“星鏈”衛(wèi)星毀于地磁暴事件空間環(huán)境分析

羅冰顯 王榮蘭 劉衛(wèi) 閆瑞東 任廷領(lǐng) 任書(shū)儀 劉四清 雷久侯

（1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院）

2022 年2 月8 日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）發(fā)布聲明稱，2 月3 日發(fā)射的一個(gè)批次49 顆“星鏈”（Starlink）衛(wèi)星，有多達(dá)40 顆因受地磁暴影響可能已經(jīng)或?qū)⒁诖髿鈱訅嫐АＴ撓ⅠR上在社會(huì)上引起熱議，也引起了相關(guān)專業(yè)人員的關(guān)注和疑慮：一個(gè)普通的小地磁暴真能一下摧毀美國(guó)40 顆衛(wèi)星嗎？就此，我們利用國(guó)內(nèi)子午工程等空間環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)模型，分析了發(fā)射前后的空間天氣變化，以及“星鏈”衛(wèi)星軌道上的空間環(huán)境狀況，評(píng)估了空間環(huán)境的影響。

1 “星鏈”事件始末

據(jù)SpaceX 公司官網(wǎng)報(bào)道，世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間2022年2 月3 日18：13，SpaceX 公 司 使 用 獵 鷹-9（Falcon－9）火箭從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心的LC-39A 發(fā)射場(chǎng)向近地軌道發(fā)射了49 顆“星鏈”衛(wèi)星，衛(wèi)星順利進(jìn)入近地點(diǎn)210km、遠(yuǎn)地點(diǎn)340km的軌道。按照預(yù)定流程，衛(wèi)星入軌后會(huì)停泊在近地點(diǎn)210km 的極低軌道，進(jìn)行一系列在軌測(cè)試，確認(rèn)衛(wèi)星狀態(tài)良好后，才會(huì)啟動(dòng)電推進(jìn)器進(jìn)行升軌。然而，衛(wèi)星在2 月4 日遭遇地磁暴，據(jù)SpaceX 公司報(bào)道，相比以往發(fā)射，本次任務(wù)大氣阻力增加了50%。雖然SpaceX 公司命令衛(wèi)星進(jìn)入安全模式，轉(zhuǎn)為側(cè)面迎風(fēng)的姿態(tài)飛行，以最大限度減少阻力，但該策略并未奏效，低空增加的阻力使衛(wèi)星離開(kāi)安全模式，導(dǎo)致多顆衛(wèi)星無(wú)法順利升軌。

根據(jù)后續(xù)公開(kāi)資料，本批次49 顆“星鏈”衛(wèi)星最終只有11 顆順利升軌進(jìn)入工作軌道，其余38 顆均墜入大氣層燒毀。

2 “星鏈”事件前后的空間天氣

衛(wèi)星發(fā)射前后，太陽(yáng)較為活躍，空間天氣總體處于擾動(dòng)狀態(tài)。衛(wèi)星發(fā)射前的1 月29 日21:57，太陽(yáng)上爆發(fā)了一個(gè)“日冕物質(zhì)拋射”（CME）事件，導(dǎo)致地球于2 月3 日9-15 時(shí)發(fā)生小地磁暴。之后，“星鏈”衛(wèi)星于2 月3 日18 時(shí)發(fā)射。2 月4 日15-21 時(shí)，在一次冕洞高速流與弱CME 疊加過(guò)程的影響下，地球再次發(fā)生了小地磁暴。

3 “星鏈”事件期間的軌道大氣密度變化

利用多種方式進(jìn)行210km 高度附近大氣密度的分析，包括空間環(huán)境模式計(jì)算、空間站大氣密度直接監(jiān)測(cè)、200 多千米高度大氣密度反演等。

