ 附近。在这种假设情况下，地球引力位函数与时间有关。
地球作为太阳系八大行星之一，其运动既有绕太阳的公转，又有绕自身地轴的自转。地球绕太阳公转的轨道是一个偏心率为0.0167的椭圆，近日点距离约为1 . 471×10 8 km，远日点距离约为1 . 521×10 8 km。地球公转的平均速度为29.79km/s，公转周期为365d6h9min10s（恒星年）。地球公转的轨道面称为黄道面，它与地球赤道面的夹角称为黄赤交角，约为23 ◦ 26 ′ 。黄赤交角的存在造成了地球上的四季交替。
地球的自转是绕地轴进行的，地轴与地球表面相交于两点，即北极和南极。地球自转方向为自西向东，从北极看为逆时针方向旋转，旋转角速度矢量与地轴重合，指向北极。20世纪以来，由于天文学的发展，人们认识到地球的自转速度是不均匀的，这种不均匀表现在：自转速度不均匀、地球自转轴在空间方向的变化及地球自转轴在地球表面上位置的变化。
地球自转周期约为23小时56分4秒。地球自转速度不均匀主要体现在如下三个方面。
（1）长期变化。地球自转速度逐渐变慢，每百年日长增加1.6ms。人们通过研究发现，距今3.7亿年前，每年约有400天。引起地球自转长期变慢的主要原因可能是潮汐摩擦。
（2）季节变化。地球自转速度除了春季较慢、秋季较快的周年变化外，还有半年周期变化。周年变化的幅值为20～25ms，主要是由风的季节性变化引起的，半年变化幅值约为9ms，主要是由太阳潮汐引起的。
（3）不规则变化。这种变化表现为地球自转速度时快时慢。
这三种变化各有特点，长期变化在短时间内不明显，只有长期积累才有影响；季节变化很大，但是每年的变化规律都很稳定，可以用经验公式外推进行预报；不规则变化较大，且不能预计。
地球自转轴在空间的变化类似于一个旋转陀螺在外力作用下的进动和章动。地球自转轴在空间不断进动，是由月球和太阳对地球赤道隆起部分的摄动引起的。这种运动可以分成两个部分：一部分是日月岁差，可视为赤道平均极绕黄极的进动；另一部分是章动，是赤道真极绕平均极的周期运动。此外，由于行星对地球的摄动，使得黄道面绕瞬时转动轴旋转，黄道面的这种运动称为行星岁差。日月岁差对地球自转轴的影响较大，它使春分点每年向西移动57 . 37 ′′ ；行星岁差的影响很小，但使得春分点在黄道上东进。
由于地轴的进动，天极在天球上以黄极为圆心、以黄赤交角为半径的小圆上运动，周期约为26000年。章动是叠加在进动上的微小的不规则运动，振幅为9 . 2 ′′ ，周期为18.6年。图2.1显示了地球自转轴运动对天极及春分点的影响。
图2.1 地球自转轴指向在空间的运动
地球自转轴与地球表面的两个交点即南北两极。地球自转轴在地球内部的移动称为极移，它造成了两极位置的变化。极移主要包含两个分量：一个分量以420天为周期，称为张德勒周期，这种极移成分是非刚性地球的自由摆动；另一个分量以一年为周期，称为周年周期，这种极移成分主要是由于大气作用引起的受迫摆动。地球极移的范围不超过±0 . 4 ′′ 。极移使得地面上各点的纬度和经度发生了变化。
地球是近地空间的中心引力体，其引力场分布决定了绕地球运动的航天器的基本运动规律。由于地球形状不规则、密度分布不均匀及自转运动不规则，导致地球引力场在空间分布不规则，这将对航天器的轨道运动产生极大的影响。在地球固连坐标系中，质点所承受的地球引力加速度可以表示为
a ( r )=grad V ( r )
式中， r = r （ X，Y，Z ）为质点的地心位置矢量； V （ r ）为地球引力场位函数，其形式为
式中， μ E 为地心引力常数； a E 为地球椭球的长半轴； P n （·）为勒让德多项式； λ 和 φ 为计算点的经度和纬度； r 为矢径长度； J n 、 C nk 、 S nk 为谐系数。
式（2.1）中，与经度无关的项（ J n ）将地球描述成许多凸凹相间的带形，如图2.2（a）所示，称为带谐项，其对应的系数称为带谐系数；一部分与经度有关的项（ C nk 、 S nk ， n /= k ）将地球描述为凸凹相间的棋盘图形，如图2.2（b）所示，称为田谐项，其对应的系数称为田谐系数；另一部分与经度有关的项（ C nk 、 S nk ， n = k ）将地球描述成凸凹相间的扇形，如图2.2（c）所示，称为扇谐项，其对应的系数称为扇谐系数。
图2.2 地球引力位函数各种谐系数
在地球引力作用下和地球磁场的保护下，大量气体聚集在地球周围，形成数千千米高的大气层，气体密度随海拔高度的增加而变得越来越稀薄。地球大气的气体主要集中在0～50km的高度范围之内，约占地球大气总量的99.9%，而在高度大于100km的空间仅占0.0001%左右。整个大气层随高度不同表现出不同的特点，可划分为对流层、平流层、中间层、热层和外逸层，大部分流星体及陨落的航天器都会在中间层被烧毁。大气层最外层的热层一直向外延伸到星际空间，在这一层由于密度很小，气体之间的相互碰撞可以忽略，离子的运动轨迹基本为只受地球引力作用的轨道运动轨迹。地球高层大气温度受太阳活动的影响很大，主要表现在以下几方面。
（1）太阳活动周变化。太阳是决定地球高层大气性质的最主要的因素，当太阳紫外辐射和X射线的强度发生剧烈变化时，高层大气的温度和密度也随之发生剧烈的变化，且高度越高，差别越大，在200km的高度上可相差3～4倍，在高于500km的高度上可相差20～30倍，在1000km高度上可相差至100倍。
（2）季节变化。地球每年两次经过太阳赤道面，使得高层大气存在明显的半年变化。
（3）昼夜变化。在200km以下，大气的温度和密度昼夜变化不明显，随着高度增加昼夜变化明显加强，一般情况下，大气密度的极大值出现在地方时14点，极小值出现在地方时4点。
在太阳紫外线的作用下，高度为60～1000km的大气成分开始电离，形成大量的正、负离子和自由电子，所以这一层叫作电离层。这一层对于无线电波的传播有着重要的作用，对航天活动有较大的影响。电离层按照不同性质通常可分为一系列的层和区。电离层D层主要由太阳的强电磁辐射和高能粒子沉降产生，主要出现在白天，高度为60～90km。E层受太阳辐射、高能粒子沉降和等离子体输运过程控制，高度一般为90～140km。F层受太阳辐射、扩散、地磁场等作用控制，在白天分裂为F1层和F2层，其中F1层的高度一般为140～210km, F2层的高度为250～400km。F2层存在一个最大电子密度，在最大电子密度以上至数千千米的区域统称为顶部电离层。
地球附近空间充满着磁场，在几百千米到几个地球半径高度的空间。如图2.3所示，地球磁场呈现为偶极子磁场，磁南极大致指向地理北极附近，磁北极大致指向地理南极附近，磁极与地理极不完全重合，存在磁偏角。磁力线分布特点是赤道附近磁场的方向是水平的，两极附近则与地表垂直。赤道处磁场最弱，两极磁场最强。
图2.3 地球磁场分布示意图
地球磁层是指电离层以上受磁场控制的广大稀薄等离子体区域，它的外边界称为磁层顶。受到太阳风影响，整个地磁场的分布呈现朝向太阳的一面压缩、背向太阳的一面拉长的形状，磁层顶在向阳面日地连线上距离地球最近，约为10个地球半径，在背阳面则近似为圆柱体，磁尾可延伸至1000个地球半径之和的空间，如图2.4所示。
图2.4 地球磁层结构示意图
南半球有一大块区域的磁场强度比世界其他地区弱了30%～50%，弱化的速度也比其他地区快了10倍，被称为南大西洋异常区，又称南大西洋辐射异常区。它的中心在南美洲与非洲之间的大西洋，范围涵盖了南美洲西南端、非洲南端及两者之间的大西洋南部。南大西洋异常区的磁场甚至出现磁场翻转，产生一个局部朝南的磁北极。南大西洋异常区不只磁场减弱，范围也在逐渐扩大，而且其中心每年向西移动0.3 ◦ 。美国NASA的科学家甚至预测，如果南大西洋异常区以当前速度继续扩大，到2240年，将会涵盖半个南半球。有科学家认为，南大西洋异常区的种种现象表明地球的磁极“即将”翻转。实际上，地球磁场正在不断减弱，从历史数据来看，150年间地球磁场降低了15%，同时，磁极以每年40km的速度在移动。这一切似乎都在表明地球磁场正在翻转。地球漫长的历史上实际上也的确多次出现磁场翻转的现象。
地球磁层与大气层形成了一个有机的结构整体，像两把保护伞，每天为我们“遮风挡雨”，一起阻挡来自太阳的粒子流和有害射线，使它们无法到达地表空间。正是由于磁场和大气层的双重保护，地面上的人类和其他生物才免受辐射伤害。
地月空间主要指地球至月球之间的太空范围，可细分为地球空间、月球空间及地月转移空间，主要的天体包括地球、月球、近地小天体及微流星等。由于月球运动会受到太阳引力影响，地月空间环境也会受到太阳风、太阳磁暴等影响，因此在考虑地月空间物理特性及轨道运动时，需要将太阳也纳入地月空间天体范围中。
月球距离地球约380000km，是地球唯一的天然卫星，也是太阳系第五大卫星，可能形成于约45亿年前。月球绕地球公转的轨道面称为白道面，白道面与黄道面并不重合，它们之间的夹角约为5.14 ◦ 。地球对月球的运动和质量分布有着巨大的影响：由于地球对月球的引力梯度作用，月球的自转与其绕地球的公转周期相等，均为27.32天，因此月球始终以同一面朝向地球；由于地球的潮汐力作用，月球质心与月球形心并不重合，且靠近于地球一侧。月球与太阳的大小比例与距离的比例相近，使得它的视大小与太阳几乎相同，在日食时月球可以完全遮蔽太阳而形成日全食。
