歸因于空間環(huán)境的航天器故障與異常[1]

馮偉泉 編譯，徐焱林 校對(duì)

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

天然空間環(huán)境是與航天器運(yùn)行無關(guān)的環(huán)境，包括原子氧（AO）、輻射環(huán)境和人為因素造成的環(huán)境（如軌道碎片環(huán)境）等，其嚴(yán)格定義包括9類環(huán)境，即中性大氣環(huán)境、熱環(huán)境、等離子體環(huán)境、微流星體和軌道碎片環(huán)境、太陽(yáng)環(huán)境、電離輻射、地磁場(chǎng)、重力場(chǎng)和磁層。本文（指文獻(xiàn)[1]，全文同）闡述了其中7種環(huán)境，還列舉了1974～1994年間發(fā)生的100多件歸因于天然空間環(huán)境的航天器故障和異常事件。由以下兩個(gè)故障案例可見一斑。

第一個(gè)案例是1994年加拿大通信衛(wèi)星公司（Telsat）的Anik E通信衛(wèi)星由于靜電放電（ESD）引發(fā)制導(dǎo)系統(tǒng)故障。

1994年1月20日，Anik E-1號(hào)通信衛(wèi)星突然失去控制，2 h后，沒有任何預(yù)警，它的姊妹星Anik E-2號(hào)通信衛(wèi)星也開始失去控制，引起全加拿大有線電視、電話、有線新聞、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的中斷。Telsat的工程師很快定位兩顆衛(wèi)星的陀螺制導(dǎo)系統(tǒng)被損壞。通過啟動(dòng)備份制導(dǎo)系統(tǒng)，工程師在8 h后恢復(fù)了Anik E-1號(hào)通信衛(wèi)星的功能。可是，Anik E-2號(hào)通信衛(wèi)星的備份制導(dǎo)系統(tǒng)無法啟動(dòng)，這樣Telsat估計(jì)會(huì)損失近2億美元衛(wèi)星以及約30億美元收入。發(fā)生故障后，公共關(guān)系和衛(wèi)星運(yùn)行管理部門十分繁忙。這些衛(wèi)星的服務(wù)要切換到其他衛(wèi)星，地面站天線要調(diào)整角度重新對(duì)準(zhǔn)，啟動(dòng)備份接收機(jī)和恢復(fù)“退休”的衛(wèi)星，建立備份頻段鏈接，調(diào)整頻率，特別要安撫客戶，保證他們的衛(wèi)星服務(wù)不會(huì)中止。

通信功能恢復(fù)后，全通道客戶減少了10個(gè)，隨機(jī)通道客戶減少了14個(gè)，業(yè)務(wù)受到很大影響，Telsat遭受嚴(yán)重?fù)p失。為了挽回?fù)p失，公司一直致力于Anik E-2衛(wèi)星的修復(fù)，終于在1994年8月恢復(fù)了衛(wèi)星的服務(wù)功能。他們研發(fā)出了一套新的地面控制系統(tǒng)，將該系統(tǒng)安裝在衛(wèi)星上，控制22個(gè)推進(jìn)器以調(diào)整衛(wèi)星位置和姿態(tài)，用星載傳感器數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)軟件及其數(shù)據(jù)可以自動(dòng)確定推進(jìn)器點(diǎn)火順序，保證衛(wèi)星方向準(zhǔn)確。

盡管Telsat保住了Anik E-2號(hào)通信衛(wèi)星及其相應(yīng)業(yè)務(wù)，但修復(fù)成本和部分年度業(yè)務(wù)損失共計(jì)5千萬～7千萬美元。原定10年衛(wèi)星壽命的燃料消耗，由于修復(fù)調(diào)姿用去了大量燃料，只夠9年衛(wèi)星壽命的燃料了。另外，由于燃料減少，在9 年壽命里衛(wèi)星姿軌控操作成本又要增加7千萬美元。在此之前，考慮到在軌飛行故障概率很低，與其他很多衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商的觀點(diǎn)一樣，Telsat沒有針對(duì)衛(wèi)星的在軌故障進(jìn)行投保。

對(duì)這次故障原因進(jìn)行分析，最后確認(rèn)是航天器帶電現(xiàn)象引起。眾所周知，靜電放電對(duì)衛(wèi)星電子元器件有破壞作用。在每個(gè)Anik 衛(wèi)星中，ESD在陀螺制導(dǎo)系統(tǒng)控制電路中產(chǎn)生電磁脈沖，導(dǎo)致陀螺制導(dǎo)系統(tǒng)故障。

第二個(gè)案例發(fā)生在1991年3月太陽(yáng)活動(dòng)頻繁強(qiáng)烈時(shí)期，對(duì)地球及其衛(wèi)星造成一系列不利影響，如產(chǎn)生地球輻射帶第二個(gè)內(nèi)帶，使衛(wèi)星故障和異常頻繁、地面電站網(wǎng)中電涌劇烈等。

高能太陽(yáng)輻射到來后，高緯度地區(qū)衛(wèi)星通信中斷，地球同步軌道（GEO）運(yùn)行環(huán)境衛(wèi)星GOES-6和 GOES-7上太陽(yáng)電池板功率發(fā)生明顯退化，GOES-7預(yù)期壽命因而降低 2～3 年。另外，高能太陽(yáng)粒子增加了航天器單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）頻次。包括GOES-6、GOES-7和TDRS-1號(hào)衛(wèi)星在內(nèi)的6顆GEO衛(wèi)星據(jù)報(bào)道在這次太陽(yáng)活動(dòng)主要時(shí)段都發(fā)生了SEU。

