科學家預計2012強太陽風暴將挑戰全球空間衛星

　　4月5日，國際通信衛星組織Intelsat公司所屬的“銀河-15”衛星出現故障，在距地面3.6萬公里的高空漂移，成為太空垃圾，很可能會進入另一顆代號為“AMC 11”的衛星的運行軌道，形成碰撞威脅。

　　5月8日，“銀河-15”衛星制造商軌道科學公司首席執行官David W. Thompson稱，故障原因可歸咎于4月3日～5日期間的太陽風暴。5月11日，負責運營“銀河-15”衛星的國際通信衛星有限公司證實了這一說法。

　　“研究人員現在對‘銀河-15’衛星發生故障原因的認識基本一致。這顆衛星極有可能是被空間高能電子誘發的深層充放電效應摧毀的。”5月14日，空間環境特殊效應專家、中科院空間中心研究員韓建偉在接受《科學時報》采訪時說。

　　充放電效應是與太陽風暴相關的空間帶電粒子三大危害效應的一種。這種效應可使衛星表面及內部帶很高的靜電，靜電放電會損壞衛星器件或材料。有記錄表明，靜電最高時達到2萬伏特。

　　空間科學研究人員經常登錄的英國衛星新聞網于5月12日才公布了“銀河-15”衛星出現故障的消息。韓建偉得知這一消息時的感覺是既興奮又憂慮。

　　“‘銀河-15’衛星出現故障再次證實了科學界對新一輪強太陽風暴即將來臨的判斷。這也表明包括美國空間衛星制造商在內的衛星研制和制造單位歷經10多年，仍沒有完全掌握有效應對太陽風暴的手段。這是最值得我們專業人員反思的。”韓建偉說。

　　1998年，“銀河-4”衛星就是由于同樣的原因失效的。當時，美國的尋呼機、移動電話、電視轉播業務大面積失靈。與此同時，德國的一顆衛星也相繼失效，加拿大、日本以及我國的衛星也在相同的時間段發生過故障。

　　通常，強太陽風暴的出現周期在11年左右。科學家預計，2012年至2014年期間將會有多次強太陽風暴出現，并有可能爆發超強太陽風暴，由此引發近地空間環境災害性變化，最終通過深層充放電效應、單粒子效應等導致衛星故障。

　　“銀河-15”衛星發生的故障表明第24個太陽峰年的臨近。“最近的監測數據表明，太陽活動處于逐漸增強的‘爬坡階段’。”韓建偉說。

　　美國國家大氣海洋局（NOAA）的GOES-11衛星監測數據表明，4月初空間高能電子環境開始出現增強現象，到“銀河-15”發生故障時，高能電子強度出現了一個峰值，較平常增高了兩個量級。

　　“目前，航天界尚不能準確掌握深層充放電效應發生的途徑。這正是‘銀河-15’重蹈‘銀河-4’覆轍的根本原因。”韓建偉表示。

　　根據國內外對航天器故障的分類統計：空間環境導致的航天器故障中，由單粒子效應和深層放電效應導致的故障分別占28.5%和24.8%。“這二者是太陽風暴危害航天安全的元兇。”韓建偉說。

　　單粒子效應導致的航天器故障較易解釋。它指的是單個高能帶電粒子在器件內部瞬間產生大量額外電荷的現象。這一現象會使衛星的運行程序發生混亂，產生虛假指令。“但嚴重危害中高軌道通信、導航衛星的深層充放電效應之謎難以解釋。”韓建偉表示。

　　深層充放電的原理就像春冬季大氣干燥人體易帶電一樣，帶電多了就需要釋放。對衛星危害最大的就是放電，這可能燒毀衛星器件或產生干擾電磁信號。

　　這種原理乍看起來很容易理解，但具體的放電途徑還需要理論研究和實驗證實。2000年，中科院空間中心開始了衛星深層充放電效應機制的理論研究。2004年，中科院空間中心開始自主研制模擬空間環境條件下的衛星充放電實驗裝置。2006年，這套國內唯一的模擬深層放電效應的裝置建成。

　　但新的問題出現了。韓建偉的研究組花5年時間做了大量模擬實驗，但始終難以觀測到放電現象。

　　“放電才是導致衛星故障的真正原因，觀測不到放電現象就難以解釋深層放電效應。早期實驗大多把單一的衛星材料放在模擬空間高能電子輻射環境下，觀測材料的充放電情況。但令我們非常困惑的是，材料可以充到上萬伏的電壓，卻很難有放電現象產生。”韓建偉介紹。

　　“問題就出現在‘材料’上！”中科院空間中心研究人員很快轉變了思路。

　　韓建偉說：“衛星是由大量不同材料按照一定布局組成的一個復雜體。在充電的時候，材料特性不一樣、布局不一樣，充電的多少也不一樣。這樣，在一定的布局下不同材料間的強電位差就形成了，放電在這種情況下最容易發生！”

　　于是，韓建偉研究組設計出了衛星上常見懸浮導體和多層結構兩種模擬部件樣品。4月7日，也就是“銀河-15”衛星出現故障后的第三天，中科院空間中心空間環境特殊效應實驗研究室首次在模擬的地球同步軌道惡劣電子環境輻照下，觀測到了深層充電誘發的放電現象。

　　面對太陽風暴引發的深層放電效應等問題，人類往往束手無策。這時候，空間衛星最簡單的應對方式就是，在空間環境預報和警報發出后被動關機，但這需要犧牲衛星的工作時間。當然，也難以做到完全關機，因為總是需要有值守的單元等待喚醒整個衛星。

　　“在深層放電效應機制沒有理清之前，主動應對需要花費高昂的代價，甚至弄巧成拙。通常的做法是提高衛星的制造成本，將衛星做得很‘堅實’。”韓建偉說，“但是這種方法仍有漏洞，看似經過加固和防護的衛星結構，不可避免地存在大量不同材料、不同布局的衛星結構和部件，它們很容易發生不同的充電，形成強的電位差而導致最終的放電。這也是‘銀河-15’衛星出現故障的根本原因。”

　　理清深層放電效應機制或將使衛星主動應對空間環境災害成為可能。

　　“這對指導衛星設計人員進行科學、有效的防護設計具有重要意義。一旦發現某類模擬衛星樣品有這種深層充放電現象，我們就可以設計一些精細的條件，弄清楚在什么條件下深層放電效應更容易發生或者更不容易發生。根據這些研究就能真正提出有效應對空間環境災害的設計措施。”韓建偉說，“這正是我們下一步將要進行的工作。”