随着工业化、信息化和全球化浪潮的不断发展，作为人类文明摇篮的地球不堪重负，人类对发展地球空间的竞争已经到了空前的境地。月球是太阳系中距离地球最近的天体，也是当代航天技术可以有效构建运输体系的地外资源聚集区。地月空间是继陆地和海洋之后，人类生存空间拓展的又一广阔领域。地月空间具有丰富的可利用的资源和应用价值，月球上特有的矿产和能源，是对地球资源的重要补充和储备；月球以及地月拉格朗日点可以作为人类进一步探测宇宙空间的综合服务站和中转站。地月空间的建设与开发可以为人类在地球上形成的巨大过剩产能提供释放空间，从而推动人类文明的发展进入一个全新的阶段。在可以预见的未来，地月空间将成为航天强国竞争的重点区域。我国科学家提出在21世纪中叶建成地月空间经济区的构想（见图2.5），以充分探索、开发及利用地月空间资源，促进我国经济、社会、科技、民生的发展，推动人类社会文明的进步。
图2.5 地月空间经济区概念图
太阳系是指被太阳引力约束在一起的天体系统，包括太阳、行星及其卫星、矮行星、小行星、彗星及行星际物质。太阳系位于银河系猎户座旋臂上，距离银河系中心约30000光年，绕银河系中心公转周期约2 . 5×10 8 年。
太阳是太阳系的中心天体，占据太阳系总质量的99.86%。太阳和其他天体一样围绕自己的轴心自西向东自转，但表面不同纬度处的自转速度不同。在赤道处，太阳自转一周需要25.4天，而在纬度40 ◦ 处需要27.2天，到了两极地区则需要35天左右。这种自转方式被称为“较差自转”。
太阳是一个巨大的圆球，其半径约70万千米，是地球半径的109倍，大约相当于地月往返距离，太阳的体积约为地球的130万倍。太阳与地球之间的距离大约为1.5亿千米，速度为3600km/h的高速飞机若昼夜不停地从地球飞到太阳大约需要4.75年，即使以第二宇宙速度（11.2km/s）飞行的火箭，从地球飞到太阳，也需要154天，而太阳光从太阳表面到达地球大约需要8min。根据物理性质的不同，太阳内部可以分为若干层次，如图2.6所示。人们肉眼能够看到的发光圆球只不过是太阳的一个圈层——光球层，它有一个非常清晰的边界，太阳直径就是以这个边界来定义的。光球层的厚度大约只有500km，可见光波段的太阳电磁辐射几乎全部是由光球层发射出来的，这也是被称为“光球”的原因。光球层的压力和密度都很小，气体压力大约只有地球大气压的1/10，粒子密度也只有地球海平面大气密度的1%，然而它却像一堵墙一样挡住了太阳内部辐射的外流，使人们看不到太阳内部的样貌。光球层以内是太阳的内部，由里到外依次为日核、辐射层和对流层；光球层以外是色球层和日冕层，它们与光球层统称为太阳大气。太阳内部几乎集中了太阳的全部物质，其中日核是太阳唯一的热能产生区，在这里由核聚变反应产生的巨大能量分别以辐射和对流的方式穿过辐射层和对流层向外传递。
图2.6 太阳的分层结构
太阳系有八大行星，如图2.7所示，按照与太阳之间的距离由近到远分别为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星及海王星。在火星轨道与木星轨道之间存在一个小行星密集的区域，称为小行星带。八大行星中，由于水星和金星的绕日运行轨道在地球运行轨道以内，因此称水星和金星为内行星，而其他行星位于地球运行轨道以外，则称它们为外行星。根据行星结构的不同，太阳系行星又可以分为类地行星和类木行星两大类。水星、金星、火星与地球相类似，以硅酸盐石作为主要成分，因此和地球一起称为类地行星；以木星为代表的类木行星则不以岩石或其他固体为主要成分，这些行星体积巨大，因此又称为气态巨行星，包括木星、土星、天王星和海王星。除水星、金星外，太阳系其他各行星均有围绕自己公转的卫星。
图2.7 太阳系行星示意图
小行星带分布在火星轨道和木星轨道之间，距离太阳2 . 3～3 . 3AU（AU为天文单位，指的是地球到太阳的距离），被认为是受到木星的引力干扰而不能凝聚成形的失败的行星，是太阳系形成时遗留下的物质。小行星带可能包含数百万颗直径超过1km的小天体，但其总质量不会超过地球质量的千分之一，因此小行星带是非常空旷的，探测器可以安全飞跃。除小行星带上的小天体外，根据轨道和位置的不同，内太阳系中还有很多不同类型的小行星。例如，轨道穿越地球公转轨道、近日点小于1AU的阿波罗型小行星；轨道完全在地球轨道以内的阿登型小行星；轨道穿过火星轨道，但不穿过地球轨道，近日点稍大于1AU的阿莫尔型小行星；位于太阳与巨行星拉格朗日 L 4 点与 L 5 点上的特洛伊型小行星等。
行星际空间一般指太阳大气向外延伸所及的范围，从日冕层一直延伸到太阳系的边缘，即日球层顶。行星际空间占据了太阳系内绝大部分空间，其外边缘到达太阳中心的距离超过了100AU。行星际空间的边缘是太阳风受到星际介质阻挡而停止的地方，此时太阳风的强度不足以推挤开来自周围恒星的恒星风。
行星际空间并非真空，其中的主要物质包括太阳风及太阳和其他天体所辐射出来的电磁波等。太阳风是从太阳日冕层吹出来的等离子体，其主要成分是电子和质子，还有少量以氦离子为主的重离子。这些等离子体首先快速逃离太阳，之后基本匀速运动在行星际空间，最后与星际介质相互作用，到达日球层顶。这些等离子体具有很高的电导率，它们携带着太阳磁场一起吹向行星际空间，形成了行星际磁场。
银河系是太阳系所在的棒旋星系，其中包含的恒星数量为1000亿～4000亿颗，总质量大约是太阳质量的1.5万亿倍。银河系所属的星系群称为本星系群，是一个典型的星系团，包含了约40个星系，其中银河系和仙女星系是最大的两个。由若干个星系团聚在一起形成的更高一级的天体系统是超星系团，又称二级星系团，本星系群所在的超星系团为本超星系团。
整个宇宙空间是由各种形状不同的星系和各类星云构成的，它们均由几十亿至几千亿颗恒星、星际气体和尘埃物质组成。当前人类能够观测到的最远天体距离地球约200亿光年，这也是人类能够“看”到的宇宙的大小，但这并非宇宙的边界。
在近地空间复杂的太空物理环境中，主要的环境包括真空环境、中性大气环境、辐射环境、等离子体环境及碎片与微流星体环境等。近地太空环境的各种要素都会对航天器造成各种不利的影响，如果不能有效地预见这种作用的潜在危害，可能会严重影响航天器执行任务的效果，甚至造成致命故障。太空环境对航天器的影响表现为一种综合效应。一个环境因素对航天器可能会产生多方面的影响，其中单粒子效应、总剂量效应及充放电效应是影响航天器安全的三大太空环境效应。
100km高空处的大气压力比海平面压力低6个数量级，可以认为此时的太空环境几乎没有空气，也几乎没有压强。要使航天器能在类真空状态下运行，对材料的使用和热控有诸多限制。
当材料暴露在真空环境中时，许多物质会由于真空出气导致质量减少，出气物质会污染表面材料从而改变设备的热学或光学性质。在真空环境中，无法通过气体的对流来进行传热，因此航天器只能利用传导或辐射来为自身降温。
材料在太空真空环境中时，由于液体的蒸发、固体的升华及有机聚合物材料在制造过程中添加的催化剂、抗氧化剂、增塑剂、增黏剂等的挥发，导致材料质量损失，引起材料成分产生变化，材料可能硬化、脆化和龟裂，造成防护层分层、破裂等现象。另外，由于材料的质量损失和出气，其挥发物将会污染航天器上的敏感表面，如光学镜头、热控涂层、继电器触点等，使其功能降低甚至失效。
由于存在出气过程，航天器自身也会成为一种污染源。实验结果表明，如果出气分子撞击物体表面，大多数情况下不会发生弹射或散射，而是附着于物体表面，并形成热平衡状态。除非污染物分子获得了足以摆脱物体表面电子吸引力的能量，否则将一直附着在物体表面，这一过程遵循量子力学的随机概率理论。如果单位时间内附着物体表面的污染物数量大于脱离物体表面的污染物数量，污染物就会累积起来，在物体表面形成污染层。
物体表面附着的污染物薄层会改变其对太阳能的吸收率，从而影响热控材料的性能。还要注意，光学设备或太阳能电池阵上可能会形成污染物。光学设备如镜头、平面镜或焦平面阵列上所沉积的污染物薄层会使探测器的信噪比降低，并因吸收来自探测目标的光线而使探测器的动态范围受到限制，甚至导致传感器彻底丧失功能。
150km高空处，气压将降低到只有约0 . 7×10 -3 Pa。研究表明，当气压降至10 -3 Pa以下时，气体的传导和对流传热便可忽略不计。这是因为太空中气体极为稀薄，在单位时间内碰撞到物体的气体分子寥寥无几，远远不足以对航天器进行加热。因此，航天器与太空环境之间的热传递几乎完全以辐射形式进行。航天器的温度在白天和黑夜有着明显的差异，而且白天航天器表面受暴晒与否，其温度差异也很大。
在轨航天器的表面会完全暴露在太阳紫外线之下，紫外线中的单个光子所具有的能量，足以使许多物质的有机化学键断裂，从而导致物理性质发生改变。一般来讲，可以把物质分为两类：一类是“太空稳定性”物质，在太空环境中，其性能基本不会发生变化；另一类是“太空非稳定性”物质，可能会对一系列影响因素比较敏感。实验表明，在航天器使用寿命内，由于紫外线的影响，很多材料的太阳能吸收率会变化0.01或更大。
当航天器处于超高真空环境时，航天器运动部件的表面处于原子清洁状态，无污染。而清洁、无污染的金属接触面间原子键结合造成的黏结现象会使活动部件驱动力矩增大，甚至可能发生接触面黏着或焊死，这就是真空黏着与冷焊现象。
如表2.2所示，航天器设计人员在研制航天器时，可以利用各种各样的方法来避免或降低真空环境的影响。首先，可以选择合适的材料，如选择真空出气概率较小的物质作为航天器材料，这对飞行任务成功与否具有举足轻重的作用；其次，在设计时必须考虑自身产生污染的可能性，并采取有效措施把这种可能性降到最低，如航天器的通风口或推进器不要直接对着敏感物体的表面，以降低直接污染的可能性。热控分系统应该有足够的余量来应付飞行任务寿命期内可能出现的性能降低这一问题，还要考虑对低温表面进行周期性加热的可能性，来清除沉积的污染物。如果以上措施还不能达到理想的效果，就必须在地面上对许多材料进行预先热处理，以加快它的出气速度，从而减少这种材料在太空轨道上发生出气的概率。与此相似，也可以在航天器在轨道飞行的最初几天，让敏感的光学设备处于高温和热隔离状态，就可以在出气过程中尽量减少污染。
表2.2 真空环境效应防护