“星鏈”事件期間引起地球磁暴的太陽(yáng)日冕物質(zhì)拋射（左）和冕洞（右）

“星鏈”第38 批次衛(wèi)星發(fā)射前后遭遇小地磁暴

根據(jù)空間環(huán)境模式計(jì)算，相比2 月2 日空間環(huán)境較為平靜時(shí)，2 月4 日的磁暴引起了210km 高度大氣密度的增加，高緯地區(qū)相比低緯地區(qū)增幅更高，就“星鏈”衛(wèi)星軌道上的平均大氣密度而言，增幅約為10%。根據(jù)空間站在軌大氣觀測(cè)數(shù)據(jù)，在發(fā)射當(dāng)日和第二天，大氣密度有所抬升，發(fā)射當(dāng)日大氣密度增幅約為15%，發(fā)射第二天大氣密度增幅約為12%。此外，利用類似“星鏈”衛(wèi)星高度的宇宙碎片的軌道數(shù)據(jù)，進(jìn)行了大氣密度反演計(jì)算，發(fā)射當(dāng)日初始時(shí)刻地磁平靜期的密度值約為1.77×10kg/m，磁暴發(fā)生后，密度迅速增至約1.94×10kg/m，隨后，地磁擾動(dòng)減弱，密度隨之有所降低，發(fā)射后第二天，在大氣密度沒(méi)有恢復(fù)至平靜水平的情況下，再次發(fā)生小地磁暴，大氣密度再一次升高，上升至約2.00×10kg/m，磁暴事件導(dǎo)致210km 高度的全球大氣密度相比平靜期增幅約為13%。

此外，美國(guó)太空跟蹤網(wǎng)站（Space-Track）發(fā)布的一顆已經(jīng)隕落的“星鏈”衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)表明，本次大氣密度增強(qiáng)影響了衛(wèi)星通過(guò)推進(jìn)器進(jìn)行軌道維持，衛(wèi)星的軌道衰減，使得衛(wèi)星經(jīng)歷的大氣密度進(jìn)一步上升。2 月6 日凌晨，3h 內(nèi)衛(wèi)星軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)下降了36km，近地點(diǎn)下降了7km，受地磁暴加熱大氣和衛(wèi)星軌道降低兩個(gè)因素的共同影響，3h 內(nèi)兩個(gè)軌道圈次衛(wèi)星經(jīng)歷的平均大氣密度產(chǎn)生了約40%的上升。

我們同時(shí)對(duì)比了“星鏈”歷次發(fā)射時(shí)面臨的空間天氣情況，主要是對(duì)軌道大氣密度產(chǎn)生直接影響的地磁擾動(dòng)指數(shù)Ap 和太陽(yáng)輻射指數(shù)F10.7。可以看到，相比以往發(fā)射，本次發(fā)射的地磁Ap 指數(shù)和F10.7 指數(shù)有較大幅度增長(zhǎng)，這也說(shuō)明本次發(fā)射面臨的大氣密度和阻力會(huì)更大。“星鏈”前期也有若干次將衛(wèi)星發(fā)射到210km 軌道高度附近，利用空間環(huán)境模式計(jì)算，受更高的太陽(yáng)輻射和地磁擾動(dòng)影響，本次發(fā)射相比以往類似發(fā)射的大氣密度增幅達(dá)到了50%以上。

宇宙-1408 碎片（編號(hào)49795）軌道數(shù)據(jù)反演的210km 大氣平均密度

4 “星鏈”事件可能原因分析

目前，根據(jù)公開(kāi)資料，尚無(wú)法準(zhǔn)確得知該衛(wèi)星在整個(gè)過(guò)程中不同工作模式下的姿態(tài)、迎風(fēng)面積和電推進(jìn)功率。但總體而言，衛(wèi)星軌道抬升或下降取決于推進(jìn)器的推力與大氣阻力之間的差異，電推力無(wú)法補(bǔ)償大氣阻力可能是導(dǎo)致衛(wèi)星再入的主要原因。

“星鏈”歷次發(fā)射當(dāng)日的地磁Ap 指數(shù)和太陽(yáng)F10.7 指數(shù)

