2016-09(7)
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