高层大气环境通常指近地轨道空间100～1000km高度范围的大气环境，其成分主要是中性的分子和原子，因此也称为中性大气环境。空气中的氧气在太阳紫外辐射的作用下形成的原子氧，是低地球轨道影响航天器的主要环境因素之一。
尽管近地轨道上的气体十分稀薄，根本无法维持人类的生命活动，但它却足以对轨道上以7km/s速度飞行的航天器造成重大影响：高速运动的原子对航天器的撞击会增加气动阻力，产生表面溅射效应；原子氧可以通过化学反应腐蚀物体表面，或增强物体的可见光强度，干扰遥感、遥测。
航天器在大气阻力作用下，飞行高度会不断下降，要使它在规定高度上保持正常飞行，就需要不断给予推力，使它抬升高度；轨道高度越低，大气密度越大，阻力也就越大，所需的助推燃料也越多。对于低轨道飞行器而言，由于其飞行高度较低，因此轨道受大气影响更为严重。当航天器在低于100km的高度飞行时，其飞行高度会迅速下降，飞行时间将小于几天；对于轨道高度介于100～600km的航天器而言，由于所受大气阻力减小，因此在轨运行时间增长，从几天到几年不等，这主要由其携带的推进剂总量来决定；对于轨道高度在600km以上的航天器而言，阻力影响可忽略不计，航天器可实现长期在轨运行。因此，在航天器飞行前，必须计算大气阻力，进行轨道预报，根据任务时间确定最佳携带燃料量。尤其是载人飞行器，在一次飞行任务中，往往需要多次变轨，以完成交会、对接、返回等任务，因而对载人飞船轨道预报的要求比对一般飞行器轨道预报的要求更高。
原子氧是中高层大气的主要成分，主要是由太阳紫外线分解氧分子而产生的，其密度并不高，且随着高度、轨道倾角、太阳活动周期及季节等的变化而变化。但当航天器以7～8km/s的速度飞行时，航天器表面材料与其发生一系列的化学作用，使这些材料氧化、腐蚀，使材料的性能退化。原子氧对航天器的影响包括如下几个方面：一是造成航天器结构材料的剥蚀和老化；二是对航天器温控材料的损耗；三是对太阳电池连接件的损耗；四是对遥感探测器或其他光学材料的污染和侵蚀。太阳紫外辐射、微流星撞击损伤、溅射或污染会加速原子氧损伤效应，导致某些材料的机械性能、光学性能、热学性能严重退化。
中性分子对在轨道上运行的航天器所产生的能量是不可忽略的，当表面原子之间的化学键能小于碰撞能量时，每一次碰撞都有可能使物体表面原子的化学键断裂，从而造成对航天器表面的腐蚀，这一过程称为溅射。发生物理溅射的必要条件是碰撞能量大于某一个阈值，而大多数物质发生溅射过程的能量阈值都要高于平均的碰撞能量。因此，只有长期飞行的航天器，比如寿命长达30年的空间站，材料的溅射才可能成为决定航天器运行寿命的重要因素。
许多航天器都在接近最外部的表面处出现过光辐射导致的辉光现象。许多航天器都携带光学设备，航天器自身的辉光现象可能会降低这些光学设备的观测能力。人们目前还无法很好地解释辉光过程的物理机理，但可以肯定的是，它与中性大气层有直接的关系，是航天器部分表面与原子氧的相互反应在大气中引起的可见光辐射。
如表2.3所示，为了避免或降低中性大气环境效应的影响，设计者可以采取多种不同的方法。决定气动阻力大小的是轨道所处大气层的密度及航天器的形状和尺寸。然而除极少数的情况外，禁止用提高航天器运行高度的办法来减少阻力，其原因是，提高轨道的高度会影响有效载荷的工作性能，增加发射费用。此外，一般不建议设计气动表面光滑的航天器，因为航天器的整流罩对航天器的体积有所限制。因此，减少空气阻力最常用的方法，是调整航天器的飞行方向，让它在气流中的迎风面积最小。在较低轨道上，通常让太阳能电池阵与迎风面形成某个角度以减少阻力，这时候的太阳能电池阵只要能够向航天器提供足够的电能即可。
表2.3 中性大气环境效应防护
选择合适的航天器材料可以控制溅射现象的出现。可以调整航天器敏感表面的指向，让其远离迎风面，或者使用防护外罩，来减少原子氧对航天器的撞击。为了避免辉光现象的出现，需要尽量把遥感设备对准航天器的尾迹，或者远离可能出现辉光现象的物体表面。当然，如果有选择余地，且辉光现象成为不可避免的问题，那么可以选择适当的材料来降低辉光强度。
辐射环境主要是指航天器在轨道上遭遇的各种能量的粒子辐射环境。航天器在轨运行期间，不可避免地受到辐射环境的影响，引起航天器材料及器件的功能及性能改变。
近地空间辐射环境包括天然粒子辐射环境和人工粒子辐射环境。天然粒子辐射环境主要成分为电子和质子，还包括少量的重离子。重离子具有能谱宽、强度大的特点，主要来源于地球辐射带、银河系宇宙射线以及太阳质子事件。人工辐射环境主要是高空核爆炸后所生成的核辐射环境。
地球辐射带又称范·艾伦辐射带，是指近地空间被地磁场捕获的高强度的带电粒子区域，是一个近似以地球磁轴为对称轴的“面包圈状”的高能粒子的高通量区。地球辐射带分为内外两个辐射带，在向阳面和背阳面各有一个区。其示意图如图2.8所示。
内辐射带中心位置约在1.5个地球半径处，范围限制于-40℃～40℃，东西半球的高度不对称，西半球的高度低于东半球。内辐射带粒子的主要成分为质子和电子，也有少量的重离子。内辐射带受地球磁场控制相对稳定，大部分粒子密度的瞬态变化是由太阳活动诱发大气密度变化引起的。地球磁场存在于南大西洋异常区，此处的辐射会特别强。外辐射带位于地球上空2～3倍于地球半径的高度，厚度约6000km，范围可延伸至磁纬50 ◦ ～60 ◦ 处。外辐射带的主要成分为电子和质子，还有少量的α粒子。外辐射带捕获电子的通量与太阳活动密切相关，电子通量随时间变化涨落较大，甚至在十几分钟内涨落可超过一个数量级。
图2.8 地球辐射带示意图
银河系宇宙射线（简称银河宇宙线）源自太阳系外源源不断的粒子群，粒子的数量密度为每平方厘米每秒几个粒子。银河系宇宙射线几乎包含了元素周期表中所有的元素粒子，主要由85%的质子、14%的α粒子（氦核）及1%的电子与重离子组成，其中还包含太阳系的高能粒子辐射，地磁场一般不足以使粒子偏转。银河系宇宙射线的流量大小与太阳活动成反比，即太阳活动高年时银河系宇宙射线的流量最小，而太阳活动低年时银河系宇宙射线的流量最大。另外，银河系宇宙射线的强度随着它与太阳的距离及黄道面的夹角的改变而改变。在地球极区，由于磁力线垂直于地球表面，因此少数宇宙射线粒子可沿磁力线沉降到磁层内；在地球极区以外，仅少量能量特别高的宇宙射线粒子能穿透地磁场的屏蔽进入磁层内；绝大部分宇宙射线粒子都被地球磁场所屏蔽，不会对地球轨道航天器造成威胁。
太阳质子事件是指太阳在日冕物质抛射期间放射出许多粒子束的现象。太阳会周期性地喷发大量的高能质子、α粒子及一些重核元素粒子，其中的主要成分是高能质子。太阳质子事件通常与太阳耀斑同时发生，并可能是太阳耀斑爆发开始的一个有效信号，但有的太阳质子事件仅仅是日冕物质抛射。太阳质子事件发生时释放的能量将使粒子加速，导致太阳产生磁流体动力学激波，并在行星际介质中传播。太阳质子事件所产生的辐射通量密度与太阳活动成正比，即太阳活动低年时辐射通量密度较低，太阳活动高年时粒子事件发生更频繁，辐射通量密度较高。太阳质子事件的发生时刻、大小、持续时间和成分，至今无法预测，一般持续数天到一周时间，峰值辐射将持续数小时。
在太空引爆核武器时，会形成敌对辐射环境。离爆炸地点较近的航天器，在爆炸后会立即受到辐射线的直接照射，即瞬时剂量辐射。大量的中子和 γ射线也会辐射航天器，航天器还会遭受到电磁脉冲的攻击，导致许多电子设备被烧毁。爆炸瞬时释放出来的能量，可以把电子从许多离子中剥离，生成大量的带电粒子。随后这些带电粒子被地磁场捕获，可能导致地球辐射带中的带电粒子的数量剧增。与瞬时剂量辐射不同的是，地球辐射带中的带电粒子数量的增加会影响地球另一端的航天器。20世纪60年代，美国进行的核爆炸试验，对地球辐射带的明显影响持续了两年，较明显的残余影响持续了至少10年。除了以上辐射环境，航天器自身携带的核装置也会产生辐射。
总剂量效应是指带电粒子入射到物体（吸收体）时，会把部分或全部能量转移给吸收体，带电粒子所损失的能量也就是吸收体所吸收的辐射总剂量。当吸收体是航天器电子元器件和功能材料时，它们将受到总剂量辐射损伤。总剂量效应将导致航天器上的各种电子元器件和功能材料性能漂移、功能衰退，甚至完全失效或损坏。太空中的带电粒子对航天器的总剂量辐射损伤主要通过以下方式来作用。
高能带电粒子入射到航天器电子元器件和材料中时，会发生电离作用。元器件和材料吸收电离作用传递的能量后，出现的性能衰退、参数漂移等现象，称为电离总剂量效应。航天器几乎所有电子元器件和材料都会遭受总剂量效应的影响。总剂量效应是一种累积效应，当累积剂量超过元器件或材料所能承受的最大剂量时，其性能就会失效，从而对航天器造成威胁。
在高能粒子与材料相互作用的过程中，除通过电离相互作用交换能量外，还可以通过非电离相互作用交换能量，即产生非电离能量损失。在高能粒子入射到材料中时，通过与原子发生弹性及非弹性碰撞，使原子脱离晶格的束缚，发生原子位移，由此使材料发生缺陷、产生性能变化的现象，称为位移损伤效应。
辐射的总剂量效应还可能引起航天器深层充电。高能带电粒子在航天器内部介质中沉积时，会产生电荷累积，形成内部电场。当所累积的内部电场超过介质的击穿阈值时，将发生静电放电。深层充电效应可能引起电磁脉冲干扰，从而造成逻辑电路翻转并形成伪信号，使卫星错误动作，造成电路击穿、局部材料损坏。
当太空高能带电粒子轰击到大规模、超大规模微电子器件时，会造成微电子器件的逻辑状态发生变化，从而使航天器发生异常和故障，这种现象称为单粒子效应。单粒子效应包括单粒子翻转、单粒子锁定、单粒子瞬态及单粒子烧毁等。单粒子效应是星载计算机中最常见的错误之一，在与太空环境相关的卫星异常中，由单粒子效应造成的异常达39%。它能够引起航天器数据错误、电路功能混乱、指令错误、计算机系统瘫痪，引发卫星故障异常，严重时会导致卫星失效。
