太陽(yáng)逐漸“暴躁”，航天器如何“自衛(wèi)”？

最近有消息稱，受太陽(yáng)耀斑等太陽(yáng)活動(dòng)加劇的影響，自7月份以來(lái)，星鏈衛(wèi)星已損失了200多顆，退役速度超過(guò)以往。那么太陽(yáng)耀斑等遙遠(yuǎn)的宇宙現(xiàn)象為何會(huì)威脅衛(wèi)星等近地軌道航天器？其背后存在怎樣的作用原理？科研人員可以采取哪些措施來(lái)防范和緩解不利狀況呢？

太陽(yáng)活動(dòng)峰值超預(yù)期

什么是太陽(yáng)活動(dòng)？簡(jiǎn)單地說(shuō)，這是太陽(yáng)大氣層里一切活動(dòng)現(xiàn)象的總稱。在太陽(yáng)活動(dòng)期間，一系列令人驚嘆的展示能量變化的壯觀景象會(huì)相繼出現(xiàn)，包括太陽(yáng)黑子、光斑、譜斑、耀斑、日珥和日冕瞬變事件等。

太陽(yáng)耀斑爆發(fā)示意圖

比如，太陽(yáng)黑子是指太陽(yáng)光球中的暗黑斑點(diǎn)，其磁場(chǎng)比周圍更強(qiáng)，溫度比周圍更低，但仍超過(guò)4000攝氏度。太陽(yáng)耀斑則是最劇烈的太陽(yáng)活動(dòng)之一，也稱為“色球爆發(fā)”，主要表現(xiàn)是在數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)內(nèi)，從太陽(yáng)內(nèi)部向外拋射出一團(tuán)日冕物質(zhì)，其拋射速度在巔峰狀態(tài)會(huì)超過(guò)1000公里/秒，蘊(yùn)含的巨大能量可想而知。

日珥是太陽(yáng)周圍的紅色環(huán)圈，從天文望遠(yuǎn)鏡中，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)圈上跳動(dòng)著鮮紅的火舌。日珥爆發(fā)前往往維持在數(shù)千攝氏度，一旦與上百萬(wàn)攝氏度的日冕發(fā)生作用，就會(huì)呈現(xiàn)壯觀的爆發(fā)效果。

要想理解這些現(xiàn)象為何會(huì)干擾航天器，就要深入探究其原理。從本質(zhì)上講，太陽(yáng)活動(dòng)源于太陽(yáng)大氣層中時(shí)而劇烈、時(shí)而弱化的電離過(guò)程，一般以11年為有規(guī)律周期。處于活動(dòng)劇烈期的太陽(yáng)也稱為“擾動(dòng)太陽(yáng)”，往往會(huì)向外輻射大量紫外線、X射線、粒子流和強(qiáng)電波等，迅速?zèng)_擊地球大氣層，進(jìn)而引發(fā)極光、磁暴和電離層擾動(dòng)等現(xiàn)象。

例如，日冕物質(zhì)拋射就是日冕的大尺度磁場(chǎng)平衡遭破壞的結(jié)果，能夠嚴(yán)重干擾太陽(yáng)風(fēng)流動(dòng)，高能粒子流和宇宙射線的效果也不容忽視，地球大氣層狀態(tài)顯然不能“幸免”。

目前，太陽(yáng)活動(dòng)達(dá)到近20年來(lái)的最高水平，不僅比之前天文學(xué)家預(yù)測(cè)的時(shí)間提前達(dá)到峰值，而且比預(yù)測(cè)強(qiáng)度高出約50%。

科學(xué)家經(jīng)過(guò)多年研究發(fā)現(xiàn)，隨著太陽(yáng)耀斑、日珥和日冕物質(zhì)拋射等現(xiàn)象更加頻繁，太陽(yáng)釋放的高能粒子和極端短波輻射（如X射線、紫外線）更加強(qiáng)大，地球磁場(chǎng)和衛(wèi)星通信效果均受到了顯著“擾亂”，甚至給航天器帶來(lái)了更具災(zāi)難性的危害。

航天器為何“受害”

