沿着轨道飞行的航天器面临着从辐射至微陨星体的环境公害，这向设计师们提出了挑战。

沿着轨道飞行的航天器遇到的环境与在地球上遇到的环境完全不同。虽然空间中大气密度很小，但是稀薄的中性大气层和带电粒子与小块物质的存在对航天器设计提出了挑战。

我们可以把航天器面临的环境公害分成五类：真空、中性、等离子体、辐射和微陨星体/轨道碎片。每一类都可以引起各种各样不希望有的与航天器的相互作用。在某些情况下，它们可能严重到因造成过早进入大气层或使工程子系统失效而结束航天器的有效寿命。

因此，航天器设计师们在选择材料或确定机械子系统和电气子系统的尺寸时必须考虑到这些可能性。大多数的空间环境影响都是直接随航天器设计参数和轨道选择而定。了解这种依赖性并且研究可用的材料和系统的性能是飞行器预设计中的第一步。

在300公里高度（航天飞机典型使用的高度）处中性大气密度大约比海平面处低10个量级。因此，应期望航天器在类似真空的条件下飞行。地球的大气层吸收所有波长大约小于0.3微米的太阳紫外线。因而，地球表面不会受到这些较大能量光子的冲击，这些光子能够削弱分子的结合力，改变材料的特性。在没有这种保护情况下，航天器的外表将会被太阳紫外线所破坏。

航天器材料也会因来自航天器自身的污染而遭到破坏。这种污染是由于一种称为漏气的过程所引起的，发生在有机材料内挥发性化学物质能够随着时间迁移到表面逃进当地大气时（这就是“新轿车气味”和有时在新汽车内表面形成的合成薄膜的来源）。即使只有100纳米漏气材料堆集在镜面或者热控表面上，它的吸收率和透射率就可能明显下降。目前普遍认为：全球定位系统航天器自身漏气已使该定位系统的Block 1飞行器上太阳能电池板在其轨道上7.5年期间产生的电能减少了10%。为了适应航天器携带感光载荷的需要和/或延长寿命的要求，未来设计将会愈来愈强调清洁度和使用少漏气的材料。

尽管在相对项中大气密度减少10个量级是大量的，但是在绝对项中它仍然大约等于每立方米原子数。1平方米航天器以每秒8公里速度沿着轨道飞行，每小时与周围原子大约碰撞3×10²²次。每次碰撞都会把少量动量传给飞行器，这就是阻力。此力最终会使飞行器减速，随后再入大气层，除非利用航天器上推力器予以抵消。因此，航天器必须为此目的装载足够的燃料，于是确定推进子系统的尺寸以抵消预计的阻力，便成为每个航天器设计的重要组成部分。

除了产生阻力外，与周围原子碰撞也可能从航天器材料表面撞出原子来。幸而，对于大多数航天器材料来说，与这种“溅射”过程有关的剥蚀速度是非常缓慢的。最令人担心的是 · 可能由于近地轨道处大气主要成分原子氧的活性引起的各种化学作用，原子氧将与热的油漆和涂层相互作用，剥蚀连接邻近太阳电池的细的（3~4密耳）导线。由于这些作用都是视受到的原子氧总的影响而定，于是适用于航天飞机一周任务的材料，在空间站寿命期内，便有可能惨遭破坏。防止原子氧环境破坏的航天器材料，例如开普敦和镀银的泰氟隆，便成为深入细致研究的一个领域。

中性环境通常在某些材料表面附近引起辉光；这关系到航天器带感光载荷飞行的事。不幸，许多耐原子氧的材料对辉光是敏感的，反之亦然。因为发射到近地轨道的航天器包括有约占三分之一的各种各样载荷，实际上还有各种大型载人航天器，于是稀薄的中性环境便提出了重要的航天器设计问题。

各种航天器不仅与中性粒子碰撞，而且与来自当地等离子体环境的带电粒子碰撞。当中性原子被夺走电子时便形成等离子体；最终产物是带正电的原子（此刻称为离子）和带负电的电子。当太阳紫外线电离周围O和N原子时产生的近地轨道等离子体，其能量是相当小的（小于1电子伏）但却有明显的密度（大约为中性体的1%）。

因为它们的热速度不相同，离子移动比航天器慢得多，只能打击到与该飞行器速度矢量一致的那些表面。另一方面，电子移动较快，可以打击到所有表面。因此，在近地轨道上的导体将带负电，达到大约-1伏（相对于等离子体测定的），当存在电偏压表面（例如在太阳电池板上外露的太阳电池之间接头）时，问题变得更加复杂。整个系统——太阳电池板加航天器——必须相对于等离子体安排它的电位分布，使全部系统收集的离子恰好与电子一样多。