高能粒子在通过路径上电离产生的电荷在内部电场的作用下被收集，当聚集的电荷达到一定阈值时，器件的电状态发生不期望的翻转，例如，使原来记忆单元的0或1状态翻转。这种错误不是永久性的，也称为软错误。虽然不产生硬件损伤，但它会导致控制系统逻辑状态混乱，产生错误数据或者错误指令，从而可能对航天器产生灾难性后果。单粒子翻转的发生概率远大于总剂量效应和单粒子锁定。
单粒子锁定主要针对的是CMOS器件。当高能带电粒子轰击CMOS器件，在其内部电离出足够的电荷时，会使CMOS电路中的可控硅结构被触发导通，由此在电源与地之间形成低电阻大电流通路的现象。长时间锁定电流会烧毁器件，造成器件永久失效。
单粒子瞬态主要发生于模拟或数字器件中，单个高能粒子轰击模拟或数字器件灵敏区时产生的电子空穴对，使器件输出电压受到瞬时脉冲干扰。
单粒子烧毁主要发生于功率器件，单个高能粒子入射时会产生电子空穴对。在电场的作用下，电子空穴对迅速分离，并分别沿着电力线向相反方向运动，极易产生电子空穴的雪崩效应。雪崩效应一旦形成，将使器件从正常工作状态触发到高电流状态，导致发热，最终使器件烧毁。
由于物质受到辐射作用影响会产生许多现象，因此，要使航天器的设计方案可行，就必须对它们的器件和材料进行辐射性试验，这也是一项重要的设计内容。对电子器件的试验可得到的重要参数包括：总剂量效应、锁定阈值、翻转阈值、单粒子翻转及中子损伤效应。
设计人员可以有多种途径保障航天器具有抵抗辐射的能力，如表2.4所示。对于航天器部件而言，关键是所选择的材料对辐射作用有足够的冗余度。安全系数达到5的部件可以放心使用，安全系数介于2～5的部件需要进行额外的辐射考核试验，或对其进行跟踪观测，要尽可能地避免使用安全系数小于2的部件。要避免出现单粒子翻转故障，应尽量选择线性能量传递阈值大的器件。对于整个航天器来说，要完全避免出现故障或翻转几乎是不可能的，所以航天器整体设计应具有出现这些故障后仍能工作的能力。冗余设计和恢复程序也是保障完成任务的关键因素。
表2.4 辐射环境效应防护
等离子体是宇宙中常见的物质形态，常被描述为除固态、液态和气态之外的物质的第四种形态，由部分电离或全部电离的气体组成。这些气体的原子和分子中的一些电子因具有足够的能量而离开，且不易重新结合。太阳风的主要成分即等离子体带电粒子流，地球电离层本质上也是一种等离子体环境。
等离子体环境效应会导致航天器表面侵蚀和污染，从而影响它们的热性能；引起的不等量充电导致的放电，会损害电子系统，并影响材料性能，导致太阳能电池阵的能量损失。
航天器沉浸在等离子体环境中时，能量不能穿透航天器表面的数十千电子伏以下的空间等离子体与航天器表面相互作用，从而导致航天器表面电荷积累的充电现象称为表面充电。当表面电位差超过材料的击穿阈值时，可能引发静电放电。航天器表面的静电放电可能会产生具有瞬时高压和强电流特征的电磁脉冲，导致星上敏感电子元器件以及组件损坏或误动作，干扰卫星与地面的通信，甚至影响航天器任务的执行。静电放电还可能引起航天器表面材料的物理损伤，并诱发材料表面污染，引起表面溅射。
有两套方案可以尽可能地减少航天器的充电现象。如表2.5所示，首先，可以通过有效地平衡航天器表面之间的电流，防止表面电势积累；其次，可以确保航天器整个表面都具有相同的导电性，以防止航天器表面不同部位出现电位差。为了避免航天器产生电势积累，应该携带一种“等离子体接触器”的等离子体发生装置，使航天器与等离子体有效接地。
表2.5 等离子体环境效应防护
NASA提出了5项控制航天器充电的建议：一是接地；二是表面材料；三是屏蔽层；四是过滤；五是工艺规程。把所有的导电元件连接到共同的接地点能使电位差最小；与此相似，让航天器表面全部或至少部分导电也能减小电位差；为电子设备和电缆加装屏蔽层，过滤电路的输入，能防止航天器产生放电感应电流；最后，通过采取正确的处理、组装、检测和试验方法，才能最大限度地减少航天器在运行轨道上发生有害作用的可能性。
星地之间的通信是通过无线电信号传输实现的，而这些无线电信号必然要穿越电离层。当不同频率的无线电波经过电离层时会受到不同程度的影响，人们巧妙地利用这一特性开发了短波通信、超视距雷达等系统，而电离层的扰动在很大程度上会影响这些系统的运行，甚至造成系统失效、通信中断。一般来说，频率在甚长波到10GHz之间的信号，在电离层中行进时都会遭受电离层的影响，如图2.9所示。这种影响主要表现为吸收衰减、闪烁、色散、时延、极化旋转和频率漂移等，具体影响程度与无线电信号频率、电离层电子密度等有关。
图2.9 电离层对无线电信号传输的影响
在信号行进于电离层中时，免不了被“借”去部分甚至全部能量，导致信号受损或者完全失效。这是因为无线电信号在电离层中传播时，其电场矢量引起电子运动，电子与其他粒子碰撞引起电磁波衰减，即电离层吸收。一般而言，吸收的严重程度与信号频率有关，随着频率升高，电离层吸收明显减少。电离层吸收主要影响短波系统，严重时能引起短波信号的中断。一般，中纬度地区的吸收较弱，极区的吸收较强。另外太阳耀斑爆发时，吸收将增强。
我们知道，由于介质性质的不同，光线入水会发生折射现象。电离层对电磁波信号也有类似的影响。当信号通过电离层时，路径会发生弯曲，传播速度也会变化。在卫星测量中，电离层延迟误差和信号传播路径上的总电子含量成正比。对于1GHz以上的频率，信号传播路径弯曲在许多应用中可以忽略不计，由于传播速度减缓而产生的延迟是影响系统测量精度的主要误差，如对于GPS信号，这种距离延迟在天顶方向最大可达到50m，在卫星仰角较小时，可达到150m，因此电离层延迟是卫星导航系统中最重要的误差源。
天上的星星会“眨眼”，这是由大气湍流造成的。穿过电离层的电磁波信号也会出现类似的现象。当电磁波信号穿过电离层中电子密度不规则的区域时，会导致接收信号幅度、相位、极化等发生快速随机变化，这种现象叫作电离层闪烁。信号的峰值起伏有时可达到数十分贝，持续几分钟到几小时的时间。电离层闪烁可以影响30MHz～10GHz频率范围内的电磁波信号。一般来说，信号的频率越低，电离层闪烁就越强。
我们知道，当一束白光经过三棱镜时，它被分解成“赤橙黄绿青蓝紫”7种颜色，这是光的色散现象，类似的现象也发生于电离层中。电离层对不同频率信号的传播影响不同，对一定带宽的信号而言，电离层表现出色散效应。一束窄带发射脉冲由于它包含的不同频率成分的传播速度和幅度衰减不一样，不同频率的信号将不能同时到达接收端，因此接收脉冲将发生畸变，即色散。电离层色散使接收到的脉冲信号发生畸变或失真，增加了信号的码间干扰和误码率。电离层色散主要对宽带信号影响较为严重，对窄带信号影响较弱。
呼啸而过的火车在迎面而来时和在渐渐远离时，其声音听起来会有很大不同，这便是声波的多普勒现象。它的实质是由于火车的快速运动导致声波发生频移，最终传入耳膜的声波频率由高变低。电离层也会导致类似的现象。如果目标相对于雷达接收机快速运动，或者电波传输路径上的总电子含量发生快速变化，都能导致目标回波频率相对于工作频率的变化，即产生多普勒频移效应。电离层引起的多普勒频移称为电离层多普勒效应，其大小由电波传播路径上总电子含量的时间变化率和设备的工作频率共同决定，与前者成正比，与后者的平方成反比。多普勒频移对雷达测速和测角都具有重要影响。
“条条大路通罗马”，信号在传播过程中是有一定的选择权的，特别是在路径选择上。信号从发射端到接收端常常有许多传输路径，如“一跳”“两跳”等，其传输时延不同、损耗各异。在实际应用中，接收机总能接收到多个路径的信号。由于电离层的分层结构，加上短波的天线波束较宽，发射的电磁波波束具有一定的张角，所以电磁波的多条射线可能在不同的高度被反射而到达同一接收点，因此在一条通信电路中存在着多种传播路径，这就是短波的多径传播现象。
可见，无论是利用电离层实现信号的远距离传输，还是建立天地链路，频率的选择都至关重要。比如对于短波通信来说，频率太低时，电磁波信号在电离层中传播时被完全吸收衰减，无法回到地面；频率太高时，电磁波信号可能“穿透”电离层而无法回到地面，或者反射后落到更远的区域，使原定的通信区域成为盲区。
碎片与微流星体环境的主要构成包括卫星碰撞产生的碎片、发射过程中入轨的火箭末级、用于远地点入轨的远地点发动机、火箭喷射出来的喷射物、航天活动甚至航天员遗留下来的各种各样的物质及进入近地空间的微流星体等。当前可跟踪的碎片主要是尺寸10cm以上的碎片，总数超过26000多个。其中，除了人类发射的各种卫星所产生的碎片，还包括航天器在发射或工作时散落的物体占12%；废弃的火箭箭体占14%；不再工作的有效载荷占20%；其他碎片占54%。其他碎片的主要来源包括航天器解体、在轨碰撞、运载火箭出现故障导致爆炸等。
微流星体与太空碎片的相对运动速度非常大，所引起的超高速碰撞能够损坏甚至毁灭航天器，对太空飞行构成严重威胁。一般地说，直径小于0.01cm的碎片（在近地轨道上数量很多）主要使航天器表面产生凹陷和剥蚀，长期与卫星碰撞可能造成累积影响；直径0 . 01～1cm的碎片会对航天器产生明显影响，其中，直径大于0.1cm的碎片会对卫星结构造成损害；直径大于1cm的碎片会对航天器造成灾难性的破坏。
太空碎片增加的主要原因是在轨大质量目标，尤其是近地轨道上质量为100kg以上的目标，可能发生灾难性的解体。这种解体会引起更多的碰撞事件，造成太空目标的反馈碰撞。针对太空碎片环境长期规划工具，大多数都有类似的减缓太空碎片的推荐措施，并考虑了技术、操作和经济上的可行性及其对环境稳定性的作用。主要措施包括：
（1）减少任务相关太空目标；
（2）防止在轨爆炸；
（3）防止非爆炸碎片释放事件；
（4）可跟踪目标的碰撞预警与规避；
（5）太空系统的任务后处理；
（6）在轨目标的清除。