盡管太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球氣候的影響存在爭(zhēng)議，但航天器面臨的高能粒子流、空間輻射等威脅已經(jīng)擺在了各國(guó)航天科研人員的面前：去年2月，太陽(yáng)輻射爆發(fā)造成強(qiáng)烈地磁暴，導(dǎo)致SpaceX公司的約40顆衛(wèi)星在發(fā)射不久后難以正常升軌，被迫再入大氣層；自今年夏季起，各國(guó)航天器失效或提前到壽的現(xiàn)象逐漸增多，表明運(yùn)行在近地軌道上的衛(wèi)星承受了更苛刻的工作環(huán)境，多國(guó)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商由此面臨著巨大挑戰(zhàn)。

為什么遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)活動(dòng)會(huì)對(duì)近地軌道航天器造成如此顯著的影響呢？科研人員對(duì)這個(gè)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)是在總結(jié)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上逐漸深入的。

在早期航天活動(dòng)中，科研人員逐漸發(fā)現(xiàn)：地球周圍空間存在著大量高能帶電粒子的聚集區(qū)，被稱作“地球輻射帶”，而這些高能帶電粒子會(huì)對(duì)航天器造成輻照損傷，導(dǎo)致電子器件性能衰退。

隨著越來(lái)越多的衛(wèi)星被發(fā)射上天，出乎地面團(tuán)隊(duì)預(yù)料的故障時(shí)有發(fā)生?？蒲腥藛T逐漸發(fā)現(xiàn)：太陽(yáng)活動(dòng)會(huì)造成太空中某區(qū)域的等離子體濃度增大，進(jìn)而驅(qū)使航天器“充電”到數(shù)千伏甚至上萬(wàn)伏的高壓，隨后又會(huì)產(chǎn)生劇烈的“放電”現(xiàn)象，強(qiáng)大的電流波動(dòng)往往會(huì)導(dǎo)致航天器元器件瞬間損壞。

太陽(yáng)高能粒子流沖擊地球大氣層示意圖

即使航天器幸運(yùn)地“逃過(guò)一劫”，由于“放電”現(xiàn)象伴隨著強(qiáng)勁的電磁脈沖，仍會(huì)干擾航天器有效載荷正常工作。一旦出現(xiàn)天地通信中斷、衛(wèi)星因供電不足而失穩(wěn)等意外情況，地面團(tuán)隊(duì)就要面臨所謂“單粒子事件”的困擾。

20世紀(jì)80年代，體積小、集成度高、能耗低的微電子器件逐漸在航天器上廣泛應(yīng)用，這類器件對(duì)電磁異常更加敏感。因此，太陽(yáng)系乃至銀河系宇宙射線、地球輻射帶中的高能帶電粒子，特別是重離子等，究竟會(huì)對(duì)航天器運(yùn)行造成怎樣的量化影響？成為各國(guó)航天機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)研究課題。

后來(lái)，科研人員又發(fā)現(xiàn)：相對(duì)論電子通量增強(qiáng)事件是造成地球同步軌道衛(wèi)星等航天器故障的主要因素之一。相對(duì)論電子是指運(yùn)動(dòng)速度逼近光速的電子，在地球輻射帶中并不少見。如果太空中相對(duì)論電子的通量（可以視為濃度）上升，很可能引發(fā)磁層內(nèi)危害最大的災(zāi)害性空間天氣現(xiàn)象，航天器受損概率將增大。相對(duì)論電子因此被研究者稱為“殺手電子”，相關(guān)防范措施成為各國(guó)航天工程關(guān)注的熱點(diǎn)。

多管齊下規(guī)避威脅

為了在越來(lái)越劇烈的太陽(yáng)活動(dòng)作用下保障航天器安全，各國(guó)科研人員需要針對(duì)航天器設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、制造和發(fā)射等不同階段，多管齊下，采取各種防范措施。