SpaceX 公司出于成本和測(cè)試等方面的考慮，采用了將衛(wèi)星發(fā)射至210km×340km 的小橢圓軌道，利用霍爾效應(yīng)電推進(jìn)器，將衛(wèi)星逐步升軌至340km或更高運(yùn)行軌道的衛(wèi)星部署方式。對(duì)“星鏈”歷次發(fā)射后的升軌過(guò)程分析表明，“星鏈”衛(wèi)星的平均電推力約為10 ～15mN。相比以往，本次發(fā)射期間地磁擾動(dòng)和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度有較大幅度增長(zhǎng)，其面臨的大氣阻力比歷次發(fā)射都高，根據(jù)計(jì)算，若衛(wèi)星的姿態(tài)不能穩(wěn)定控制，克服大氣阻力所需要的推力很容易達(dá)到15 ～20mN 以上，在電推進(jìn)力較為有限的情況下，大氣密度的上升可能會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星電推力無(wú)法與大氣阻力相匹配的情況，從而使衛(wèi)星陷入軌道不斷衰減的惡性循環(huán)，導(dǎo)致任務(wù)失敗。此外，雖然地磁暴僅導(dǎo)致發(fā)射前后相比約10%左右的大氣密度增加，但熱層大氣密度隨高度呈指數(shù)關(guān)系變化，隨著衛(wèi)星軌道高度下降，其面臨的大氣阻力會(huì)快速上升，當(dāng)電推進(jìn)的推力無(wú)法補(bǔ)償衛(wèi)星遭受的大氣阻力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星很快隕落。

另一方面，SpaceX 公司在面臨未知或預(yù)期之外的空間環(huán)境情況時(shí)，沒(méi)有制定完善預(yù)案并采取妥當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)策略也可能是導(dǎo)致衛(wèi)星再入的一個(gè)因素。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，“星鏈”衛(wèi)星的部署方式與常規(guī)模式不同，它是隨上面級(jí)的轉(zhuǎn)動(dòng)而非常緩慢地部署出去，每顆的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量稍有不同，衛(wèi)星間可能會(huì)有少量接觸，但速度很慢。衛(wèi)星部署后會(huì)很快開(kāi)機(jī)，然后開(kāi)始對(duì)離子推力器進(jìn)行加溫，并開(kāi)展多項(xiàng)狀態(tài)檢查。衛(wèi)星部署后姿態(tài)會(huì)不穩(wěn)定，從而會(huì)導(dǎo)致不同的面積質(zhì)量比，因此衛(wèi)星釋放后的軌道衰減幅度會(huì)不同。2022 年1 月19 日的發(fā)射與此次類似，發(fā)射附近有一次小地磁暴，衛(wèi)星釋放的高度也是210km×340km的小橢圓軌道，只是太陽(yáng)F10.7 指數(shù)比2 月3 日的發(fā)射低。發(fā)射后，SpaceX 公司在進(jìn)行衛(wèi)星測(cè)試后轉(zhuǎn)入升軌模式，且全部抬升成功。2 月3 日的發(fā)射，SpaceX 公司在衛(wèi)星入軌后同樣先進(jìn)行在軌測(cè)試，隨后為了應(yīng)對(duì)磁暴影響轉(zhuǎn)入安全模式，增加的阻力導(dǎo)致大部分衛(wèi)星無(wú)法轉(zhuǎn)入升軌模式。對(duì)比兩次發(fā)射，雖然在發(fā)射前都剛剛經(jīng)歷了一次小磁暴，但其空間環(huán)境情況和發(fā)展過(guò)程存在兩點(diǎn)顯著差異：①受更強(qiáng)的太陽(yáng)輻射影響，2 月3 日發(fā)射相比1 月19 日的發(fā)射，210km 高度的大氣密度更高；②2 月3 日發(fā)射后，在衛(wèi)星未完成在軌測(cè)試時(shí)，即遭遇了新的小磁暴，大氣密度進(jìn)一步增加，衛(wèi)星軌道衰減加快，而1 月19 日的發(fā)射，衛(wèi)星發(fā)射后空間環(huán)境由擾動(dòng)轉(zhuǎn)為平靜，大氣密度處于降低過(guò)程，衛(wèi)星軌道衰減沒(méi)有大幅增加，可以從容完成在軌測(cè)試并成功升軌。SpaceX 公司在面對(duì)這兩種未知或預(yù)期之外的空間環(huán)境情況下，預(yù)案不足或應(yīng)對(duì)措施不當(dāng)，可能也是導(dǎo)致失敗的原因之一。