在此太陽(yáng)活動(dòng)的地磁暴期間，太陽(yáng)活動(dòng)事件的綜合作用導(dǎo)致從太陽(yáng)向地球的行星際磁沖擊。在行星際干擾到達(dá)的幾s內(nèi)，CRRES衛(wèi)星測(cè)得了進(jìn)入地球磁層的電子流和質(zhì)子流，形成第二個(gè)較穩(wěn)定（幾個(gè)月）的地球內(nèi)輻射帶。

另外，NOAA-11衛(wèi)星的自動(dòng)姿態(tài)控制失效、由于熱大氣而導(dǎo)致的衛(wèi)星大氣拖曳劇增使得北美空軍司令部（NORAD）飛行器目錄需要大量更新。更為嚴(yán)重的結(jié)果是MARECS-1號(hào)地球同步軌道衛(wèi)星在1991年3月25日完全失效，這是由于該衛(wèi)星太陽(yáng)電池板在本次太陽(yáng)劇烈活動(dòng)期間嚴(yán)重?fù)p壞。

以上兩個(gè)案例證明了天然空間環(huán)境對(duì)航天器及地面設(shè)備有嚴(yán)重影響，應(yīng)該引起足夠的重視。本文將詳細(xì)敘述與天然空間環(huán)境相關(guān)的不同案例。

1 設(shè)計(jì)師關(guān)注的空間環(huán)境問題

天然空間環(huán)境可分為9個(gè)主要領(lǐng)域。表1列出了每個(gè)領(lǐng)域中航天器設(shè)計(jì)師感興趣的環(huán)境參數(shù)及其相關(guān)的航天器問題，以及用于建立航天器設(shè)計(jì)環(huán)境規(guī)范的模型和數(shù)據(jù)庫(kù)。

表 1 空間環(huán)境及航天器相關(guān)設(shè)計(jì)典型關(guān)注點(diǎn)Fig.1 Space environments and related typical concerns in spacecraft design

2 空間環(huán)境及其引發(fā)的典型故障案例

2.1 中性熱層

2.1.1 環(huán)境定義

地球大氣 90～600 km 高度范圍內(nèi)的大氣層稱為中性熱層，600 km高度以上區(qū)域稱為熱層。中性熱層主要由中性氣體粒子組成，這些粒子按照它們的分子重量在大氣中分層。在中性熱層較低區(qū)域，原子氧（AO）占主要成分；在較高區(qū)域，氦和氫占主要成分。中性熱層的溫度在 90 km處最低，隨高度增加迅速升高，最后成為與高度無關(guān)的漸進(jìn)溫度，又稱為外大氣層溫度。熱層溫度及其密度和成分與太陽(yáng)活動(dòng)密切相關(guān)，這是由于熱層吸收太陽(yáng)極紫外（EUV）輻射的加熱作用。

2.1.2 對(duì)航天器的影響

中性氣體的密度是主要的特性參數(shù)，該指標(biāo)會(huì)影響航天器在軌高度、壽命和運(yùn)動(dòng)。盡管空間環(huán)境是真空環(huán)境，仍有大量殘余氣體分子碰撞航天器，對(duì)航天器產(chǎn)生較大的拖曳力。如果這種拖曳力不被航天器推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推進(jìn)力所平衡，航天器高度會(huì)慢慢降低直到發(fā)生航天器再入地球。密度效應(yīng)還會(huì)對(duì)航天器直接產(chǎn)生力矩作用，因此在航天器軌道控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮大氣密度效應(yīng)。

航天器表面許多材料易于受到原子氧影響。原子氧是低地球軌道（LEO）熱層中的主要成分。由于光離解作用，氧主要原子形式存在。原子氧密度隨高度和太陽(yáng)活動(dòng)而變化。在太陽(yáng)活動(dòng)平靜期，原子氧是200～400 km殘余氣體中主要的中性成分。太陽(yáng)紫外輻射、微流星撞擊損傷、濺射或污染會(huì)加速原子氧損傷效應(yīng)，導(dǎo)致某些材料嚴(yán)重的機(jī)械、光學(xué)、熱學(xué)性能退化?？赡芘c在軌光學(xué)敏感實(shí)驗(yàn)相關(guān)的現(xiàn)象是航天器輝光放電，即殘余分子撞擊航天器表面受激變成亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生光學(xué)輻射。研究證明航天器表面作用像催化劑，其催化強(qiáng)度與表面材料種類有關(guān)。

2.1.3 故障案例

1）Skylab（太空實(shí)驗(yàn)室）

1979年7月11日，由于熱層大氣密度拖曳力作用，Skylab來不及等到救援飛行發(fā)射，提前返回大氣層隕落。

2）LDEF（長(zhǎng)期暴露設(shè)施）

安裝在LDEF迎風(fēng)面的鍍鋁Kapton材料，被發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重的原子氧掏蝕。這一現(xiàn)象對(duì)有些敏感的航天器材料是一種潛在的威脅，能引起材料機(jī)械和光學(xué)性能退化，從而影響整個(gè)系統(tǒng)特性。

