“殺手粒子”：太空航天器克星

文/翁利斌 柯永忻

“殺手粒子”：太空航天器克星

文/翁利斌 柯永忻

“一閃一閃亮晶晶，滿天都是小星星。”近年來，我國航天事業(yè)取得了長足的進(jìn)步，衛(wèi)星發(fā)射腳步不斷加快，堪稱滿天都有“中國星”。

然而這些“中國星”在順利進(jìn)入預(yù)定軌道后，并不意味著就可以高枕無憂了。在浩瀚的宇宙中，除了太空垃圾、隕石等肉眼可見的物體會對航天器造成威脅外，還有很多潛在威脅。其中，最典型的就是高能帶電粒子，堪稱“航天器克星”。它無影無蹤，卻威力巨大，至今尚無有效手段能夠完全規(guī)避它的傷害，科學(xué)家們稱之為“殺手粒子”。

“殺手粒子”主要由電子、質(zhì)子以及少量的重離子組成，能量一般在數(shù)千至百兆電子伏特之間。這些帶電粒子來源于銀河宇宙射線及太陽向外輻射的高能量物質(zhì)，在地球磁場的束縛下，部分能量稍低的粒子“被捕捉并束縛”在地球輻射帶內(nèi)，能量較高的粒子可以突破地球磁場的“屏蔽”，甚至能夠到達(dá)地表以下。就全球范圍看，位于南大西洋上空的地磁異常區(qū)域，比相鄰區(qū)域的磁場強(qiáng)度相對偏弱，使得空間高能帶電粒子能夠較容易突破該部分磁場限制而沉降到較低高度，是引起低軌航天器異常的主要區(qū)域之一。

暴露在空間環(huán)境里的航天器在直面“殺手粒子”的沖擊時，其內(nèi)部容易出現(xiàn)充放電、單粒子和位移效應(yīng)。這些災(zāi)害性效應(yīng)將會導(dǎo)致航天器敏感元器件損傷，電路功能混亂甚至器件燒毀，影響器件成像質(zhì)量，降低太陽能電池光電轉(zhuǎn)化率，數(shù)據(jù)接收和發(fā)射出現(xiàn)錯誤，從而導(dǎo)致航天器在軌異常甚至直接損毀。更嚴(yán)重的是，對于載人飛行來說，大量的高能帶電粒子照射到航天員身上，會引起白內(nèi)障、神經(jīng)中樞和免疫系統(tǒng)的損傷，甚至可能導(dǎo)致心臟病或基因突變等危險。

2016年2月，美日等國聯(lián)合研制用于發(fā)現(xiàn)高溫高能天體釋放的X射線的“瞳”衛(wèi)星升空。據(jù)報道，幾周后，其裝載的“星體跟蹤定位器”系統(tǒng)受地球輻射帶高能帶電粒子的影響出現(xiàn)故障。由于采取了錯誤的控制方式，直接導(dǎo)致其徹底失控。我國衛(wèi)星也曾遭遇“殺手粒子”，比如“風(fēng)云一號B”衛(wèi)星受到高能粒子的轟擊時，造成了衛(wèi)星姿態(tài)失控、高速翻滾，最終提前結(jié)束使命。

你有張良計，我有過墻梯。“殺手粒子”雖然厲害，但并不意味著對其完全束手無策。目前，科學(xué)家正在加緊研究相關(guān)措施，已經(jīng)取得了一些成效。比如可以通過提前預(yù)警并暫時關(guān)閉關(guān)鍵設(shè)備、優(yōu)化衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計、增加關(guān)鍵部位防護(hù)能力、設(shè)置冗余備份等方式，降低其對航天活動的危害。

加強(qiáng)高能帶電粒子及效應(yīng)的基礎(chǔ)性研究對在軌航天器安全高效履行使命有著十分重要的意義。因此，針對高能粒子的時空分布和流量大小進(jìn)行自主探測及預(yù)警，以及提升航天器綜合防護(hù)能力并對其進(jìn)行有效監(jiān)控同樣必不可少。實踐表明，這一系列措施能夠有效降低“殺手粒子”帶來的危害，甚至可以使衛(wèi)星短暫“休整”后繼續(xù)前行。