最终结果是：航天器可以使太阳电池板电压明显低于等离子体。大多数美国航天器使用28伏太阳电池板，没有遭受近地轨道电荷的有害副作用。然而，因为等离子体和航天器之间存在电位差，如果太阳电池板电压大的话，现场等离子体仪器则可能受到阻碍。在本文里，《自由》号空间站是按160伏太阳电池板进行设计的，这可以使它的结构低于等离子体的100伏。

虽然在近地轨道上不应忽略它，但是在地球同步轨道上，航天器带电通常是最令人关注的。在地球同步轨道上，等离子体温度高得多（千电子伏量级），而等离子体密度则小得很（1厘米^-3量级）。由于等离子体温度较高，曾经观察到在地球同步轨道上航天器在磁暴期间充电达到负的几千伏。

这种量级电位差因增加导体和电介质之间电弧放电的可能性而令人担忧。设计师们可以通过保证外表面尽可能均匀导电来尽量降低电位差（和发弧光的可能性）。另一种办法是，把一个低能量等离子体发生装置（称为等离子体接触器）放在航天器上，使带电表面从自身产生的等离子体中吸引低能量离子，重新达到平衡。

1957年发射《探险者Ⅰ号》之后不久，该航天器上盖革计数器记录到在环绕地球磁场线的封闭轨道上被俘获的高能带电粒子、这些粒子构成在赤道区域的粒子“带”，称之为被俘获的辐射带或范 · 阿伦带（为了纪念发现它们的主要研究人员）。该辐射带由1个质子带（峰值约在2.5地球半径处）和2个电子带（峰值约在1.5和5.5地球半径时）组成。

这些带电离子因其密度较小（小于1厘米能量较高（在兆伏范围内）有别于等离子体环境。和等离子体环境（以往此处主要考虑的是带电）不相同，此辐射环境将使航天器材料和电子设备的主体和表面特性退化。某些辐射效应是以存储在材料中的总能量为基础（总剂量效应h另一些可能由于单个高能粒子通过而引起（单个事件现象）。

总剂量效应的典型实例是，当辐射使太阳电池可能产生的电流量减少时，太阳电池输出功率就会降低。当单个粒子通过物体并留下离子化的电子和离子的尾流在其尾迹中时就可以产生单个事件现象 · 例如存储器扰动、上锁或烧毁。这可能产生局部电场，使逻辑状态倒转或引起永久性变化。单个事件现象在统计学上担保发生在证明对它们是敏感的任何装置中。因此，余度和复原算法对于设计任何对辐射敏感的部件均是重要的。

除被俘获的辐射带外，还存在着若干其它对飞行器寿命可能有明显影响的辐射源。由于辐射可能引起广泛的相互作用，所以这是深入细致研究的一个领域。

似乎上述问题还不够，在许多轨道上以每秒8公里典型速度飞行，即使与一小块物体碰撞也可能产生灾难性后果，一个直径为0.3厘米的粒子大概具有以每小时60英里速度运动的滚球的动能。一个直径为1厘米的粒子大概具有400英磅保险柜的动能。太阳系存在着它自己天然产生的称为微陨星体的粒子，这些粒子都是彗星、小行星和类似天体的破裂产物。

此外，在过去35年，人类一直在创造由人造卫星或助推火箭破裂的残片、固体火箭燃料粒子和其它物体组成的在轨道上飞行的碎片云。就大多数轨道而言，人造的轨道碎片通量目前超过了天然产生的微陨星体通量。有70.000个以上像阿斯匹林药片大小的碎片在环绕地球的轨道上。轨道碎片总数目前超过2，200吨。只对那些跨度大于10厘米的碎片经常进行跟踪；然而，跨度为1厘米的物体就有可能结束航天器的有效寿命。当航天器发射次数以每年大约2%速度不断增加时，这种问题预计会增多。

如果设计师们在设计阶段对许多空间环境的危害不进行预测和预算的话，那么航天器在抵达轨道之后有可能不会按期望的那样去执行任务。诸如《长期暴露设施》航天器那样，地基试验和轨道上实验的结果对尽量减少这些对未来任务的影响将起着重要作用。

《长期暴露设施》航天器已在近地轨道上飞行了5年又10个月，含有57项实验，旨在试验材料在空间怎样经受长期暴露。飞行后对这些试验的分析已经使研究人员能够定量确定各种材料具有的对空间环境的耐受性或敏感性。随着《长期暴露设施》航天器资料分析不断进行下去，其结果将归档供其它方案使用。要求《长期暴露设施》航天器和能在空间，环境影响领域继续进行研究的其它方案保证：航天器设计小组对在空间遇到的问题确定出系统级的最佳解。

[Aerospace America，1993年5月]