3）Landsat-3

1978年3月5日發(fā)射。此后衛(wèi)星傳感器遭殘留氣體分子污染而性能退化，導(dǎo)致紅外數(shù)據(jù)丟失。

2.2 熱環(huán)境

2.2.1 環(huán)境定義

航天器主要從3天然環(huán)境獲取輻射熱量：1）入射的太陽(yáng)輻射（太陽(yáng)常數(shù)）；2）反射的太陽(yáng)能量（反照）；3）地球和大氣的外向紅外熱輻射（OLR）。如果將地球和大氣看作一整體，用較長(zhǎng)時(shí)間平均，則地球得到的太陽(yáng)能和自身發(fā)出的能量本質(zhì)上是平衡的。然而，不是在地球上任意位置都滿足熱平衡，不同的地方時(shí)間、地理位置和氣候條件對(duì)熱平衡的影響很大。航天器相對(duì)地球的移動(dòng)導(dǎo)致航天器熱視角在整個(gè)全球熱剖面只是細(xì)長(zhǎng)的條，所以，航天器把這些熱變化看作時(shí)間與硬件熱時(shí)間常數(shù)的函數(shù)。

2.2.2 對(duì)航天器的影響

對(duì)軌道熱環(huán)境的正確理解是航天器有效熱設(shè)計(jì)的重要組成部分。航天器熱環(huán)境隨不同軌道和任務(wù)壽命而變，而航天器各部件的典型溫度控制要求要覆蓋預(yù)先確定的溫度范圍。溫度變化需要最小化，因?yàn)樗鼈兛赡軙?huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效。為敏感電子設(shè)備提供足夠的冷卻能力經(jīng)常遇到問題。溫度波動(dòng)可能造成精細(xì)導(dǎo)線和焊點(diǎn)的疲勞損傷，加速系統(tǒng)失效。另外，潤(rùn)滑劑的選擇也與期望的熱條件有關(guān)。潤(rùn)滑失效會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效。熱環(huán)境的突然變化可能造成循環(huán)熱控液體冷凍卡死。過于極端的溫度環(huán)境可能需要足夠設(shè)計(jì)余量的散熱器，不然會(huì)引起散熱器凍死。熱環(huán)境也是考慮低溫液體或燃料壽命的重要因素。

2.2.3 故障案例

1）哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）

在1993年12月前，HST每次從陰影區(qū)出來進(jìn)入太陽(yáng)輻照區(qū)太陽(yáng)陣都會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)，因此在開始照相前，啟動(dòng)陀螺消振系統(tǒng)來使此問題最小化。支撐桿的熱膨脹被認(rèn)為是振動(dòng)的原因，它干擾了HST進(jìn)行深空觀察。后來在服役期間安裝了新的太陽(yáng)陣，在支撐桿外加個(gè)套管，消除了圖像抖動(dòng)。

2）伽利略木星探測(cè)器

盡管進(jìn)行了嚴(yán)厲的地面試驗(yàn)，伽利略木星探測(cè)器上的天線自“阿特蘭蒂斯號(hào)”航天飛機(jī)發(fā)射后，依然沒有成功展開。操作人員認(rèn)為這是由于機(jī)械零件潤(rùn)滑劑在軌失效造成的。這一異常結(jié)果從傳到地面的數(shù)據(jù)分解得出。

3）GOES-7

早在1993年4月，數(shù)據(jù)收集平臺(tái)問詢（DCPI）系統(tǒng)發(fā)生一個(gè)故障。每天出陰影后，1 h內(nèi)第1號(hào)S波段接收器不能從指令和數(shù)據(jù)庫(kù)采集臺(tái)（CDA）獲得問詢頻率。由于出影后溫度太低，接收機(jī)頻率穩(wěn)定度超出了所要求的5 kHz極限。盡管沒有對(duì)飛行任務(wù)帶來直接危害，但要求任務(wù)操作人員監(jiān)測(cè)傳送信號(hào)，以防止數(shù)據(jù)損失。

這些異常及與熱環(huán)境相關(guān)的航天器其他異常在第3部分表2中列舉。

2.3 等離子體環(huán)境

2.3.1 環(huán)境定義

地球大氣層在90 km以下的主要成分基本沒有變化，但超過90 km后，大氣成分和含量隨高度開始發(fā)生變化。在這層稀薄大氣中，太陽(yáng)短波輻射對(duì)殘余氣體產(chǎn)生各種光化學(xué)影響，使得分子結(jié)構(gòu)吸收輻射能量而發(fā)生變化。這些最通常的光化學(xué)效應(yīng)中有一種是雙原子氧分子分裂成氧原子。另一種效應(yīng)是原子的電離。高層大氣中一小部分氣體電離成為正離子和電子，它們的存在造成嚴(yán)重的物理效應(yīng)。在該區(qū)域中，電子密度與離子密度幾乎相同。等量正電荷和負(fù)電荷組成的離化氣體稱為等離子體。電子和離子密度隨著高度、緯度、地磁場(chǎng)強(qiáng)度和太陽(yáng)活動(dòng)的不同而劇烈變化。