根據(jù)相關(guān)報(bào)道，SpaceX 公司吸取了2 月3 日發(fā)射衛(wèi)星因初始軌道太低以及受到地磁暴嚴(yán)重影響的教訓(xùn)，在2 月21 日第39 次發(fā)射中，將衛(wèi)星數(shù)目減少為46 顆，將軌道抬升至初始入軌點(diǎn)325km×337km、傾角53.2°的一條近圓形軌道，并成功部署。

5 啟示和建議

“星鏈”事件是歷史上首次因空間天氣而造成數(shù)十顆衛(wèi)星隕落的事件，給蓬勃發(fā)展的航天活動(dòng)敲響了警鐘。值得注意的是，本次地磁暴只是一個(gè)非常普通的空間天氣事件，根據(jù)數(shù)十年的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，小地磁暴平均每年有54 天，太陽(yáng)活動(dòng)高年可達(dá)126 天。“星鏈”衛(wèi)星自2019 年開(kāi)始快速部署，正好與2019年12 月開(kāi)始的第25 周太陽(yáng)活動(dòng)周發(fā)展過(guò)程相重合，兩年多來(lái)，太陽(yáng)活動(dòng)水平持續(xù)上升，未來(lái)幾年將會(huì)頻繁發(fā)生空間天氣事件。雖然小地磁暴一般不會(huì)對(duì)航天活動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，但“星鏈”事件表明，從任務(wù)約束、成本、必要的冗余、影響應(yīng)對(duì)、工程策略等多個(gè)方面統(tǒng)籌考慮，需要針對(duì)性、精細(xì)化的空間環(huán)境分析和預(yù)報(bào)支持，避免衛(wèi)星工作于可能影響成敗的空間環(huán)境“邊界”線上。

此外，“星鏈”事件是受低軌大氣嚴(yán)重影響而導(dǎo)致失敗的一個(gè)典型事例，太空中還存在其他幾類能夠?qū)教旎顒?dòng)產(chǎn)生影響的環(huán)境要素，包括等離子體環(huán)境、高能粒子環(huán)境等。例如，原子氧對(duì)衛(wèi)星表面有剝蝕效應(yīng)；電離層擾動(dòng)影響星間和星地通信，會(huì)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航、雷達(dá)成像、短波通信等涉及電波傳播和電磁環(huán)境的技術(shù)手段產(chǎn)生嚴(yán)重影響；輻射環(huán)境會(huì)引起表面充電、深層充電、單粒子效應(yīng)和位移損傷等效應(yīng)，影響衛(wèi)星的正常運(yùn)行和壽命，在衛(wèi)星經(jīng)過(guò)南大西洋異常區(qū)時(shí)，輻射效應(yīng)顯著增強(qiáng)。在航天活動(dòng)中，也需要對(duì)這些環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行針對(duì)性的應(yīng)對(duì)。

隨著第25 周太陽(yáng)活動(dòng)周發(fā)展，以及更多的新技術(shù)部署在更廣闊的太空范圍，未來(lái)幾年空間環(huán)境擾動(dòng)對(duì)航天活動(dòng)的影響將逐步增強(qiáng)，需要不斷提升空間環(huán)境的認(rèn)知，構(gòu)建有效的應(yīng)對(duì)策略，保障航天活動(dòng)的順利實(shí)施。