太空天氣致美40顆星鏈衛(wèi)星失效事故的啟 示

楊文凱 范 磊 黃為權(quán)

據(jù)美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）發(fā)布的官方聲明，其在2月3日18時(shí)13分（世界時(shí)，下同）最新發(fā)射的一批共計(jì)49顆星鏈衛(wèi)星，由于受磁暴的嚴(yán)重影響，其中40顆衛(wèi)星未能按照計(jì)劃進(jìn)入預(yù)定軌道，已經(jīng)或?qū)⒁繅嬋氪髿鈱尤紵龍?bào)廢。

事故發(fā)生的原因是什么

圖1 3日至4日地磁活動(dòng)水平（Kp指數(shù)）變化圖

2月3日至4日，受太陽(yáng)風(fēng)暴——日冕物質(zhì)拋射的影響，太空發(fā)生2次小磁暴（地磁指數(shù)Kp=5，如圖1所示），引起軌道大氣密度迅速增大，使得剛發(fā)射至210千米左右測(cè)試軌道的這批星鏈衛(wèi)星的飛行阻力隨之增大，導(dǎo)致其軌道高度明顯下降。盡管地面測(cè)控立即將這批星鏈衛(wèi)星調(diào)至安全模式，衛(wèi)星收縮成薄片狀，以側(cè)邊緣向前飛行，試圖通過改變飛行姿態(tài)以減小飛行阻力，但由于軌道高度的明顯下降又導(dǎo)致阻力的進(jìn)一步增大，短時(shí)間內(nèi)大氣阻力上升50%，衛(wèi)星的電推力不足以克服這么大的阻力，衛(wèi)星也就無(wú)法脫離安全模式提升運(yùn)行軌道，最終40顆衛(wèi)星即將或已經(jīng)墜入地球大氣層。造成事故的主要原因有：

第一，對(duì)磁暴等太空天氣重視程度不夠。太空天氣和地面天氣一樣能造成發(fā)射任務(wù)失敗，美國(guó)太空天氣預(yù)報(bào)中心（SWPC）于發(fā)射前近4個(gè)小時(shí)發(fā)布了磁暴事件預(yù)報(bào)，但SpaceX公司并未足夠重視，仍然發(fā)射衛(wèi)星。

第二，對(duì)磁暴等太空天氣預(yù)報(bào)能力有限。SWPC早在2月1日曾發(fā)布了2月2日中磁暴、2月3日小磁暴的預(yù)報(bào)信息，但2日19時(shí)14分取消了未來(lái)三天的所有磁暴預(yù)報(bào)。3日14時(shí)28分又重新發(fā)布磁暴預(yù)報(bào)。盡管最后一次的預(yù)報(bào)正確，但預(yù)報(bào)信息的反復(fù)修改如同“狼來(lái)了”，可信度大打折扣。

第三，小衛(wèi)星容災(zāi)能力弱，逐步升高軌道的推進(jìn)策略更使其“雪上加霜”。此次發(fā)射的星鏈衛(wèi)星都是小衛(wèi)星，容災(zāi)能力本來(lái)就弱。加之SpaceX出于成本和測(cè)試等方面的考慮，沒有一次性將星鏈衛(wèi)星推進(jìn)到500千米的運(yùn)行軌道，而是用火箭將衛(wèi)星發(fā)射至210千米高度停留，計(jì)劃經(jīng)測(cè)試后利用電推進(jìn)器將衛(wèi)星逐步升軌。但210千米比500千米高度的大氣稠密得多，衛(wèi)星所受阻力也大得多，衛(wèi)星遭遇小磁暴后就陷入阻力不斷增大的惡性循環(huán)中，最終造成事故。

此次事故帶給我們哪些啟示

此次大規(guī)模星鏈衛(wèi)星發(fā)射失敗，是太空天氣對(duì)空間探索活動(dòng)產(chǎn)生影響的典型個(gè)例。事故給我們帶來(lái)的啟示有：

第一，重視太空天氣對(duì)航天器發(fā)射和入軌的影響。災(zāi)害性太空天氣可能引起航天器軌道衰變、電子設(shè)備損毀、姿態(tài)異常，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)射和入軌任務(wù)失敗，因此在選擇發(fā)射窗口時(shí)必須考慮太空天氣的影響。

第二，提高太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射和磁暴等太空天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)水平。要想提高太空天氣預(yù)報(bào)能力，必須加強(qiáng)太空天氣監(jiān)測(cè)，例如我們只有持續(xù)監(jiān)測(cè)日冕拋射的物質(zhì)經(jīng)歷了什么樣的傳輸過程，才可能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)它引起的磁暴什么時(shí)候開始、什么時(shí)候結(jié)束、強(qiáng)度有多大。

第三，針對(duì)災(zāi)害性太空天氣趨于頻發(fā)的實(shí)際情況搞好太空天氣服務(wù)。當(dāng)前正處于第25太陽(yáng)活動(dòng)周上升期，災(zāi)害性太空天氣的頻率和強(qiáng)度在未來(lái)幾年將會(huì)明顯增加。通常小磁暴不會(huì)對(duì)航天活動(dòng)造成嚴(yán)重影響，但此次事故表明，航天活動(dòng)需要從任務(wù)約束、成本、必要的冗余、影響應(yīng)對(duì)等多個(gè)方面統(tǒng)籌考慮，提供有針對(duì)性、精細(xì)化的太空天氣分析和預(yù)報(bào)服務(wù)。