2.3.2 對(duì)航天器的影響

當(dāng)航天器飛行通過這部分電離的大氣，它會(huì)接收到不同密度的離子和電子，從而引起航天器帶電。航天器表面接收到的等離子體流會(huì)使航天器表面帶電、破壞接地儀器正常工作。在低地球軌道（LEO）, 航天器穿過稠密低能等離子體。由于航天器速度大于等離子體中離子速度而小于電子速度，造成航天器帶負(fù)電。等離子體中電子可以碰撞航天器任何位置，而離子只能作用于頂風(fēng)面。已經(jīng)知道，LEO航天器帶電可達(dá)幾千V。然后，GEO航天器的帶電更讓人擔(dān)心。像太陽(yáng)陣那樣的偏壓表面會(huì)影響航天器懸浮電位。航天器帶電程度取決于航天器所采取的接地方式。航天器帶電會(huì)造成航天器儀器讀數(shù)偏差，可能干擾敏感電子設(shè)備的放電，造成收集電流的增加、污染物的再吸收，并可能導(dǎo)致材料加速侵蝕的離子濺射。高水平的帶電會(huì)造成航天器的放電和其他電干擾。

有關(guān)航天器帶電在NASA RP 1354和NASA RP 1375報(bào)告中有詳細(xì)論述。另外，航天器帶電效應(yīng)引起的大量電磁干擾（EMI）故障和異常案例在NASA RP 1374報(bào)告中也有詳細(xì)論述，此處不贅。

2.3.3 故障案例

Intelsat K是國(guó)際通信衛(wèi)星通信組織擁有的20顆GEO衛(wèi)星中的1顆。1994年1月13日開始的磁暴在1994年1月20日引發(fā)該衛(wèi)星靜電放電。放電造成衛(wèi)星動(dòng)量輪控制線路損壞，導(dǎo)致衛(wèi)星抖動(dòng)，產(chǎn)生天線覆蓋區(qū)波動(dòng)。啟動(dòng)備份系統(tǒng)以后，同一天恢復(fù)全運(yùn)行狀態(tài)。如果不糾正衛(wèi)星抖動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)致許多客戶的服務(wù)中斷。

這些異常及與等離子體環(huán)境相關(guān)的航天器其他異常在第3部分表3中列舉。

2.4 微流星體/軌道碎片

2.4.1 環(huán)境定義

微流星主要由彗星殘余物組成。當(dāng)彗星接近近日點(diǎn)時(shí)，作用于彗星的重力和太陽(yáng)風(fēng)壓力增加，導(dǎo)致彗星微粒尾部的形成，尾部與彗星在同一軌道運(yùn)行。當(dāng)?shù)厍虼┰藉缧俏膊繒r(shí)，地球上會(huì)下由彗星尾部微粒構(gòu)成的流星雨，這一現(xiàn)象一年會(huì)發(fā)生多次。地球在白天也會(huì)遇到零星微粒。這些微粒產(chǎn)生于小行星帶，它們自己本身就是很小的小行星。來自太陽(yáng)輻射的壓力對(duì)小行星帶中最小微粒施加拖曳力，使這些微粒經(jīng)常失去它們的軌道能量，并且沿螺旋形軌道飛向太陽(yáng)。

自從人類開始太空活動(dòng)以來，在軌道留下的物體越來越多，除了有用的載荷外，還有末級(jí)火箭、火箭和衛(wèi)星碎片及其他硬件和噴射物，它們中的大多數(shù)會(huì)留在軌道幾百年。最近，美國(guó)空軍司令部跟蹤低地球軌道碎片，其中7 000多個(gè)直徑大于10 cm，較小的碎片有幾萬個(gè)。由于軌道碎片數(shù)量的不斷增加，這給將來航天器安全運(yùn)行帶來越來越大的威脅。

2.4.2 對(duì)航天器的影響

微流星體與空間碎片對(duì)航天器造成嚴(yán)重?fù)p傷和卸壓威脅。在軌道速度范圍內(nèi)，該碰撞稱為超高速撞擊。例如，90 g碎片的撞擊傳遞給航天器的能量高達(dá)1 MJ。因此實(shí)際上，任何質(zhì)量大于幾g的碎片的超高速撞擊都會(huì)造成航天器災(zāi)難性損失或卸壓威脅。較小碎片的撞擊會(huì)造成航天器表面損傷，從而使表面熱、光、電性能退化。航天器碎片超高速撞擊風(fēng)險(xiǎn)取決于航天器軌道壽命、尺寸和設(shè)計(jì)、發(fā)射時(shí)間（太陽(yáng)活動(dòng)周期）、軌道高度和傾角。為了減緩微流星/軌道碎片環(huán)境的威脅，防護(hù)屏蔽通常是必要的。如果航天器不能采取屏蔽措施，可以通過操作限制或程序減少撞擊損失的威脅。由于碎片撞擊威脅有很強(qiáng)的方向性，通過仔細(xì)設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件位置能夠減緩碎片撞擊風(fēng)險(xiǎn)。

2.4.3 故障案例

1）航天飛機(jī)（STS-45）

1992年3月24日發(fā)射的航天飛機(jī)第45次飛行中，在“阿特蘭蒂斯號(hào)”右翼前緣上面發(fā)現(xiàn)兩個(gè)劃痕（1.9 in×1.6 in，0.4 in×1 in）。最可能的原因是在返回再入時(shí)發(fā)生碎片低速（相對(duì)航天器）撞擊。然后，約翰遜空間中心（JSC）至今沒有確定是由于發(fā)射前碎片還是上升段碎片造成的損壞。這一特殊事件大大提高了高能量撞擊航天器后果的被關(guān)注度。

