为空间科学先导专项首颗星——“悟空”发射飞行保驾护航

    2015年12月17日8时12分，中国在酒泉卫星发射中心成功将暗物质粒子探测卫星“悟空”发射升空。“悟空”是中国科学院空间科学战略性先导科技专项中首批立项研制的4颗科学实验卫星的首颗星，是目前世界上观测能段范围最宽、能量分辨率最优的暗物质粒子探测卫星。2015年12月处于第24太阳活动周的下降期，“悟空”任务期的空间环境如何？中科院国家空间科学中心的空间环境预报中心（简称预报中心）又是如何为其保驾护航的呢？

图1 暗物质粒子探测卫星成功发射

    “悟空”探索路上的空间环境

    “悟空”是一颗太阳同步轨道卫星，影响卫星发射运行安全的轨道空间环境主要是高能辐射环境、中高层大气环境、等离子体环境、碎片和微流星体环境等。

     辐射环境

    卫星轨道上的辐射环境包括银河宇宙线、辐射带高能粒子和太阳爆发质子事件时到达轨道的部分高能质子和重离子。“悟空”的飞行轨道属于低地球轨道，由于地磁场的屏蔽作用，轨道上的银河宇宙线通量较低，主要分布在极区上空。辐射带是卫星轨道上的主要辐射环境，包括南大西洋异常区上空的内辐射带和靠近极区的外辐射带。内辐射带主要是高能质子，比较稳定，通常能引起单粒子、总剂量、位移损伤等效应；外辐射带主要成分是高能电子，在低高度主要分布在极区，受地磁影响高能电子通量变化幅度较大，对卫星的主要影响是充放电效应。

图2 500公里上的电子辐射带

    太阳质子事件会引起卫星轨道上辐射环境的显著变化，受地磁场屏蔽的影响，质子事件产生的高能质子和重离子主要分布在极区，能够引起单粒子、总剂量、位移损伤等效应。

       中高层大气环境

    “悟空”主要运行于中高层大气区域，该层大气环境的波动会对卫星产生阻力效应，会导致卫星的轨道姿态、轨道衰变率和在轨寿命的改变。原子氧对卫星表面的腐蚀效应，也会引起表面材料质量损失和材料物理与化学性质的改变。

图3 卫星轨道高层大气密度变化

     等离子体环境

    高密度等离子体环境在卫星发生表面充电事件时容易引发静电放电，危及卫星安全。夜侧的极区沉降带是卫星发生表面充电事件的高危区，卫星在此区域有一定的概率发生大于100V的高表面充电事件。随着地磁活动水平的增高，卫星发生高表面充电事件的概率将明显增加。

图4 卫星表面充电环境变化

      空间碎片和微流星体环境

    “悟空”所处的低轨道是碎片密集的区域，因此要对空间碎片进行在轨碰撞预警。当地球绕太阳公转穿过流星体密集的区域时，会接近或穿越它们的轨道，就会发生流星雨。这时地球及围绕地球运行的卫星就会遇到流星体撞击。因此，卫星发射应尽可能避开“流星暴”发生时段。

    太阳活动是近地空间环境的扰动源，大的太阳爆发活动直接影响近地空间环境。其中大气环境和高能辐射环境的变化主要受太阳与地磁活动的制约。因此，“悟空”发射运行期间的太阳和地磁活动是需要重点关注的空间环境预报要素。

     空间环境预报保障

    空间环境预报保障的目的是为卫星的设计、发射、试验和在轨运行提供空间环境参数的长期、中期、短期预报和效应评估，为试验任务决策提供空间环境依据。针对“悟空”的空间环境保障任务，预报中心首先分析空间环境对卫星平台和探测载荷的影响，制定了详细的空间环境保障方案。为开展空间环境保障服务工作，预报中心研制了 “先导卫星空间环境态势软件”。

     发射前的空间环境保障

     预报中心从“悟空”发射前三个月开始提供发射安全期预报，发射前7天至发射当天每天提供一次；在发射前三天每天提供一次针对“悟空”发射窗口的空间碎片碰撞预警报告。

图5 空间环境发射安全期短期预报和碎片碰撞预警

     针对“悟空”发射窗口2015年12月中旬，预报中心详细分析了最近半年的太阳和地磁活动状况，并根据最新的空间环境监测数据，做出了卫星发射安全期预报：暗物质粒子探测卫星发射窗口期间，发生大太阳爆发活动和地磁扰动的可能性较小，预计发射窗口的空间环境是安全的。

图6 暗物质粒子探测卫星任务期间的空间环境

    卫星在轨测试空间环境保障

    在卫星发射和在轨测试阶段，预报中心24小时不间断对空间环境进行监测，每日提供空间环境预报和效应分析产品，供卫星平台和载荷研制单位使用。预报中心提供了两类9种产品，第一类是空间环境要素和事件的预报，包括在轨空间环境预报、空间环境事件警报、太阳和地磁指数中期预报；第二类是空间环境效应分析，包括卫星轨道大气密度变化、卫星轨道大气密度二维分布、卫星穿越南大西洋异常区预报、太阳质子轨道分布、卫星表面充电环境和卫星载荷异常空间环境分析报告。

    卫星发射、载荷加电以及载荷加高压期间，空间环境都是安全的。

图7 预报员在怀柔在轨监测大厅提供空间环境保障服务

      空间辐射环境分析

    “悟空”携带有精密的探测设备，这些设备对空间辐射非常敏感，因此卫星的运控部门非常关心轨道上空间辐射环境的状况。预报中心对卫星轨道上的空间辐射环境和辐射效应进行了分析与计算，与卫星载荷、运控等部门讨论了卫星经过南大西洋异常区（SAA）的运控策略，为地面应用系统提供了精确的南大西洋异常区轮廓数据，同时，每天通过公共服务平台发布暗物质粒子探测卫星经过质子辐射带、电子辐射带的时间，以及经过SAA时每一时刻的质子能谱通量。

图8卫星穿越南大西洋异常区时间预报

    空间环境保障软件研制

    为顺利实施空间环境保障任务，预报中心研制了“先导卫星空间环境态势软件”。该软件动态展示了卫星在轨预报所需要的太阳活动和地磁活动参数，所经历的辐射环境、大气环境变化信息，有质子事件发生时轨道上质子通量的变化等。

图9 先导卫星空间环境态势软件

      未来之路任重道远

    中科院国家空间科学中心是我国载人航天工程任务的空间环境保障责任单位，曾参加了载人航天历次飞行任务，成功完成了神舟一号到神舟十号以及天宫一号的空间环境保障任务。怀着对我国空间科学研究探索的崇高使命感以及强烈的责任心，又出色地完成了空间科学先导专项首颗星——“悟空”发射飞行的空间环境保障工作。

图10先导卫星任务期

    未来，预报中心继续为“悟空”在轨运行提供空间环境保障服务，还将承担量子卫星、实践十号和空间硬X射线调制望远镜卫星发射飞行的空间环境保障任务。空间科学先导专项四颗卫星的任务期处于第24太阳活动周的下降期和第25太阳活动周的上升期，因此，先导卫星任务的空间环境保障，我们仍任重道远。