太阳逐渐“暴躁”，航天器如何“自卫”？

最近有消息称，受太阳耀斑等太阳活动加剧的影响，自7月份以来，星链卫星已损失了200多颗，退役速度超过以往。那么太阳耀斑等遥远的宇宙现象为何会威胁卫星等近地轨道航天器？其背后存在怎样的作用原理？科研人员可以采取哪些措施来防范和缓解不利状况呢？

太阳活动峰值超预期

什么是太阳活动？简单地说，这是太阳大气层里一切活动现象的总称。在太阳活动期间，一系列令人惊叹的展示能量变化的壮观景象会相继出现，包括太阳黑子、光斑、谱斑、耀斑、日珥和日冕瞬变事件等。

太阳耀斑爆发示意图

比如，太阳黑子是指太阳光球中的暗黑斑点，其磁场比周围更强，温度比周围更低，但仍超过4000摄氏度。太阳耀斑则是最剧烈的太阳活动之一，也称为“色球爆发”，主要表现是在数分钟至数小时内，从太阳内部向外抛射出一团日冕物质，其抛射速度在巅峰状态会超过1000公里/秒，蕴含的巨大能量可想而知。

日珥是太阳周围的红色环圈，从天文望远镜中，可以发现环圈上跳动着鲜红的火舌。日珥爆发前往往维持在数千摄氏度，一旦与上百万摄氏度的日冕发生作用，就会呈现壮观的爆发效果。

要想理解这些现象为何会干扰航天器，就要深入探究其原理。从本质上讲，太阳活动源于太阳大气层中时而剧烈、时而弱化的电离过程，一般以11年为有规律周期。处于活动剧烈期的太阳也称为“扰动太阳”，往往会向外辐射大量紫外线、X射线、粒子流和强电波等，迅速冲击地球大气层，进而引发极光、磁暴和电离层扰动等现象。

例如，日冕物质抛射就是日冕的大尺度磁场平衡遭破坏的结果，能够严重干扰太阳风流动，高能粒子流和宇宙射线的效果也不容忽视，地球大气层状态显然不能“幸免”。

目前，太阳活动达到近20年来的最高水平，不仅比之前天文学家预测的时间提前达到峰值，而且比预测强度高出约50%。

科学家经过多年研究发现，随着太阳耀斑、日珥和日冕物质抛射等现象更加频繁，太阳释放的高能粒子和极端短波辐射（如X射线、紫外线）更加强大，地球磁场和卫星通信效果均受到了显著“扰乱”，甚至给航天器带来了更具灾难性的危害。

航天器为何“受害”

尽管太阳活动对地球气候的影响存在争议，但航天器面临的高能粒子流、空间辐射等威胁已经摆在了各国航天科研人员的面前：去年2月，太阳辐射爆发造成强烈地磁暴，导致SpaceX公司的约40颗卫星在发射不久后难以正常升轨，被迫再入大气层；自今年夏季起，各国航天器失效或提前到寿的现象逐渐增多，表明运行在近地轨道上的卫星承受了更苛刻的工作环境，多国卫星运营商由此面临着巨大挑战。

为什么遥远的太阳活动会对近地轨道航天器造成如此显著的影响呢？科研人员对这个问题的认识是在总结教训的基础上逐渐深入的。

在早期航天活动中，科研人员逐渐发现：地球周围空间存在着大量高能带电粒子的聚集区，被称作“地球辐射带”，而这些高能带电粒子会对航天器造成辐照损伤，导致电子器件性能衰退。

随着越来越多的卫星被发射上天，出乎地面团队预料的故障时有发生。科研人员逐渐发现：太阳活动会造成太空中某区域的等离子体浓度增大，进而驱使航天器“充电”到数千伏甚至上万伏的高压，随后又会产生剧烈的“放电”现象，强大的电流波动往往会导致航天器元器件瞬间损坏。

太阳高能粒子流冲击地球大气层示意图

即使航天器幸运地“逃过一劫”，由于“放电”现象伴随着强劲的电磁脉冲，仍会干扰航天器有效载荷正常工作。一旦出现天地通信中断、卫星因供电不足而失稳等意外情况，地面团队就要面临所谓“单粒子事件”的困扰。