2）航天飛機(jī)擋風(fēng)板更換

因?yàn)檫@些擋風(fēng)板上有碎片撞擊坑，直到到1994年第68次飛行，航天飛機(jī)飛行計(jì)劃已更換了46個(gè)擋風(fēng)板，而沒有一個(gè)撞擊影響飛行任務(wù)完成。所收集的數(shù)據(jù)證明：來自微流星和軌道碎片的威脅確實(shí)存在，在飛行策劃指南、飛行規(guī)則和操作程序中必須認(rèn)真考慮。NASA正在重新評(píng)估航天飛機(jī)微流星和軌道碎片風(fēng)險(xiǎn)減緩策略，建立撞擊擋風(fēng)板、輻射器和其它表面的預(yù)示模型。這些風(fēng)險(xiǎn)減緩也包括改善檢測(cè)和修復(fù)技術(shù)，開發(fā)新的技術(shù)和材料以提供更好的撞擊防護(hù)。

3）哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（STS-31）

1993年12月哈勃望遠(yuǎn)鏡服務(wù)任務(wù)完成后，英國(guó)宇航局檢查回收哈勃望遠(yuǎn)鏡太陽(yáng)陣發(fā)現(xiàn)：整個(gè)太陽(yáng)電池板在4年中共有5 000～6 000次微流星撞擊。這些撞擊產(chǎn)生的效應(yīng)小到形成凹坑，大到貫穿電池片和多層隔熱材料。

4）俄羅斯航天器KOSMOS-1275

在977 km高度，1981年7月24日俄羅斯航天器KOSMOS-1275粉碎成為200多個(gè)可跟蹤的碎片。發(fā)生這次撞擊被認(rèn)為基于以下原因：該類型衛(wèi)星已顯示沒有能力作機(jī)動(dòng)飛行，并且可能已是一顆重力梯度姿態(tài)穩(wěn)定衛(wèi)星，這類衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)配置中沒有壓力容器或推進(jìn)燃料，在該衛(wèi)星高度區(qū)域報(bào)廢衛(wèi)星形成的碎片最為密集，衛(wèi)星的83°高緯度傾角意味著一般碎片之間有較高的相對(duì)速度。

這些異常及與微流星和軌道碎片環(huán)境相關(guān)的航天器其他異常在第3部分表4中列舉。

2.5 太陽(yáng)環(huán)境

2.5.1 環(huán)境定義

太陽(yáng)向外發(fā)射大量的質(zhì)量和能量。巨大的能量發(fā)射對(duì)航天器設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行有很大影響。在某些位置，在很短時(shí)間內(nèi)，太陽(yáng)強(qiáng)度波動(dòng)很快。這些波動(dòng)的主要原因是太陽(yáng)主磁場(chǎng)由于不同方向的旋轉(zhuǎn)而變形。局部磁場(chǎng)強(qiáng)化的兩個(gè)最明顯標(biāo)志是太陽(yáng)黑子和太陽(yáng)耀斑。平均太陽(yáng)黑子數(shù)量變化周期大致為11a。每個(gè)周期定義為從太陽(yáng)活動(dòng)谷年（太陽(yáng)黑子數(shù)量最小的時(shí)間）開始到下一個(gè)緊接的太陽(yáng)活動(dòng)谷年。例如第22周期，1986年末為太陽(yáng)活動(dòng)谷年，1991年到達(dá)太陽(yáng)活動(dòng)峰年。太陽(yáng)耀斑是太陽(yáng)能量在太陽(yáng)大氣層內(nèi)高度集中地爆炸釋放。 從太陽(yáng)耀斑發(fā)出的輻射頻率從無線電波覆蓋到X射線。太陽(yáng)耀斑發(fā)出的總能量按頻率微分分布。根本上，發(fā)出的總能量是耀斑影響空間環(huán)境的決定因素。

2.5.2 對(duì)航天器影響

太陽(yáng)環(huán)境對(duì)大多數(shù)天然空間環(huán)境因素有明顯影響。太陽(yáng)環(huán)境波動(dòng)影響熱層大氣密度水平,影響航天器所經(jīng)受的熱環(huán)境、等離子體密度水平,影響微流星/軌道碎片、電離輻射環(huán)境嚴(yán)酷性和地磁場(chǎng)特性。太陽(yáng)活動(dòng)周期也在航天任務(wù)計(jì)劃和作業(yè)活動(dòng)中起重要作用。例如，太陽(yáng)活動(dòng)較頻繁時(shí)，太陽(yáng)的紫外和極端紫外輻射會(huì)加熱并膨脹地球上層大氣，增加大氣拖曳力和航天器軌道衰降速率。太陽(yáng)耀斑對(duì)整個(gè)輻射環(huán)境有較大貢獻(xiàn)，能夠增加對(duì)電子設(shè)備有很大危害的累積劑量水平和單粒子效應(yīng)。

2.5.3 故障案例

1）GOES-7衛(wèi)星

在1991年3月22日至24日的強(qiáng)太陽(yáng)X射線爆發(fā)期間，研究者發(fā)現(xiàn)GOES-7太陽(yáng)電池板功率退化很快。航天器設(shè)計(jì)只是滿足空間環(huán)境引起的太陽(yáng)電池板功率輸出緩慢退化。從特殊太陽(yáng)事件發(fā)出的高強(qiáng)度高能輻射會(huì)永久損傷太陽(yáng)陣電子設(shè)備，并且加速功率衰退以至于超出設(shè)計(jì)預(yù)期，降低航天器設(shè)計(jì)壽命2～3年。