解決問(wèn)題，最好的辦法是在“根”上下功夫，在航天器設(shè)計(jì)階段就應(yīng)采取一系列保障措施。首先，科研人員要明確航天器的適用空間環(huán)境條件，制定相應(yīng)規(guī)范。這些規(guī)范既要保障航天器的壽命及穩(wěn)定可靠運(yùn)行，又適當(dāng)留有余地，控制成本。此外，科研人員需要制定地面模擬試驗(yàn)的技術(shù)條件、研制器件的規(guī)范、原材料選用目錄等，還要制定應(yīng)急預(yù)案，以便及時(shí)處置災(zāi)難性太陽(yáng)活動(dòng)、衛(wèi)星運(yùn)行異常等情況。

在航天器研制階段，科研人員需要按規(guī)范進(jìn)行空間環(huán)境模擬試驗(yàn)，并對(duì)航天器的元器件、原材料進(jìn)行抗輻照試驗(yàn)。為保險(xiǎn)起見，科研人員有必要反復(fù)檢查空間環(huán)境適應(yīng)性及相關(guān)措施，并驗(yàn)證之前制定的應(yīng)急預(yù)案。

在航天器發(fā)射及在軌運(yùn)行階段，貌似“無(wú)法回頭”，但其實(shí)仍有辦法應(yīng)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的影響。比如，科研人員會(huì)選擇安全的發(fā)射窗口，不僅滿足任務(wù)要求，還要充分考慮目標(biāo)空間的氣象條件，包括高層大氣密度預(yù)報(bào)、電離層狀態(tài)預(yù)報(bào)和流星體出現(xiàn)概率預(yù)報(bào)等。

太陽(yáng)活動(dòng)威脅航天器示意圖

航天器入軌后，地面團(tuán)隊(duì)要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空間環(huán)境，“抓住”瞬息萬(wàn)變的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)，幫助飛控人員及時(shí)采取措施，避免或降低空間環(huán)境事件的影響，同時(shí)為分析航天器異常情況提供依據(jù)。此外，建立空間環(huán)境警報(bào)機(jī)制，應(yīng)該是當(dāng)前最有效的太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)策。

空間等離子體很容易造成航天器“充電”故障，科研人員為此準(zhǔn)備了兩種防范辦法：一是計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，二是在等離子體模擬試驗(yàn)室里進(jìn)行試驗(yàn)。有關(guān)模擬和試驗(yàn)需要綜合考慮空間環(huán)境、日照狀況和航天器形狀、結(jié)構(gòu)、表面材料等多種因素，可以預(yù)測(cè)空間環(huán)境對(duì)航天器的影響，以便制定航天器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)方案，優(yōu)化控制方法，延長(zhǎng)航天器壽命。針對(duì)地球同步衛(wèi)星、極軌衛(wèi)星等不同軌道要求，模擬軟件和試驗(yàn)應(yīng)有所優(yōu)化。

其實(shí)，研究太陽(yáng)活動(dòng)等空間環(huán)境因素對(duì)航天器影響，針對(duì)元器件、原材料及航天儀器的輻照試驗(yàn)必不可少，主要包括總劑量輻照試驗(yàn)、單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)和加速器輻照試驗(yàn)。

總劑量輻照試驗(yàn)可以確定元器件、原材料的計(jì)量指標(biāo)，提供航天器抗輻照設(shè)計(jì)依據(jù)。試驗(yàn)中，針對(duì)電子元件和太陽(yáng)能電池的特性差異，會(huì)采用不同的輻照源。單粒子翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)往往在真空條件下進(jìn)行，芯片器件需加電工作、在線測(cè)量，必要時(shí)使用重離子加速器，模擬空間環(huán)境。加速器輻照試驗(yàn)主要針對(duì)航天儀器整機(jī)，通過(guò)加電工作，測(cè)試抵御空間粒子輻照的能力。

總之，科研人員要在航天器任務(wù)全流程中開展細(xì)致的監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)，逐項(xiàng)排除隱患，準(zhǔn)備好應(yīng)急預(yù)案，促使航天器更加安全、長(zhǎng)壽地完成科學(xué)和應(yīng)用目標(biāo)。（作者：聞新 趙子涵 胥森 圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局 把關(guān)專家：中國(guó)航天科技集團(tuán)科技委副主任 江帆）