20世纪80年代，体积小、集成度高、能耗低的微电子器件逐渐在航天器上广泛应用，这类器件对电磁异常更加敏感。因此，太阳系乃至银河系宇宙射线、地球辐射带中的高能带电粒子，特别是重离子等，究竟会对航天器运行造成怎样的量化影响？成为各国航天机构的重点研究课题。

后来，科研人员又发现：相对论电子通量增强事件是造成地球同步轨道卫星等航天器故障的主要因素之一。相对论电子是指运动速度逼近光速的电子，在地球辐射带中并不少见。如果太空中相对论电子的通量（可以视为浓度）上升，很可能引发磁层内危害最大的灾害性空间天气现象，航天器受损概率将增大。相对论电子因此被研究者称为“杀手电子”，相关防范措施成为各国航天工程关注的热点。

多管齐下规避威胁

为了在越来越剧烈的太阳活动作用下保障航天器安全，各国科研人员需要针对航天器设计、试验、制造和发射等不同阶段，多管齐下，采取各种防范措施。

解决问题，最好的办法是在“根”上下功夫，在航天器设计阶段就应采取一系列保障措施。首先，科研人员要明确航天器的适用空间环境条件，制定相应规范。这些规范既要保障航天器的寿命及稳定可靠运行，又适当留有余地，控制成本。此外，科研人员需要制定地面模拟试验的技术条件、研制器件的规范、原材料选用目录等，还要制定应急预案，以便及时处置灾难性太阳活动、卫星运行异常等情况。

在航天器研制阶段，科研人员需要按规范进行空间环境模拟试验，并对航天器的元器件、原材料进行抗辐照试验。为保险起见，科研人员有必要反复检查空间环境适应性及相关措施，并验证之前制定的应急预案。

在航天器发射及在轨运行阶段，貌似“无法回头”，但其实仍有办法应对太阳活动的影响。比如，科研人员会选择安全的发射窗口，不仅满足任务要求，还要充分考虑目标空间的气象条件，包括高层大气密度预报、电离层状态预报和流星体出现概率预报等。

太阳活动威胁航天器示意图

航天器入轨后，地面团队要实时监测空间环境，“抓住”瞬息万变的关键环境参数，帮助飞控人员及时采取措施，避免或降低空间环境事件的影响，同时为分析航天器异常情况提供依据。此外，建立空间环境警报机制，应该是当前最有效的太阳活动对策。

空间等离子体很容易造成航天器“充电”故障，科研人员为此准备了两种防范办法：一是计算机数值模拟，二是在等离子体模拟试验室里进行试验。有关模拟和试验需要综合考虑空间环境、日照状况和航天器形状、结构、表面材料等多种因素，可以预测空间环境对航天器的影响，以便制定航天器设计准则和试验、监测方案，优化控制方法，延长航天器寿命。针对地球同步卫星、极轨卫星等不同轨道要求，模拟软件和试验应有所优化。

其实，研究太阳活动等空间环境因素对航天器影响，针对元器件、原材料及航天仪器的辐照试验必不可少，主要包括总剂量辐照试验、单粒子翻转试验和加速器辐照试验。

总剂量辐照试验可以确定元器件、原材料的计量指标，提供航天器抗辐照设计依据。试验中，针对电子元件和太阳能电池的特性差异，会采用不同的辐照源。单粒子翻转试验往往在真空条件下进行，芯片器件需加电工作、在线测量，必要时使用重离子加速器，模拟空间环境。加速器辐照试验主要针对航天仪器整机，通过加电工作，测试抵御空间粒子辐照的能力。

总之，科研人员要在航天器任务全流程中开展细致的监测、试验，逐项排除隐患，准备好应急预案，促使航天器更加安全、长寿地完成科学和应用目标。（作者：闻新 赵子涵 胥森 图片来源：美国宇航局 把关专家：中国航天科技集团科技委副主任 江帆）