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太阳风暴是如何影响航天器的

  众所周知,太空是一个复杂的坏境,高真空、微重力、强辐射是它最广为人知的特点。航天器运行于宇宙空间中,直面太空中各种恶劣的空间天气变化。而太阳风暴则是引发空间天气变化的因素之一。当今社会,航天器已经成为关键的基础设施,人们越来越依赖于各种空间系统,而太阳风暴给航天器在轨安全运行带来了持续不断的挑战,也直接影响到了人类使用。

太阳风暴攻击航天器的过程

 

  太阳风暴向空间抛射大量的物质和能量,通常表现为电磁辐射、高能带电粒子流和等离子体云3种形式。太阳风暴发生时,这三种物质和能量形式会同时出现,先后到达地球空间,引发空间环境的扰动,并可能产生一系列“次生灾害”。


图1 太阳爆发对地球的三轮攻击

  电磁辐射:太阳产生爆发活动时,来自太阳各个波段的电磁辐射的强度陡然增加。8分钟后,这些增强的电磁辐射以光速抵达地球空间,然后直接作用于地球高层大气和电离层,造成大气密度增加和电离层骚扰。电磁辐射会造成大气密度升高,使航天器遭受的大气阻力增加,对航天器轨道产生干扰;另外,电磁辐射会影响电离层中的电子密度,进而增加电波传播路径上的金属屏蔽层,会影响其中的无线电波信号传输。
  高能带电粒子流:太阳爆发活动的几十分钟后,产生的高能带电粒子流会如暴雨倾泻般向地球空间扑来,能量从兆电子伏直到千兆电子伏。对于MEO、GEO和HEO轨道航天器,地球磁层能够提供的有效屏蔽微乎其微,高能带电粒子会直接与航天器上的电子器件和材料发生相互作用,对航天器产生直接影响。其本质是带电粒子与构成器件和材料的原子之间的相互作用,其中主要有四种基本相互作用:原子的电离、原子的位移、轫致辐射和核反应。另外,带电粒子如果驻留在航天器材料中,还可能引发带电问题。
  等离子体云:太阳爆发后的1~3天,等离子体云携带着太阳磁场到达地球附近后,与地球周围的磁层发生复杂的相互作用,引发一系列次级效应,包括地磁暴、电离层暴、高能电子暴等。地磁暴会使高层大气密度增加,从而增加LEO航天器在轨运行的阻力,导致航天器轨道衰减突然增加;电离层暴引发电离层电子密度的扰动,会对航天器的遥测、遥控以及导航信号产生干扰;从磁尾中注入的热等离子体会引发GEO航天器的表面充放电效应;长时间持续的高能电子暴可引发航天器的内带电效应等。


图2 太阳风暴对人类技术系统的危害

太阳风暴攻击航天器的7种方式

 

  太阳风暴抛射出的物质和能量,到达航天器后,与航天器上的元器件及材料发生各种复杂的相互作用,对航天器产生影响与危害。
  电离总剂量效应:空间带电粒子与构成航天器的元器件和材料发生撞击时,可通过电离作用将部分甚至全部能量传递给元器件和材料,使其性能发生变化,这就是所谓的“电离总剂量效应”。其产生源主要是地球辐射带粒子(主要是质子和电子)和太阳宇宙线(主要是太阳质子)等。随着剂量的累积,电子元器件、材料和电路的性能将会发生漂移,功能出现衰退。当累积剂量超过元器件或材料所能承受的最大剂量时,其性能就会完全失效或损坏,从而对在轨航天器造成严重威胁。
  位移效应:高能粒子入射到材料中,除了通过电离作用传递能量外,还会通过与原子发生弹性及非弹性碰撞,使原子脱离开晶格的束缚而离开原来的位置,即造成原子移位,并形成稳定的缺陷,由此对半导体器件性能产生的影响称为位移效应。其危害也具有时间累积性,引发源主要包括地球辐射带捕获质子、太阳质子和银河宇宙线高能粒子等等。受位移效应影响最大的主要是利用少数载流子工作的器件,例如,电荷耦合器件(CCD)成像时图像上出现斑点,严重时造成不能成像;太阳电池的最大输出功率下降,光电转换效率下降,甚至有可能使太阳电池在任务后期不能满足航天器能源需求。
  单粒子效应:是指单个高能粒子穿过微电子器件的灵敏区,沉积能量并产生足够数量的电子-空穴对,被器件电极收集后,造成器件逻辑状态的非正常改变,甚至造成器件损毁。它与来自地球辐射带、银河宇宙线和太阳宇宙线的空间高能质子、重离子直接相关,强度与太阳质子事件密切相关。