2）NOAA-10衛(wèi)星

在1989年3月13日，由于磁矩卸載，NOAA-10的X軸陀螺速度過高，引起滾動(dòng)/偏航線圈切換到備份運(yùn)行。操作人員懷疑太陽(yáng)活動(dòng)事件引起此異常。1989年10月1日，28 V電源開關(guān)顯示不希望的“開”讀數(shù)，以至于操作人員重新設(shè)置此開關(guān)。經(jīng)確定太陽(yáng)影響是可能原因。

3）GOES-5衛(wèi)星

衛(wèi)星的中心遙測(cè)單元（CTU）在1989年經(jīng)歷了10次SEU，其中6次與太陽(yáng)耀斑有關(guān)。同樣，在1989年10月19日期間，一較大的太陽(yáng)耀斑損壞太陽(yáng)陣電子設(shè)備，太陽(yáng)陣輸出電流降低了0.5 A。

這些異常及與太陽(yáng)環(huán)境相關(guān)的航天器其他異常在第3部分表5中列舉。

2.6 電離輻射

2.6.1 環(huán)境定義

與空間電離輻射相關(guān)粒子按照輻射來源可以分為三組：俘獲輻射帶粒子，宇宙射線粒子和太陽(yáng)耀斑粒子。最近的航天器研究結(jié)果假設(shè)來自俘獲輻射帶（或稱范阿倫帶）的粒子似乎源于各種物理機(jī)制：磁暴活動(dòng)加速較低能量粒子、宇宙射線與大氣粒子碰撞后在上層大氣中產(chǎn)生高能中子的衰變俘獲產(chǎn)物、太陽(yáng)耀斑。太陽(yáng)質(zhì)子事件與太陽(yáng)耀斑有關(guān)。宇宙射線來自太陽(yáng)系外其他太陽(yáng)耀斑、新星/超新星爆炸或類星體。

地球磁場(chǎng)俘獲了大量高能、電離的粒子流，如電子、質(zhì)子和重離子。這些輻射帶特點(diǎn)表現(xiàn)為俘獲的質(zhì)子內(nèi)帶和電子外帶區(qū)域。輻射帶粒子沿地磁場(chǎng)線作螺旋形前后運(yùn)動(dòng)。對(duì)于地球低緯度和低高度區(qū)域的航天器，由于地磁場(chǎng)作用，銀河宇宙線到達(dá)航天器前經(jīng)過了大量天然屏蔽。很小比例的太陽(yáng)耀斑事件伴隨較大數(shù)量質(zhì)子發(fā)射。太陽(yáng)質(zhì)子事件一般很少發(fā)生，但是經(jīng)常發(fā)生在太陽(yáng)活動(dòng)峰年，持續(xù)幾個(gè)小時(shí)至一周多時(shí)間，帶來的效應(yīng)可持續(xù)2～3天。太陽(yáng)質(zhì)子會(huì)增加總劑量效應(yīng)，在某些情況下也會(huì)產(chǎn)生單粒子效應(yīng)。

2.6.2 對(duì)航天器的影響

組成輻射環(huán)境的高能粒子能夠穿透航天器材料并在途中釋放動(dòng)能。這一過程導(dǎo)致原子移位或者在穿越的高能粒子后面留下被電離的原子串。航天器損傷包括太陽(yáng)陣功率輸出降低、科學(xué)電子設(shè)備損壞、增加傳感器背景噪聲以及增加航天員暴露劑量等?，F(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)電離輻射越來越敏感。

2.6.3 故障案例

1）Hipparcos天文衛(wèi)星

經(jīng)過在軌高效和成功運(yùn)行三年多以后，1993年8月15日，歐空局的Hipparcos天文衛(wèi)星與地面通信消失。在1993年6月，衛(wèi)星經(jīng)歷了地面與星載計(jì)算機(jī)通信的困難期。造成這些問題原因是某些元器件的電離輻射損傷。試圖重新啟動(dòng)沒有成功，任務(wù)運(yùn)行終止，衛(wèi)星失效。

2）ETS-6衛(wèi)星

由于太陽(yáng)輻射減少太陽(yáng)陣輸出能力，日本的工程試驗(yàn)衛(wèi)星（ETS-6）在一年內(nèi)就面臨失效。由于遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力不足損壞，使價(jià)值4.15億美元的衛(wèi)星未到達(dá)它的地球同步軌道。1994年9月3日衛(wèi)星98 ft太陽(yáng)陣順利展開，其他6個(gè)天線（包括直徑12 ft碟形天線）也一樣。然而，來自范阿倫輻射帶的高輻射水平很快使太陽(yáng)陣效率下降。太陽(yáng)陣展開時(shí)輸出功率5 800 W，但是10天后掉到5 300 W。預(yù)測(cè)在1994年9月下降至4 700 W，一年后低于2 000 W，以至于無法支持實(shí)驗(yàn)需求。

3）哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（STS-31）

在1990年5月7日，精細(xì)導(dǎo)航電子設(shè)備的隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）中發(fā)生比特翻轉(zhuǎn)，影響了導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡（HST）正穿越南大西洋異常區(qū)（SAA）。為了克服翻轉(zhuǎn)影響，對(duì)衛(wèi)星軟件進(jìn)行修改完善。1990年6月20日，SAA輻射帶也引起精細(xì)導(dǎo)航電子系統(tǒng)（FGS）的光電倍增管（PMT）計(jì)數(shù)失效，這導(dǎo)致了星座導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)損壞。以至于后來，F(xiàn)GS在SAA區(qū)域不能使用。兩個(gè)故障均被認(rèn)為是輻射效應(yīng)引起的。

