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“银河-15”重蹈“银河-4”覆辙 |
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科学家预计2012强太阳风暴将挑战全球空间卫星 |
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日益临近的强太阳风暴
4月5日，国际通信卫星组织Intelsat公司所属的“银河-15”卫星出现故障，在距地面3.6万公里的高空漂移，成为太空垃圾，很可能会进入另一颗代号为“AMC 11”的卫星的运行轨道，形成碰撞威胁。
5月8日，“银河-15”卫星制造商轨道科学公司首席执行官David W. Thompson称，故障原因可归咎于4月3日～5日期间的太阳风暴。5月11日，负责运营“银河-15”卫星的国际通信卫星有限公司证实了这一说法。
“研究人员现在对‘银河-15’卫星发生故障原因的认识基本一致。这颗卫星极有可能是被空间高能电子诱发的深层充放电效应摧毁的。”5月14日，空间环境特殊效应专家、中科院空间中心研究员韩建伟在接受《科学时报》采访时说。
充放电效应是与太阳风暴相关的空间带电粒子三大危害效应的一种。这种效应可使卫星表面及内部带很高的静电，静电放电会损坏卫星器件或材料。有记录表明，静电最高时达到2万伏特。
空间科学研究人员经常登录的英国卫星新闻网于5月12日才公布了“银河-15”卫星出现故障的消息。韩建伟得知这一消息时的感觉是既兴奋又忧虑。
“‘银河-15’卫星出现故障再次证实了科学界对新一轮强太阳风暴即将来临的判断。这也表明包括美国空间卫星制造商在内的卫星研制和制造单位历经10多年，仍没有完全掌握有效应对太阳风暴的手段。这是最值得我们专业人员反思的。”韩建伟说。
1998年，“银河-4”卫星就是由于同样的原因失效的。当时，美国的寻呼机、移动电话、电视转播业务大面积失灵。与此同时，德国的一颗卫星也相继失效，加拿大、日本以及我国的卫星也在相同的时间段发生过故障。
通常，强太阳风暴的出现周期在11年左右。科学家预计，2012年至2014年期间将会有多次强太阳风暴出现，并有可能爆发超强太阳风暴，由此引发近地空间环境灾害性变化，最终通过深层充放电效应、单粒子效应等导致卫星故障。
“银河-15”卫星发生的故障表明第24个太阳峰年的临近。“最近的监测数据表明，太阳活动处于逐渐增强的‘爬坡阶段’。”韩建伟说。
美国国家大气海洋局（NOAA）的GOES-11卫星监测数据表明，4月初空间高能电子环境开始出现增强现象，到“银河-15”发生故障时，高能电子强度出现了一个峰值，较平常增高了两个量级。
艰难的放电实验
“目前，航天界尚不能准确掌握深层充放电效应发生的途径。这正是‘银河-15’重蹈‘银河-4’覆辙的根本原因。”韩建伟表示。
根据国内外对航天器故障的分类统计：空间环境导致的航天器故障中，由单粒子效应和深层放电效应导致的故障分别占28.5%和24.8%。“这二者是太阳风暴危害航天安全的元凶。”韩建伟说。
单粒子效应导致的航天器故障较易解释。它指的是单个高能带电粒子在器件内部瞬间产生大量额外电荷的现象。这一现象会使卫星的运行程序发生混乱，产生虚假指令。“但严重危害中高轨道通信、导航卫星的深层充放电效应之谜难以解释。”韩建伟表示。
深层充放电的原理就像春冬季大气干燥人体易带电一样，带电多了就需要释放。对卫星危害最大的就是放电，这可能烧毁卫星器件或产生干扰电磁信号。
这种原理乍看起来很容易理解，但具体的放电途径还需要理论研究和实验证实。2000年，中科院空间中心开始了卫星深层充放电效应机制的理论研究。2004年，中科院空间中心开始自主研制模拟空间环境条件下的卫星充放电实验装置。2006年，这套国内唯一的模拟深层放电效应的装置建成。
但新的问题出现了。韩建伟的研究组花5年时间做了大量模拟实验，但始终难以观测到放电现象。
“放电才是导致卫星故障的真正原因，观测不到放电现象就难以解释深层放电效应。早期实验大多把单一的卫星材料放在模拟空间高能电子辐射环境下，观测材料的充放电情况。但令我们非常困惑的是，材料可以充到上万伏的电压，却很难有放电现象产生。”韩建伟介绍。
“问题就出现在‘材料’上！”中科院空间中心研究人员很快转变了思路。
韩建伟说：“卫星是由大量不同材料按照一定布局组成的一个复杂体。在充电的时候，材料特性不一样、布局不一样，充电的多少也不一样。这样，在一定的布局下不同材料间的强电位差就形成了，放电在这种情况下最容易发生！”
于是，韩建伟研究组设计出了卫星上常见悬浮导体和多层结构两种模拟部件样品。4月7日，也就是“银河-15”卫星出现故障后的第三天，中科院空间中心空间环境特殊效应实验研究室首次在模拟的地球同步轨道恶劣电子环境辐照下，观测到了深层充电诱发的放电现象。
变被动应对为主动应对
面对太阳风暴引发的深层放电效应等问题，人类往往束手无策。这时候，空间卫星最简单的应对方式就是，在空间环境预报和警报发出后被动关机，但这需要牺牲卫星的工作时间。当然，也难以做到完全关机，因为总是需要有值守的单元等待唤醒整个卫星。
“在深层放电效应机制没有理清之前，主动应对需要花费高昂的代价，甚至弄巧成拙。通常的做法是提高卫星的制造成本，将卫星做得很‘坚实’。”韩建伟说，“但是这种方法仍有漏洞，看似经过加固和防护的卫星结构，不可避免地存在大量不同材料、不同布局的卫星结构和部件，它们很容易发生不同的充电，形成强的电位差而导致最终的放电。这也是‘银河-15’卫星出现故障的根本原因。”
理清深层放电效应机制或将使卫星主动应对空间环境灾害成为可能。
“这对指导卫星设计人员进行科学、有效的防护设计具有重要意义。一旦发现某类模拟卫星样品有这种深层充放电现象，我们就可以设计一些精细的条件，弄清楚在什么条件下深层放电效应更容易发生或者更不容易发生。根据这些研究就能真正提出有效应对空间环境灾害的设计措施。”韩建伟说，“这正是我们下一步将要进行的工作。”
《科学时报》 (2010-5-27 A1 要闻)