图3 高能粒子入射到微电子器件的敏感部位,引起单粒子效应

  表面充放电效应:是指沉浸在等离子体环境中的航天器不断地受到带电粒子的撞击,能量在千电子伏量级的电子停留在航天器表面,结果导致航天器表面相对于周围空间呈现负的电位,由于航天器表面各部位的电导率、设计状态和工况不同,将出现不等量带电,使航天器各部位之间出现电位差。在地球同步轨道和穿越地球南北两极极光带的太阳同步轨道上,都是表面带电效应的高发区域。

图4 地面试验模拟的太阳电池板弧光放电导致的材料损坏

  内带电效应:高能电子暴发生时,大量的高能电子注入到地球同步轨道甚至高度较低的轨道,这些电子可直接穿透航天器的蒙皮、航天器结构和仪器设备外壳,沉积在航天器内部的电路板、导线绝缘层等深层绝缘介质中,导致绝缘介质如电路板、同轴电缆等深层处的电荷堆积,造成介质深层带电,也就是所谓的内带电效应。内带电效应会对航天器运行的安全性和可靠性产生严重的影响。尤为严重的是,当介质材料发生内放电时,放电瞬间在航天器介质材料局部释放大量能量,可能造成航天器某些敏感部件的损坏。

图5 深层充电示意图

  大气阻力:大气阻力会对航天器的运动产生阻碍作用,阻力的大小与航天器的运动速度成正比,速度越快阻力越大。它会导致航天器轨道高度下降,发生轨道衰变。

图6 轨道衰变示意图

  电离层扰动:太阳风暴可以引起3类电离层扰动事件:电离层突然骚扰(SID,主要由太阳耀斑引起)、极盖吸收(PCA,由太阳风暴中的太阳高能质子引起)和电离层暴(伴随磁暴发生)。太阳风暴期间,大量强紫外辐射将使电离层电子密度突然增加,产生大量电离层不均匀体,诱发电离层闪烁,对通信信号产生干扰,严重时导致信号中断。电离层暴期间电离层对电磁信号折射误差的增加,还会降低卫星的定位精度。


图7 太阳爆发引起的电离层振动

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中等高能电子暴事件持续4日

  2016年9月7日,地球同步轨道(GEO)大于2MeV高能电子日积分通量超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2·sr·day),达到1.0E+9个/cm2·sr·day。截止7日,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量已连续4日达到橙色警报等级。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

  预计高能电子暴事件还将持续3天左右。

  关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。具体的预报情况请关注我们的网站www.sepc.ac.cn。

2016年9月7日持续中等高能电子暴事件

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中等高能电子暴事件持续4日

2016年9月7日,地球同步轨道(GEO)大于2MeV高能电子日积分通量超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2·sr·day),达到1.0E+9个/cm2·sr·day。截止7日,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量已连续4日达到橙色警报等级。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

预计高能电子暴事件还将持续3天左右。

关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。具体的预报情况请关注我们的网站www.sepc.ac.cn                                               2016年9月7日持续中等高能电子暴事件

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中等高能电子暴事件持续3日

  受两个重现性冕洞高速流的相继影响,2016年9月1-4日地磁发生强烈扰动,共有12小时达到中等磁暴水平,24小时达到小磁暴水平。地磁扰动随后引起地球同步轨道高能电子通量持续上升,从9月2日开始发生高能电子暴事件。

  9月4日至6日,地球同步轨道大于2MeV 高能电子日积分通量连续3天超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2·sr·day),事件水平达到橙色警报级别,高能电子日积分通量分别为1.1E+09、1.6E+09 、1.1E+9个/cm2·sr·day。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

  预计高能电子暴事件还将持续4-5天。

  关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。具体的预报情况请关注我们的网站www.sepc.ac.cn。

图1 2016年9月4-6日持续中等高能电子暴事件

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持续中等高能电子暴事件

  2016年9月4日至5日, 地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量持续超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/ cm2·sr·day),事件水平达到橙色警报级别,高能电子日积分通量分别为1.1E+09和1.6E+09 个/cm2·sr·day。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

  预计高能电子暴事件还将持续3天左右。

  关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。具体的预报情况请关注我们的网站www.sepc.ac.cn。

2016年9月4-5日持续中等高能电子暴事件

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