太阳是地球能量的源泉，可以说没有太阳就没有地球，也就没有人类文明的发展。太阳的一切微小变化都可能影响地球和地球上的人类，太阳的爆发性活动可以使近地太空环境发生剧烈的变化，从而严重影响航天器安全和人类的生活。
太阳活动是太阳大气层内一切活动现象的总称，包括太阳黑子、太阳活动周、太阳耀斑、日冕物质抛射等。
太阳的肉眼可见部分是光球层。光球并非像肉眼通常看到的那样“光洁无暇”，其表面时常会出现一些深暗色的斑点，称为太阳黑子。太阳黑子是人类最早观测到的太阳活动现象，在我国史书上有着丰富的黑子目视记录，仅正史上就有100多次。现在公认的世界上第一次明确的黑子记录是公元前28年我国汉朝时期。太阳黑子的观测不仅让我们认识到太阳黑子自身的变化规律，同时也揭示了太阳上的其他现象和规律，如太阳磁场、太阳自转、白光耀斑都是在对太阳黑子的观测中被发现的。太阳黑子观测图像如图2.10（a）所示。太阳黑子是最重要的太阳活动，常常被作为衡量太阳活跃程度的标志。
一个中等大小的太阳黑子和地球的大小相当。一个发展成熟的太阳黑子是由中心颜色暗黑的部分和其周围淡黑的部分组成的，如图2.10（b）所示。前者为太阳黑子的本影，后者为太阳黑子的半影。太阳黑子是太阳光球上的低温区，本影区的绝对温度在4000℃ 左右，半影则为5400℃。所以，太阳黑子其实并不黑，只是因为它的温度比光球低，才在明亮的光球背景衬托下显得黑。导致太阳黑子温度低的直接原因则是它自身具有强磁场，且强度比地球上的磁场强度高一万倍。强磁场能够抑制太阳内部能量通过对流的方式向外传递。所以，当强磁场浮现到太阳表面时，该区域的背景温度缓慢地从5700℃降低至4000℃左右，使该区域以暗点形式出现，即太阳黑子。
图2.10 太阳黑子
太阳黑子倾向于成群出现。黑子群的演化过程通常由简单变复杂，再变为简单。起初，它是一个小黑点，逐渐发展成由两个极性相反的大黑子构成的双极黑子群。两个大黑子间又有很多小黑子，大黑子在逐渐增大的同时，距离越来越大，然后逐渐分裂，最后消失。寿命短的黑子群只能持续1～2天，长的可达几个月，大部分黑子群可以持续10～20天。
通过长期观测发现，太阳黑子多的时候，其他太阳活动现象也会比较频繁。太阳黑子附近的光球中总会出现光斑，黑子上空的色球中总会出现谱斑，其附近经常有日珥。同时，大多数的太阳爆发活动现象也发生在黑子上空的大气中。因此，从太阳大气低层至高层，以黑子为核心形成一个活动中心，称为太阳活动区。黑子既是活动区的核心，也是活动区最明显的标志。
黑子相对数的年均值的周期性是11年左右，最短为9年，最长为13.6年。黑子相对数年均值的极大年份和极小年份，分别称为太阳活动的极大年（或称为峰年）和极小年（也称为谷年）。通常，也将黑子相对数年均值相对较高的太阳活动极大年和其相邻的几年，称为太阳活动高年；黑子相对数年均值相对较低的太阳活动极小年和其相邻的几年，称为太阳活动低年；两次相邻极小年之间为一个太阳活动周。太阳活动周一般表现为上升期、峰值期和下降期：开始的4年左右为上升期，太阳黑子不断产生，越来越多，活动加剧，并达到极大，黑子相对数极大的那一年，称为太阳活动峰年或太阳活动极大年；在随后的7年左右时间里，太阳黑子越来越少，活动逐渐减弱，黑子相对数极小的那一年，称为太阳活动谷年或太阳活动极小年。以1755年极小年起算的活动周为第1周，1999年开始为第23周，2009年9月开始为第24周，2019年年底进入第25周，预计将持续到2030年。
太阳活动持续的时间有长有短，长的可达几个月，短的只有几十分钟，甚至几分钟。按照尺度变化、运动速度及能量释放的快慢，太阳活动可以分成两种类型，一种是缓变型太阳活动，另一种是爆发型太阳活动。顾名思义，缓变型太阳活动在尺度变化、运动速度及能量释放上都相对缓慢；爆发型太阳活动则是相对更加剧烈和大规模的能量释放过程，通常也称为太阳爆发活动。
太阳爆发活动期间，太阳会突然向外发射增强的电磁辐射，大量的高能带电粒子流及等离子体云，特别是X射线、紫外线和射电波段会出现非常强的附加辐射及带电粒子流。太阳耀斑和日冕物质抛射是规模最大、对近地太空环境影响最严重的两种太阳爆发活动现象。
太阳耀斑（下面简称耀斑）是发生在太阳大气层局部区域的一种最剧烈的爆发现象，表现为在短时间内释放大量能量，引起局部区域瞬时加热，向外发射各种电磁辐射，并伴随粒子辐射突然增强。由于太阳光球的背景辐射太强，因此大多数耀斑不能在白光中观测到，辐射增强主要是在某些谱线上。根据观测手段的不同，太阳耀斑主要分为光学耀斑、X射线耀斑等。通常，可见光范围内的单色光观测的耀斑称为光学耀斑，X射线波段观测的耀斑称为X射线耀斑，与质子事件相对应的耀斑则称为质子耀斑。
耀斑的持续时间为几分钟到几十分钟，在这短暂的时间里却能释放出10 20 ～10 25 J的巨大能量，这相当于上百亿颗巨型氢弹同时爆炸释放的能量，或者相当于十万至百万次强大火山爆发释放的能量总和，可见其威力之大。不过对于太阳这个巨大的能源来讲，它也不过只占太阳辐射总能量的万分之一左右。
耀斑发生的规模不同，释放的能量就会不同，对近地太空环境造成的影响也会有所不同。耀斑的面积是其辐射规模的重要指数，国际上采用耀斑亮度达到极大时的面积作为耀斑级别的主要依据，同时定性地描述耀斑的极大亮度。根据耀斑的Hα单色光面积大小，光学耀斑分为S、1、2、3、4五个级别，如表2.6（a）所示。耀斑的极大亮度以F、N、B表示，分别代表了弱、普通、强三个等级。最大最亮的耀斑是4B，最小最暗的耀斑是SF。
地球电离层对太阳软X射线辐射强度变化反应敏感，所以国际上也广泛采用0.1～0.8nm的软X射线辐射强度对X射线耀斑进行定级。目前，按照美国GOES卫星观测的软X射线峰值流量的量级将耀斑分成A、B、C、M和X五级，如表2.6（b）所示，这五级耀斑所释放的能量依次增大。一般来讲，C级以下的耀斑均为小耀斑，M级耀斑为中等耀斑，X级耀斑则为大耀斑。各等级后面的数值表示软X射线峰值流量的具体数值，如M4级表示耀斑软X射线峰值流量为4×10 -5 W/m 2 。
通过长期观测发现，大多数耀斑都发生在黑子群的上空，且黑子群的结构和磁场极性越复杂，发生大耀斑的概率越高。平均而言，一个正常发展的黑子群几乎几小时就会产生一个耀斑，不过真正对近地太空环境有强烈影响的耀斑则很少。太阳耀斑的发生频次随太阳活动周的变化表现出11年左右的周期性，爆发位置也随时间呈现蝴蝶图样的分布。在太阳活动极大年，平均每天都有M级以上级别的耀斑发生；而在太阳活动极小年，几乎全年都不发生一个M级以上级别的耀斑。
表2.6 太阳耀斑的等级划分标准
日冕物质抛射（Coronal Mass Ejection, CME）是太阳爆发活动的重要现象，表现为在几分钟至几小时内从太阳大气中向行星际空间抛射出一团日冕物质，使很大范围的日冕受到扰动，从而剧烈地改变日冕的宏观形态和磁场位形。日冕物质抛射的形态多种多样，有环状、泡状、云状、束流状、射线状等，其中环状最多。日冕物质抛射向外抛出的物质本质上是等离子体云，总质量为几十亿吨到几百亿吨，速度一般从每秒几十千米到每秒一千多千米，并携带着强烈的磁场。喷发出的等离子体云若对着地球方向传播，经过1～4天会到达地球空间，与地球磁场相互作用。同时，当快速日冕物质抛射穿过太阳风时，还会加速其中的粒子成为强度高且持续时间长的高能粒子源。大多数在地球附近观测到的强太阳质子事件就源于此。
日冕物质抛射的发生频率取决于太阳活动周的不同阶段。粗略地说，在太阳活动周极小年，发生率为0.5个/天；在太阳活动周极大年，发生率为2～5个/天。日冕物质抛射的位置随太阳活动周的变化而变化，在太阳活动周极小年通常出现在赤道附近，而在太阳活动周极大年会分布在较大纬度范围内，有时会出现在南、北纬60 ◦ 附近。日冕物质抛射经常与其他太阳活动联系在一起，如太阳黑子、太阳活动周、耀斑等。在一次强太阳风暴中，这些太阳活动现象通常均能观测到。尽管人们对它们之间具体的联系还未充分地了解，但现在普遍认为日冕物质抛射和耀斑（见图2.11）具有共同的成因，这些现象都是太阳磁场结构大规模变动的结果。
图2.11 太阳爆发活动
太阳爆发活动喷射的物质和能量到达近地空间后，可引起地球磁层、电离层和中高层大气等剧烈扰动，从而影响航天系统和人类活动，这一过程被称为太阳风暴。
太阳风暴（Solar Storm）是指太阳上的剧烈爆发活动及其在日地空间引发的一系列强烈扰动。太阳爆发活动是太阳大气中发生的持续时间短暂、规模巨大的能量释放现象，主要通过增强的电磁辐射、高能带电粒子流和等离子体云三种形式释放。太阳爆发活动喷射的物质和能量到达近地空间后，对航天装备及电子信息装备会产生巨大的影响，导致设备无法正常工作甚至损毁。
“太阳风暴”并非科技术语，而是对太阳爆发活动及其引起的近地空间扰动的一种形象、通俗的说法。这里把太阳和地球空间看成一个整体，用太阳风暴这一概念综合描述太阳爆发活动和对近地空间太空环境的影响，既具有时代特点，又便于人们的理解。
太阳风暴的第一个方面是指太阳爆发活动。太阳爆发活动是太阳风暴的起源，前面我们已经介绍，太阳爆发活动常常表现为两种现象：一种是人类很早就观测到的耀斑，耀斑是太阳电磁辐射突然增强的一种表现，在太阳观测图片上，耀斑常常表现为某区域的突然增亮；另一种是较晚才能观测到的日冕物质抛射，它是太阳上一团带有磁场的等离子体，脱离太阳束缚向外抛出的现象。耀斑和日冕物质抛射不一定同时出现，它们发生时也可能会喷射出大量的高能带电粒子，这些粒子主要是质子。增强的电磁辐射、高能带电粒子和快速等离子体云是太阳爆发活动喷射的主要能量和物质。
太阳风暴另一个重要方面是指太阳爆发活动引发的各类近地空间太空环境扰动。太阳爆发活动向空间抛射大量的物质和能量，通常以增强的电磁辐射、高能带电粒子流和高速等离子体云的形式表现出来。强的太阳爆发活动，三种能量形式会同时出现，但它们到达地球的时间不同，如图2.12所示。第一波是增强的电磁辐射，以光速运行，约8min到达地球；第二波是高能带电粒子流，以亚光速运行，几十分钟到达地球；第三波是高速等离子体云，会在爆发后1～4天到达地球。三波能量依时间次序，先后对地球空间形成三轮攻击，造成磁层、电离层和高层大气环境的剧烈扰动，引发一系列空间天气灾害事件。
