由于遭遇地磁暴 ， 美国太空探索技术公司（SpaceX）在2月3日发射的49颗星链卫星中 ， 多达40颗卫星于次日已经或将要坠入大气层损毁 。 SpaceX官方表示：受地磁暴影响 ， 卫星所在区域的大气温度上升 ， 大气密度增加 。 星载GPS显示 ， 卫星受到的大气阻力较以往发射时增加了50% ， 许多卫星很快因大气阻力过大而脱离轨道 。
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当地时间2022年2月3日 ， 美国佛罗里达州肯尼迪航天中心 ， SpaceX 启动了最新的星链（Starlink）任务 。 图/IC photo
“大家对地磁暴这个概念可能比较陌生 ， 但是地磁暴有一个非常著名的副产品 ， 极光 。 这种自然现象是在地面唯一可以用肉眼看到的由地磁暴引发的外在空间现象 。 ”银河航天姿轨控系统工程师王有松在接受新京报采访人员采访时说 ， 本次星链卫星遇到的地磁暴是太阳风暴的一种表现 ， 太阳风暴抛射出的物质和能量 ， 对航天器与航天器上的元器件及材料有着各种复杂的相互作用 ， 能对航天器产生不良影响与危害 。
地磁暴越强烈对航天器的威胁就越大
地磁暴其实是由太阳活动引起的 。 王有松解释 ， 像太阳黑子、耀斑这样剧烈的活动会产生太阳风（能量非常高的带电粒子流） ， 当太阳风到达地球与大气层里的原子、分子发生碰撞时 ， 产生光芒 ， 就会形成极光现象 。 而此时 ， 太阳风里的带电粒子流到达地球附近时 ， 对地磁场产生影响 ， 引起地磁场发生剧烈的变化 ， 这个现象就被称之为地磁暴 。
但实际上 ， 地磁暴对我们日常生活的影响并不大 。 “我们地磁场平时是比较稳定的 ， 它在地球周围相当于一层保护膜 ， 帮我们挡掉了很多宇宙射线的危害 。 ”王有松说 。 很多航天器也都依赖地磁场进行控制 。 极光虽然好看 ， 但越绚烂的极光意味着地磁暴就会越强烈 ， 对航天器的威胁也就越大 。
据介绍 ， 地磁暴能加热地球高层大气 ， 从而引起大气的膨胀 。 被加热的空气上升 ， 使得近地轨道大气密度显著增加 。 在磁暴期间 ， 空间中电子和离子的数量和能量也会显著增加 ， 会引起航天器表面充电甚至内部充电效应 ， 从而危害航天器安全 。
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据SpaceX公司估计 ， 2022年2月3日发射的49颗星链卫星中 ， 有40颗将因磁暴而被摧毁 。 图/IC photo
“对于低轨卫星来说 ， 地磁暴的主要影响应该还是大气阻力增加导致的轨道衰减问题 。 ”王有松表示 ， 大气密度的增加 ， 将导致航天器受到的大气阻力增加 ， 航天器速度减小 ， 航天器轨道衰减加速 ， 极端情况可能导致航天器陨落 。
低级别地磁暴对天和空间站轨道影响不大
就SpaceX 40颗星链卫星被摧毁事件 ， 中科院国家空间科学中心利用子午工程、中科网和天和空间站等空间环境监测数据和相关模型 ， 分析了本次星链卫星发射前后的空间环境变化以及星链卫星轨道上的空间环境状况 。
经过观测和计算确认后 ， 专家们发现 ， 这批星链卫星在210km高度遭遇到了Kp=5级别的地磁暴 ， 属于低级别的地磁暴 ， 但确实引起了星链卫星轨道高度大气密度一定程度的上升 。 此外 ， 在卫星高度下降的过程中 ， 会遭遇越来越稠密的大气 。 综合来看 ， 短时间内卫星受到的大气阻力上升50%是合理的 。
据中科院国家空间科学中心消息 ， 根据我国天和空间站大气密度的实时监测数据 ， 本次地磁暴导致空间站轨道高度上大气密度上升了约11% ， 而空间站轨道半长轴的衰减幅度从90m/day增加到140m/day ， 对天和空间站轨道的影响不大 。
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2021年4月29日 ， 海南文昌 ， 中国空间站首舱“天和核心舱”发射升空 。 图/IC photo
值得注意的是 ， 星链卫星初始运行在近地点210km的近地轨道 ， 这个高度的轨道在低轨航天器中也较少使用 。 对于脱轨卫星的风险问题 ， 王有松称 ， 通常300km以下的近地轨道多用于技术验证和离轨 ， 极少业务卫星运行在这个轨道区间 ， 所以脱轨卫星与其他卫星相撞的概率比较低 。
大气阻力是低轨道卫星设计中的重要考量因素
地磁暴的产生是由于空间天气的变化 ， 空间天气的主要影响来源于太阳 ， 太阳风暴是空间天气变化的重要因素 。
“太阳风暴向空间抛射大量的物质和能量 ， 通常表现为电磁辐射、高能带电粒子流和等离子体云三种形式 。 ”王有松告诉采访人员 ， 一般情况下 ， 太阳风暴发生时 ， 这三种物质和能量形式会同时出现 ， 先后到达地球空间 ， 引发空间环境的扰动 ， 影响到卫星的运行状况 。 本次星链卫星遇到的地磁暴就是等离子体云影响空间天气的一种表现 。
王有松称 ， 这些影响可归纳为：电离总剂量效应、单粒子效应、以及大气阻力、电离层扰动等 。 “比如 ， 太阳风暴会使大气阻力增大 ， 严重威胁航天器寿命 ， 甚至造成航天器陨落 。 同时太阳风暴引起的电离层扰动也会干扰航天器和地面的通讯 ， 从而影响航天器GPS的定位精度 。 ”
保障低轨卫星的正常运行还需要考虑大气阻力变化的影响 。 ”航天工程师在设计航天器时 ， 必须要考虑这些因素的影响 。 航天器使用的元器件要经过特殊的设计或筛选 ， 例如针对航天器的电离总剂量效应 ， 航天器上应用的电子元器件均需要经过抗总剂量效应的筛选 ， 并不是所有元器件都能经受住这道考验 。 “王有松说 。
王有松认为 ， 针对这次导致星链卫星陨落的大气阻力变化 ， 是低轨道卫星设计时需要着重考虑的因素 。 他提到 ， 卫星在设计时需要考虑好入轨及轨道维持的策略 ， 并在设计中考虑各种极端情况 ， 留好设计余量 。
新京报采访人员 张建林
【空间|地磁暴引起大气阻力增加，极端情况下可致航天器陨落】编辑 陈静 校对 王心
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