這些異常及與電離輻射環(huán)境相關(guān)的航天器其它異常在第3部分表6中列舉。

2.7 地磁場(chǎng)

2.7.1 環(huán)境定義

地磁場(chǎng)對(duì)空間環(huán)境現(xiàn)象有強(qiáng)烈影響，這些環(huán)境包括等離子體、電流、俘獲高能帶電粒子等。這些影響對(duì)航天器設(shè)計(jì)和運(yùn)行產(chǎn)生重要結(jié)果。地球天然磁場(chǎng)有兩個(gè)來源：1）地球內(nèi)部的電流，它產(chǎn)生地球表面磁場(chǎng)的99%；2）地球磁層中的電流。磁層是地球大氣層以外的區(qū)域，那里地磁場(chǎng)比行星際空間要強(qiáng)。磁偶極子偏離地球中心約 436 km。地磁軸線與地球自轉(zhuǎn)軸的夾角為 11.5°。國(guó)際地磁場(chǎng)參考值（IGRF）預(yù)示地球赤道處磁場(chǎng)強(qiáng)度每年增加0.02%。

2.7.2 對(duì)航天器影響

地磁場(chǎng)影響粒子在地球軌道環(huán)境內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)與銀河宇宙線相關(guān)的入射地球高能粒子有偏轉(zhuǎn)作用。這些高能粒子會(huì)使航天器表面帶電，造成航天器分系統(tǒng)的故障或干擾。由于磁偶極子的幾何特性，在南大西洋的地磁場(chǎng)強(qiáng)度最低，導(dǎo)致輻射帶在該區(qū)域下沉和集中。在SAA附近，航天器經(jīng)常遇到電子設(shè)備“翻轉(zhuǎn)”和儀器干擾。用于GN&C系統(tǒng)的磁力矩器設(shè)計(jì)需要準(zhǔn)確了解地磁場(chǎng)。持續(xù)一至多天的地磁場(chǎng)異常稱為地磁暴。當(dāng)?shù)卮疟┌l(fā)生時(shí)，大量帶電粒子從磁層進(jìn)入大氣層，這些粒子通過碰撞電離和加熱大氣粒子。加熱是地磁暴開始后首先觀察到的現(xiàn)象，其高度范圍從300～1 000 km，在地磁擾動(dòng)結(jié)束還要持續(xù)8～12 h。

2.7.3 故障案例

1）Anik-B衛(wèi)星

加拿大Telsat公司的Anik-B衛(wèi)星受到磁層環(huán)境的強(qiáng)烈影響?？刂菩l(wèi)星的偏航和翻滾需要依靠磁力矩器。通過磁力矩器線圈直流電流由線路控制，當(dāng)翻滾傳感器超過設(shè)定值，線路控制電流的大小或極性，然后磁力矩器的磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生控制衛(wèi)星滾動(dòng)和偏航所需的力矩。地磁場(chǎng)發(fā)生強(qiáng)烈擾動(dòng)后，與線圈反方向的地磁場(chǎng)會(huì)使衛(wèi)星翻滾更加嚴(yán)重而不是糾正翻滾。這樣事件在1986年2月8日曾經(jīng)發(fā)生，當(dāng)時(shí)安克雷奇（美國(guó)阿拉斯加州南部的港口城市）紀(jì)錄的K指數(shù)保持在8達(dá)18 h。在衛(wèi)星7年服務(wù)期間，這樣事件共發(fā)生兩次，必要時(shí)衛(wèi)星翻滾控制采用推進(jìn)器維持。

2）Landsat-3

衛(wèi)星上多光譜掃描儀經(jīng)歷有掃描探測(cè)器多余脈沖，引起起始線過早開始或者多余終止線編碼。這些事件均可歸因于磁異常，因此要提供客戶高質(zhì)量、可靠的圖像非常困難。

3 空間環(huán)境引起的其他故障與異常統(tǒng)計(jì)表

除了上述故障案例外，還有大量空間環(huán)境引發(fā)的故障異常。由于篇幅限制，只能用列表（表2～表6）形式給出。

所列出的事件只是一些代表天然空間環(huán)境引起故障的嚴(yán)重性及特性的典型事件，而不是全部事件，僅僅包括故障調(diào)查者認(rèn)為有充分證據(jù)證明可歸因于空間環(huán)境的異常事件。如果異常原因不清楚或航天器不能識(shí)別，則不列入該故障事件。在有的情況下，事件可以說明設(shè)計(jì)或操作能防護(hù)環(huán)境效應(yīng)；這些事件本質(zhì)上不屬于異常，它們只是用來說明空間環(huán)境效應(yīng)的重要性。

不是所有在此列舉的異常都會(huì)引起航天器分系統(tǒng)或航天任務(wù)的災(zāi)難性故障。在很多情況下，這些異常只需要重裝儲(chǔ)存器、處理雜亂數(shù)據(jù)、切換到備份、重新發(fā)布指令程序、更新實(shí)時(shí)姿態(tài)控制指令等處理即可解決。然而，所有這些“小”異常都需要附加的運(yùn)行成本，這在當(dāng)前更快、更省、更好的形勢(shì)要求下，也許會(huì)不利于將來項(xiàng)目投入。進(jìn)一步而言，一系列“小”異常會(huì)增加發(fā)生大問題的可能性。任何異常或一系列異常都有潛在可能轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)重問題。因此，航天器任務(wù)經(jīng)理的目標(biāo)應(yīng)該是讓天然空間環(huán)境引起的異常事件越少越好。