图2.12 太阳风爆对近地空间太空环境的影响过程
太阳风暴对地球的第一轮攻击是增强的电磁辐射，在太阳爆发活动后8min到达地球。当太阳耀斑爆发时，增强的电磁辐射以光速到达地球空间，磁层无法拦截这些电磁辐射，它们就直接进入电离层和高层大气，引起电离层突然扰动。这将导致短波无线电信号衰减甚至中断，影响短波通信；导致甚低频信号反射高度降低，影响长波导航和对潜通信；引起电波传输的时延增加，导致导航定位误差增大。
太阳风暴对地球的第二轮攻击是高能带电粒子流，在太阳爆发活动后几十分钟到达地球。高能带电粒子流是指由太阳喷发出来的密集的高能带电粒子，它们到达地球空间后轰击磁层，并能突破地球磁场的重重防线，进入卫星轨道，甚至深入电离层、大气层和地表空间。增强的粒子辐射影响在轨卫星的安全，威胁航天员身体健康；引发极盖吸收事件，影响极区无线电通信，威胁极区航线安全。
极盖吸收事件： 太阳质子事件期间的高能质子会沿地球磁力线到达地球极区，由于能量很高，粒子能到达电离层底部（主要是D层），引起极区电离层的电离增强，电子密度增大，从而引起电波吸收增大，我们称之为极盖吸收事件。极盖吸收事件持续时间为1h至几十个小时，对电波的影响与电离层骚扰相似。它会引起甚低频信号相位的改变，产生导航误差；会引起中波广播和短波通信信号的扰动和中断。
太阳风暴对地球的第三轮攻击是高速等离子体云，在太阳爆发活动后需要几天时间到达地球。高速等离子体云是太阳日冕抛射出来的、相对背景太阳风速度更高的等离子体团。它携带日冕磁场到达地球后，与地球磁场相互作用引发地磁暴。地磁暴会给相关系统带来严重影响：损害电力设施，破坏输油管道，增大卫星运行阻力，影响短波通信和卫星导航，引起卫星表面充电和深层充电，等等。
（1）地磁暴。太阳喷射出的等离子体云冲击地球磁层，使磁层压缩变形，同时其携带的磁场会造成磁层的扰动，产生地磁暴（简称磁暴）。地磁暴是整个磁层发生的持续十几小时到几十个小时的一种剧烈扰动，这种扰动是全球性的。卫星本身具有的固有磁矩与地磁场相互作用可影响卫星的姿态，当地磁暴发生时，空间磁场的变化会改变它们之间的力矩，使卫星姿态发生变化，导致卫星不能正常工作。
（2）电离层暴。太阳喷发出的高速等离子体云与地球的磁层相互作用，粒子沉降和焦耳加热会使大气层大气膨胀，中性大气成分和风场发生变化，从而引起全球电离层密度异常变化，称为电离层暴。电离层暴常常伴随着磁暴发生，持续时间为几小时至几天。电离层暴时，电子密度可能增大，我们称之为电离层正暴；电子密度也可能减小，我们称之为电离层负暴。
通过对太阳活动和近地空间太空环境的监测和研究，我们逐渐了解到太阳风暴的一些特点和规律，最为突出的是太阳风暴的周期性、突发性和地域性。
太阳风暴的周期性主要体现在太阳活动水平的周期变化上。太阳活动水平具有11年左右的周期变化特征，有太阳活动高年和低年之分。通过黑子数的多寡及太阳10.7cm射电流量的变化，人们很容易看出太阳活动的这种周期变化。通常，在太阳活动高年，太阳爆发活动较多，太阳风暴发生频次较高，强度大。相反，在太阳活动低年，太阳爆发活动较少，太阳风暴发生频次较低，强度相对较弱。
太阳风暴的周期性是一种长期统计规律。虽然人类对太阳活动区黑子和磁场的演化过程有一定的观测和了解，但仍然缺乏全面的太阳磁场监测，对太阳爆发的规律也尚未完全掌握。对于某次太阳爆发活动事件而言，其具体发生时间和爆发强度很难准确预报。相对于人类目前的认识水平，太阳风暴的发生具有很强的随机性和突发性，类似于目前人类虽然知道地球上有一些地震活跃带，但却无法准确预测某次地震发生的时间和强度。
虽然太阳爆发活动具有很强的突发性，但人类对它的影响并不是束手无策。由于近地空间太空环境扰动大部分发生在太阳爆发几十分钟至几十小时之后，因此我们可以通过对太阳活动和近地空间太空环境的监测来分析预测太阳爆发引起的近地空间太空环境扰动的发生和发展。例如，我们可以利用卫星观测到的太阳爆发的发生时间和位置，依据从行星际到近地空间的各种观测资料，结合对太空环境变化统计分析和理论研究总结出的规律，提前1～3天预测近地空间太空环境扰动事件的发生时间和强度，从而为卫星和地面技术系统提供预警信息。2003年10月底的太阳风暴就是一个很好的例证。这次太阳风暴造成了当时瑞典5万居民用电供应中断，而美国由于得到了及时的太空环境预报信息服务，只有个别城市的电网受到轻微影响。
太阳爆发引起的某种太空环境扰动，在近地空间中的不同位置响应程度有所不同。这一方面是由近地空间太空环境自身的复杂变化规律决定的，另一方面也与太阳直接照射的区域不同有关。例如，在太阳质子事件期间，由于地磁场的偏转和屏蔽，不同地磁纬度和不同轨道高度上的高能粒子环境存在很大差异。对在同一轨道平面上运行的卫星，低高度上的高能带电粒子数目小于高高度上的高能带电粒子数目。对于在同一高度上运行的卫星，极区的高能带电粒子数目更多。因此，相对来说，运行在高轨道、高纬度的卫星辐射环境更为恶劣。由于极区磁场是开放的，太阳质子事件期间的大部分高能粒子会到达极区，引起极区电离层环境改变，因此太阳质子事件主要影响跨极区的高频短波通信，对中低纬地区的通信影响极小。太阳耀斑爆发时，电离层电子密度增加引起的无线电短波吸收主要发生在地球的向日面。例如，2010年11月6日，M2.4级X射线耀斑引起南美洲中部地区的电离层扰动，由于我国当时处于夜间，因此电波传播没有受到影响。
随着科技的进步和信息化水平的不断提高，太阳爆发活动的影响和危害日益凸显，同时人类各种技术系统之间的关系日益错综复杂，太阳爆发活动影响的范围更加广泛，影响程度也不断加剧。太阳爆发活动对地球的三轮攻击会给人类的技术系统带来多种影响和危害。按照技术系统分类，太阳爆发活动的影响主要有以下三个方面。
太阳爆发所喷射的高能带电粒子到达地球附近后，使在轨卫星遭遇的高能带电粒子急剧增加。这些高能带电粒子具有极高的能量，能穿透卫星外壳，给卫星平台和携带的有效载荷带来多种辐射效应。可能引起微电子器件逻辑错误，造成程序混乱，严重时可能造成器件内部短路、击穿；也可能引起材料性能衰退，成像系统噪声增加，太阳能电池效率降低。同时，高能带电粒子还可能对宇航员造成辐射伤害。地磁暴期间，可能引起卫星的充/放电现象，放电脉冲可能干扰、破坏电子元器件的正常运行；高层大气密度增加会改变低轨道卫星的运行姿态和轨道高度等。如果不对卫星进行合理的防护设计和科学的在轨管理，太阳风暴可能对卫星造成巨大影响，严重时甚至能导致整星失效。
在太阳爆发活动对地球的三轮攻击中，都会引发电离层的分层结构混乱，从而干扰原本正常的无线电通信。因此，只要发生太阳风暴，就会影响到人类的无线电通信。电离层扰动使短波无线电信号被部分或全部吸收，从而导致信号衰减或中断；使卫星导航定位系统的精度下降，严重时甚至造成导航接收机失效，无法提供导航信息，使卫星通信的信噪比下降，误码率上升，通信质量下降，严重时可能造成卫星通信链路中断。
太阳爆发活动对地球的第三轮攻击会引起地磁暴，地球磁场的剧烈变化在地球表面诱生地磁感应电流，这种附加电流会使电网中的变压器受损或者烧毁，造成停电事故。此外，地磁感应电流还可能对长距离管线系统产生腐蚀，造成泄漏，影响石油、电缆等管线系统的正常运行。
在现代社会，电力已经成为人类生活不可或缺的部分。当太阳风暴来袭时，不仅电力系统本身将可能遭受重创，所有依赖电力的应用系统也都将不堪一击，进而造成更加严重的经济损失。1989年3月的强太阳风暴使加拿大魁北克地区电网主要线路上的一个变压器烧毁，造成整个电网在90s内瘫痪，600万居民在寒冷的冬夜遭遇停电长达9h，引起了国际社会的震惊和对太阳风暴的广泛关注。这次事件被称为“90秒灾难”，是有关太阳风暴危害中引用较多的一次事件。正是由于太阳风暴存在诸多危害，而且威力远远超过人类创造的任何武器，因此有科学家形象地将它称为来自自然界的“太空武器”。
太空活动的社会环境主要包括国家政治、经济、人文教育、太空技术发展、太空政策法规、新闻媒体、社会舆论等。随着人类活动区域向太空的拓展、航天技术应用的不断增加，国家对于太空的依赖性也不断增强，太空逐渐成为国家赖以正常发展的命脉。和陆、海、空领域一样，随着人类活动的不断增强和深入，太空领域也出现了越来越多的问题，如损害赔偿问题、航天员营救问题、太空资源的开发和利用问题等。这些问题都需要航天法律制度来协调解决。航天法律制度包括国际法和国内法两个层面。航天活动带来的这些问题涉及的是国与国之间的利益协调，主要是国际法的运用。因此，航天法律制度中外空国际规则在解决太空领域问题时所发挥的作用显得尤为重要。
伴随着苏联第一颗人造卫星的发射，美国和苏联两国展开了利用外层空间的军备竞赛，这需要制定法律规则来解决在外空的角逐中出现或可能出现的问题，于是联合国成立了相应的规则制定机构来应对这种需求。1958年12月，联合国大会通过决议，成立了“和平利用外层空间特设委员会”。1959年12月12日，该特设委员会改为常设机构，称为“和平利用外层空间委员会”（简称外空委）。外空委的任务之一就是研究和平利用外空可能产生的法律问题。1962年3月，外空委还专门成立了“法律小组委员会”，负责拟定有关外空活动的条约、协定和其他法律文书草案，提交外空委和联合国大会审议通过。
1963—1976年是外空国际规则制定的时期。外空委及其法律小组委员会自成立以来一共通过了《外空条约》《营救协定》《责任公约》《登记公约》《月球协定》5项有关外空活动的国际公约。
1966年12月19日，联合国大会通过了《关于各国探索和利用包括月球和其他天体在内外层空间活动的原则条约》（简称《外空条约》），该条约于1967年10月10日生效。截至2020年1月1日，《外空条约》共有109个批准国。中国于1983年加入该条约。在条约的制定过程中，有能力利用外空的国家希望尽量不受或少受国际规则的约束，而其他还没有能力参与到外空应用的国家，不希望外空成为军备竞赛的场所，希望能够和平利用外空。于是，各国在充分的讨论中，最终协商一致，条约得以制定。《外空条约》第一次以国际条约的形式将从事外空活动的各项基本法律原则确定下来，为人类探索和利用外空提供了一个基本的法律框架和指引，成为各国从事外空活动应遵守的基本原则，被称为“外空宪章”。这些基本原则包括以下几点。
（1）共同利益原则。探索和利用外层空间，包括月球和其他天体，应为所有国家谋福利，而不论国家的经济或科学发展如何，并应为全人类的利益而开发。
（2）自由探索和利用原则。所有国家应在平等基础上，不受任何限制，自由探索和利用外层空间，包括月球和其他天体，并自由进入天体的一切区域。
（3）不得据为己有原则。各国不得通过主权要求、使用或占领方法以及其他任何措施，把外层空间（包括月球和其他天体）据为己有。
（4）限制军事化原则。各国不得在绕地球轨道上放置任何携带核武器或其他任何种类的大规模毁灭性武器的物体，不得在天体配置这种武器；月球和其他天体应当用于和平目的，禁止在月球及天体上建立军事基地、军事设施和军事工事，进行武器试验和军事演习。
（5）保护环境原则。各国从事研究探索外层空间及天体时，应避免使外层空间及天体遭受有害污染，避免因地球以外的物质使地球环境发生不利变化，并应为此采取措施。
（6）国家对本国的外空活动承担国际责任原则。不论外空活动是由政府机构还是非政府机构主持的，缔约国都应对本国的外空活动承担国际责任。这种责任不单单是损害发生时需要承担的赔偿责任，更多的是在从事外空活动的过程中，国家必须对涉及本国的外空活动承担有关监督、控制等责任。
（7）国际合作和互助原则。各国最大限度地提供便利以促进探索和利用活动中的广泛联系和发展。探索与利用外层空间时，应妥善照顾到所有其他国家的有关利益，不能对其他活动造成潜在的有害损害。
（8）遵守国际法原则。国家要保证本国从事外层空间活动遵守包括《联合国宪章》在内的国际法规范。
外层空间探索活动具有极高的风险性。自外空物体发射之时起，宇航员等参加人员就面临着巨大的风险。虽然在制定《营救协定》前，美国和苏联的航天活动并未有外空物体毁损和宇航员伤亡的记录，但随着载人航天活动的持续增多，国际社会普遍认为需要制定一套关于宇航员营救的法律制度。《营救宇宙航行员、送回宇宙航行员和归还发射到外层空间的物体的协定》（简称《营救协定》）于1967年12月19日经联合国大会通过，1968年12月3日生效。截至2020年1月1日，《营救协定》共有98个批准国。中国在1988年加入该协定。
针对宇航员的营救问题，《营救协定》对缔约方设定了三方面的义务：通知义务、营救义务和送还义务。这些义务的设定是基于《外空条约》中关于“宇航员作为人类派往外层空间的使者”的定位。
《营救协定》第1条规定了缔约国最低限度的通知义务，即“缔约国获悉或发现宇航员在其管辖的区域、在公海、在不属任何国家管辖的其他任何地方，发生意外，处于灾难状态，进行紧急或非预定的降落时，要立即通知发射当局和联合国秘书长”。
《营救协定》将营救义务分为以下两种情况。
（1）降落在缔约国领土内时。《营救协定》第2条规定，如因意外事故、危难、紧急或非出于本意降落的情况，宇航员在一缔约国管辖领域内降落，该缔约国应立即采取一切可能的措施营救宇航员，并给他们一切必要的帮助，该缔约国应将所采取的步骤及其进展情形通知发射当局及联合国秘书长。如发射当局的协助有助于实现迅速援救，或对搜寻及援救行动的效力大有贡献，发射当局应与该缔约国合作，以求有效进行搜寻及援救行动。此项行动应受该缔约国指挥管制，该缔约国应与发射当局密切且不断地会商行事。
（2）降落在缔约国领土外时。《营救协定》第3条规定，如获悉或发现宇航员在公海或在不属于任何国家管辖的其他任何地方降落，必要时凡力所能及的缔约国，均应协助寻找和营救这些人员，保证他们迅速得救。缔约国应将其所采取的措施和所取得的结果通知发射当局及联合国秘书长。上述规定并没有要求缔约国义务开展工作，只是要求在必要时，在力所能及的范围内应协助寻找和营救这些人员，这在很大程度上具有自愿的性质。
《营救协定》对在任一缔约国管辖的区域内着陆，或在公海、不属于任何国家管辖的其他任何地方被发现的宇航员，要求缔约国立即将宇航员安全交还给发射当局。
关于航天活动中外空物体致他国人员或财产受损承担赔偿责任的主要国际法依据是1972年的《责任公约》，全称是《外空物体造成损害的国际责任公约》。该公约于1971年11月29日经联合国大会通过，1972年9月1日生效。截至2020年1月1日，《责任公约》共有96个批准国。中国在1988年加入该公约。
《责任公约》对外空物体造成涉外损害的责任主体、求偿主体、责任范围、赔偿对象、赔偿标准、归责原则问题进行了规定。
《责任公约》第2、3条明确了一国外空物体对地球表面或飞行中的飞机造成损害和在地球表面以外的地方对他国外空物体和人员造成损害的责任主体是该外空物体的发射国。《责任公约》第4条规定了一国外空物体对他国外空物体或人员造成损害从而对第三国或第三国的自然人、法人造成损害时，上述两个外空物体的发射国应对第三国共同承担赔偿责任。《责任公约》第5条规定两个或两个以上的国家共同发射外空物体对外造成损害时，所有的发射国应共同承担赔偿责任。《责任公约》第22条规定了国际组织发射外空物体造成对外损害时，该国际组织及其成员国是共同的责任主体。
《责任公约》对于外空物体造成涉外损害的求偿主体进行了详细的分类。首先，直接遭受损害的国家具有求偿主体资格。直接遭受损害的国家不仅包括国家财产遭受损害的国家，也包括其国民或法人的人身或财产遭受损害的国家，也就是指国籍国。如果国籍国没有提出赔偿要求，损害的发生地国可以向发射国提出赔偿要求。如果国籍国或损害的发生地国均未提出赔偿要求，自然人或法人的永久居所地国可以向发射国提出赔偿要求。此外，直接遭受损害的自然人或法人也具有求偿主体资格。
外空物体造成损害的赔偿范围有明确的限制。《责任公约》第2、3条指出，《责任公约》规定的损害具体是指在地球表面造成的人身伤害和财产损害、对飞行中的飞机造成的损害，以及对另一发射国的外空物体或此种外空物体所载之人或财产造成的损害。
根据《责任公约》第1条的规定，外空物体造成损害的赔偿对象是“生命丧失，身体受伤或其他健康损害；国家、自然人、法人的财产，或国际政府间组织的财产受损失或损害”。显然，《责任公约》所规定的赔偿对象仅限于人身伤害和财产损害。
《责任公约》第12条规定：“发射国根据本公约负责偿付的赔偿额，应按照国际法公正合理的原则来确定，以使对损害所作的赔偿能保证提出赔偿要求的自然人或法人、国家或国际组织把损害恢复到损害发生前的原有状态。”从上述规定来看，赔偿标准是能把损害恢复到损害发生前的原有状态，即恢复原状。《责任公约》没有关于如何计算损害的具体标准，发射国对外赔偿的金额是根据国际法的一般法律原则来确定的，即公正合理原则。而《责任公约》及现行的相关国际法对“公正合理原则”和“恢复原状”并没有明确界定。因此，法院在判决赔偿金额时需要根据可适用的相关法律来进行裁量。然而，结合“公正合理原则”和“恢复原状”的标准，《责任公约》关于赔偿标准的立法旨意比较明确，也就是等值赔偿。
《责任公约》对外空物体造成涉外损害规定了两种归责原则。一是绝对责任原则。只要外空物体在地球表面造成人身伤害、财产损害或对飞行中的飞机造成损害，不论发射国是否具有过错，都应对此承担赔偿责任。除非发射国能够证明，损害的发生是由于赔偿国或其自然人、法人的重大疏忽导致的，或因为其采取行动或不行动蓄意造成损害。发射国对损害的绝对责任，应依证明的程度予以免除。但若因发射国进行不符合国际法的活动而造成损害，发射国的责任绝不能予以免除。二是过失责任原则。外空物体在地球表面以外造成他国外空物体，或其所载人员、财产受损，适用过失责任原则。在过失责任原则下，发射国承担责任的前提是受害国能证明造成损害的发射国是谁，还必须能证明发射国对此损害的产生具有过失。受害国若不能证明发射国存在过失，就不能成功索赔。
为了确保外空活动有序开展，加强各国在外空活动中的协调与合作，有必要就外空物体的发射和运营形成系统和规范的信息情报体系。外空物体的登记制度无疑能够满足这方面的最低需求。《关于登记射入外层外空物体的公约》（简称《登记公约》）于1974年11月12日经联合国大会通过，1976年9月15日生效。截至2020年1月1日，共有69个批准国。中国在1988年加入该公约。
《登记公约》规定，各国应建立外空物体国内登记制度。《登记公约》要求发射国在发射一个外空物体进入或越出地球轨道时，应以登入其所须保持的适当登记册的方式登记该外空物体。由此可见，发射国在有关国内登记方面有建立国内外空物体登记册、对本国发射的外空物体进行登记的义务。中国国家航天局是我国负责民用航天管理及国际空间合作的政府机构，履行政府相应的管理职责，对航天活动实施行业管理，使其稳定、有序、健康、协调地发展，代表中国政府组织或领导开展航天领域对外交流与合作等活动。
《外空条约》第8条规定，外空物体的登记国应对该物体及其所载人员保有管辖权和控制权。该条约的规定并不具体，不具有可操作性。如何登记，向谁登记，以及需要登记哪些内容等，都不能得到答案。《登记公约》将该条进一步具体化，在强制的基础上设置一个由联合国秘书长保存的进入外空物体总登记册，要求发射国将外空物体的信息录入国内登记册，并通知联合国秘书长。
发射国是外空物体的登记国。但如果出现两个或两个以上发射国时，这些发射国应共同决定由其中某一发射国登记该外空物体。这并不妨碍各发射国就外空物体及其人员的管辖和控制问题缔结适当协定。由此可见，外空物体的管辖和控制权并没有绝对地与登记国联系在一起，在某些情形下，允许通过协议的形式将两者分离。
《登记公约》第4条规定，每一登记国都应在切实可行的范围内尽速向联合国秘书长提供外空物体的下列情报：
（1）发射国的国名；
（2）外空物体的适当标志或其登记号码；
（3）发射的日期和地点；
（4）基本的轨道参数；
（5）外空物体的一般功能。
《登记公约》还规定，每一登记国都应随时向联合国秘书长提供有关其登记册内所载外空物体的其他情报；每一登记国都应在切实可行的最大限度内，尽速将其曾提送情报的原在地球轨道内但现已不复在地球轨道内的外空物体通知联合国秘书长。这一规定不仅是为了保证国家登记外空物体，还有其他目的：一是确保各国外空活动的透明度；二是为外空物体造成的损害赔偿明确具体的赔偿国家，便于追责；三是便于确定对外空物体存在管辖和控制权的国家。
《指导各国在月球和其他天体上活动的协定》（简称《月球协定》）于1979年12月5日经联合国大会通过，1984年7月11日生效。截至2020年1月1日，《月球协定》共有18个批准国。截至目前，中国没有加入该协定，世界上主要航天国家中，除了印度、法国是签署国之外，其他国家也都没有签署或加入该协定，所以该协定的效力范围十分有限。
《月球协定》重申了《外空条约》明确的，月球的探索和利用应是全体人类的事情并应为一切国家谋福利，而不论其经济或科学发展程度如何，同时进一步明确了外空及天体的自然资源归属问题。《月球协定》第11条第1款明确规定，月球及其自然资源均为全体人类的共同财产。第11条第3款进一步指出：“月球的表面或表面的下层或其他部分或其中的自然资源均不应成为任何国家、政府间国际组织或非政府间国际组织、国家组织或非政府实体或任何自然人的财产。在月球表面或表面下层，包括与月球表面或表面下层相连接的构造物在内，安置人员、航天器、装备设施、站所和装置，不应视为对月球或其任何领域的表面或表面下层取得所有权。”《月球协定》的上述规定，是对《外空条约》第2条的进一步扩展和解释，从总体上解决了月球上既存的自然资源的归属问题，即月球的自然资源属于全人类共同财产。
从资源开发的目的看，月球资源开发可以分为科研开发与商业开发两大类。《月球协定》第6条第2款澄清了用于科研目的的月球资源的开发和利用问题，指出缔约国为促进本协定各项规定的实施而进行科学研究时，应有权在月球上采集并移走矿物和其他物质的标本；发动采集此类标本的各缔约国可保留其处置权，并可为科学目的而使用这些标本。针对月球资源的商业开发问题，《月球协定》第11条第5款做了原则性规定，指出缔约国承诺一旦月球自然资源的开发即将可行时，建立指导此种开发的国际制度。这样，《月球协定》实际上只解决了用于科研目的的月球自然资源开发和利用问题，而把用于商业目的的月球自然资源开发和利用问题留给未来的国际制度去解决。
《月球协定》指出的这种开发制度，要求与所有缔约国分享月球资源开发带来的惠益，而且还应当对发展中国家的利益给予特别的照顾。多数国家认为这种规定难以接受。这也是主要航天国家没有加入《月球协定》的主要原因。
除了上述专门规定外空活动的国际规则之外，国际电信联盟法律文件通过对卫星等航天器轨道和电磁频谱分配管理影响外空活动。国际电信联盟法律文件是国际电信联盟制定的一系列法规。国际电信联盟设有无线电通信部门（ITU-R），负责管理国际无线电频谱和卫星轨道资源。1989年，尼斯大会同意将当时《国际电信公约》中更为长期性的条款放入《国际电信联盟组织法》，以便于使修正的部分形成《国际电信联盟公约》。《国际电信联盟公约》是对《国际电信联盟组织法》的补充，《无线电规则》附属于《国际电信联盟组织法》和《国际电信联盟公约》。《国际电信联盟组织法》《国际电信联盟公约》《无线电规则》建立了成员国卫星轨道频段使用的框架规章，对无线电频谱和频率进行指配，对卫星轨道位置和其他参数进行分配和登记，同时责成成员国避免无线电有害干扰。军用卫星的无线电业务和通信依照国际电信联盟规定进行登记和运行的，也受此“不受有害干扰”规定的保护。
根据国际电信联盟（ITU）《无线电规则》，卫星频率和轨道资源分配方式主要有两种：一是协调方式，即通过申报与协调手段合法地“先登先占”的抢占方式，对于非规划频段的卫星频率分配，需经过申报、协调和通知三个阶段，以获得所需的卫星频率，并且能得到国际保护；二是规划方式，即通过规划的手段“平等”分配、规划卫星业务资源。规划的实质是为发展中国家预留卫星频率和轨道资源，保障发展中国家在将来有能力时，有最低限度的卫星频率和轨道资源可用。现行的《无线电规则》分别为卫星广播业务（广播卫星）和卫星固定业务（通信卫星）制定了规划，规划内的卫星频率和轨道资源永远有效。当前，协调方式是卫星频率和轨道资源获取的主要方式。
卫星频率和轨道资源的国际协调方式，有学者称为后验的分配方式。该方式主要依据ITU的卫星网络或卫星资料的提前公布、协调、频率指配的通知和登记三段式协调程序，进行卫星频率和轨道资源的分配。其实质上是一种“先登先占”或“先来先得”的分配方式，即只要按照《无线电规则》所规定的协调程序进行了协调，并最终在频率登记总表上进行了频率指配的登记，该频率的使用权就得到了国际认可。《无线电规则》规定了ITU的卫星业务频率申报协调程序大致要经过以下三个阶段。
为尽量避免各国拟实施的卫星网络产生相互干扰，ITU要求各国无线电管理政府主管部门，在卫星网络投入使用前不早于7年且不晚于2年，向ITU申报并公布拟使用的卫星频率资源。各国无线电管理政府主管部门应按照ITU《无线电规则》中要求的参数和格式，用ITU规定的专用软件，向ITU申报电子格式的卫星网络提前公布资料（简称API资料）。ITU通过国际频率信息通函（简称IFIC），将接收到的合格的API资料向全世界公布。因此，各国政府主管部门就某一卫星系统频率进行指配之前，应向ITU-R送交该卫星网络或系统的一般说明，包括轨道、波束、频段、极化、业务类别、发射类别（带宽、信号强度）、应用类别、要求的保护比[如载干比（C/I）、信噪比（S/I）]等。同时，为了避免“纸卫星”的泛滥，ITU还要求各国政府主管部门提交有关卫星网络的标识信息、运营商、航天器制造商及其合同执行日期、采购的卫星数量、发射业务提供商及其合同执行日期、发射设施的名称和位置等“尽职调查”信息。
对于大多数非地球静止卫星网络和所有地球静止卫星网络来说，在第1阶段申报API资料后的2年内，还需用ITU规定的软件，依据拟实施卫星网络的参数，向ITU申报电子格式的卫星网络协调资料（简称C资料）。ITU对于不同种类卫星网络的C资料，根据《无线电规则》中不同的规则要求，对C资料进行技术和规则审查。审查合格后，ITU将上述C资料通过IFIC向世界各国公布。各国在规定的时间期限内，正式判断新申报的卫星网络是否可能对自己已经申报了的卫星网络或地面业务产生不可接受的干扰，并在规定的时间期限内将判断的最终结果和技术依据通知ITU和相应的主管部门，由此建立正式协调关系。因此，如果某一主管部门认为可能对其现有的或规划的卫星网络或系统产生不可接受的干扰，应在收到该国际频率信息通报日期的4个月内向公布资料的主管部门告知关于对其现有的或规划系统预计进行干扰的详细情况的意见，并将此意见寄送给无线电通信局。随后双方展开磋商，直到双方确保彼此网络或系统之间不会产生干扰。这个过程一般涉及多轮磋商及技术调整，往往持续数年。
经卫星网络国际频率干扰协调，消除卫星网络之间可能存在的潜在干扰后，使用ITU规定的软件，向ITU申报卫星网络的通知登记信息（简称N资料）。N资料的送交不应早于频率指配投入使用前3年。若对已送交了N资料并已投入使用的频率指配进行修改，则应在修改通知起5年内投入使用。N资料投入使用时间不能晚于API资料接收起7年。如果ITU认为有关主管部门提交的卫星网络技术信息和“尽职调查”信息均符合要求，则将有关频率的指配登记在国际频率登记总表（简称MIFR）上。
这种三段式的卫星网络和系统申报程序是一种后验的分配方式，即只要符合《无线电规则》的程序和条件，就可按“先登先占”的方式，获得国际承认的、对特定频率和轨道位置的使用权。登记在国际频率登记总表内的所有频率指配，均享有国际承认的权利。也就是说，运营商在卫星系统可以运营之时，对该指配的频率资源有法定的使用权。反之，如果该卫星系统未进行登记，或者虽已登记但是在7年的年限内未能投入运营，则整个协调过程失效，已登记的频率资源可被其他主管部门重新申请进行新的协调。因此，各国既要适时提前公布卫星网络资料以便开展协调过程，从而才可能获得一定的频率轨道资源；同时又要把握好时限要求，因为一个卫星系统的开发往往需要多年的时间，如果未能在7年之内开发成功和投入运行，则之前的技术成本和行政成本均难以收回。
（1）在航天领域，太空的范畴是如何定义的？可以进行怎样的划分？
（2）地球的运动可分为公转和自转，地球自转有何运动规律？
（3）为什么要建设地月空间经济区？
（4）太阳由哪些分层结构组成？太阳的热能是怎样通过各层向外传递的？
（5）近地空间主要物理环境有哪些？
（6）地球引力场有什么特点？其位函数可以划分为哪些部分？
（7）对航天器安全影响较大的环境是什么？为什么？
（8）太阳黑子的演化过程是怎样的？它和太阳活动有着怎样的联系？为什么会有这种现象？
（9）想一想，有没有有效的途径能减缓太空碎片的影响？
（10）太阳风暴是怎样对地球进行攻击的？可以采取哪些措施预防太阳风暴的攻击？
（11）为什么主要航天国家都未加入《月球协定》？请谈谈你的看法。
（12）《无线电规则》规定的向国际电信联盟申报卫星业务频率的程序是怎样的？