表 2 空間熱環(huán)境引起的故障統(tǒng)計(jì)Table 2 List of failures related with space thermal environment

表 3 空間等離子體環(huán)境靜電放電引起的故障統(tǒng)計(jì)Table 3 List of failures related with space plasma ESD

BS-3A 日本廣播通信衛(wèi)星 1990-08-28 1994-01-22 1994年1月22日衛(wèi)星遙測(cè)信號(hào)中斷1 h。1991-01 GMS-4日本地球同步軌道氣象衛(wèi)星1989-09-05 1991-07 1991年1月和7月該衛(wèi)星由于ESD，其可見-紅外自旋掃描輻射計(jì)狀態(tài)發(fā)生錯(cuò)誤變化。FY-1 中國(guó)氣象衛(wèi)星 1988-06-09 1988-07-18衛(wèi)星在軌運(yùn)行39 d，可能是ESD引起姿控控制系統(tǒng)損壞，衛(wèi)星失效。AusSat-A3 澳大利亞國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星 1987-09-06 1987-10～1990-10這顆澳大利亞國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星與 AUSSAT-A1 和AUSSAT-A2 一樣，有異常偽錯(cuò)誤命令，干擾了遙測(cè)和姿控系統(tǒng)，類似事件在1987年10月至1990年10月期間已經(jīng)發(fā)生，這些現(xiàn)象為ESD引起。19次FltSatcom 6071軍事星座 1987-03-26 1987-03～1987-06美國(guó)這顆衛(wèi)星屬于美國(guó)海軍、空軍和民用通信網(wǎng)絡(luò)所用的通信衛(wèi)星星座之一。它經(jīng)歷了5次深度電介質(zhì)充電事件，造成1987年3月至6月期間低級(jí)邏輯異常。5次GOES-7美國(guó)NOAA地球靜止軌道氣象業(yè)務(wù)衛(wèi)星1987-02-26 1989-02-26 衛(wèi)星出地影后，由于ESD，VAS 數(shù)字多工器位模式命令失效。AusSat-A2 澳大利亞國(guó)內(nèi)通信衛(wèi)星 1985-11-28 1986-05～1990-06 由于ESD，衛(wèi)星有異常指令，干擾了遙測(cè)和姿控系統(tǒng)。 33次

續(xù)表3

續(xù)表3

續(xù)表3

表 4 空間微流星/軌道碎片超高速撞擊故障統(tǒng)計(jì)Table 4 List of failures related with hypervelocity impacts of space M/OD

表 5 太陽(yáng)活動(dòng)引起的故障統(tǒng)計(jì)Table 5 List of failures related with solar activities

表 6 帶電粒子電離輻射引起的故障統(tǒng)計(jì)Table 6 List of failures related with charged particle ionizing irradiation

續(xù)表6

4 結(jié)束語

本文[1]是關(guān)于航天器空間環(huán)境故障的綜述性技術(shù)報(bào)告，其背景是空間環(huán)境（特別在太陽(yáng)活動(dòng)峰年期間空間環(huán)境）引發(fā)的一系列航天器故障。如在1991年太陽(yáng)活動(dòng)峰年期間，美國(guó)地球同步軌道衛(wèi)星GOES-6和GOES-7上太陽(yáng)電池板發(fā)生明顯退化，GOES-7上太陽(yáng)電池板功率退化導(dǎo)致預(yù)期壽命降低2～3年，單粒子效應(yīng)故障率明顯增多，造成航天器模擬電路、數(shù)字電路甚至功率線路的異常，6顆地球同步軌道衛(wèi)星發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)故障。更為嚴(yán)重的是MARECS-1號(hào)地球同步軌道衛(wèi)星在1991年3月25日由于太陽(yáng)電池板嚴(yán)重?fù)p壞完全失效。

這些例子說明：隨著航天器壽命越來越長(zhǎng)、功能越來越復(fù)雜、電路集成度越來越高等技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)，空間環(huán)境特別是空間帶電粒子環(huán)境對(duì)航天器危害越來越大。美國(guó)大學(xué)空間研究聯(lián)合會(huì)（USRA）和計(jì)算機(jī)科學(xué)公司（CSC）認(rèn)識(shí)到空間環(huán)境可能對(duì)航天器造成嚴(yán)重不利影響，特向NASA馬歇爾飛行中心的電磁與航空航天環(huán)境部（CODE EL23）提出要重視空間環(huán)境引發(fā)航天器故障的報(bào)告。經(jīng)美國(guó)NASA批準(zhǔn)，馬歇爾空間飛行中心于1995年組織編寫本文，目的是引起廣大技術(shù)人員和管理人員對(duì)空間環(huán)境的高度重視，提高空間環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)水平，使航天器項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)和成本最小化，圓滿完成航天任務(wù)目標(biāo)。通過對(duì)大量空間環(huán)境故障與異常案例的大量研究，證明了持續(xù)完善設(shè)計(jì)與工藝、強(qiáng)化地面驗(yàn)證對(duì)確保在軌飛行任務(wù)成功是非常重要的。

本文主要針對(duì)7類空間環(huán)境因素（中性大氣、溫度、等離子體、碎片、太陽(yáng)、電離輻射、地磁場(chǎng)），對(duì)其含義及效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)敘述，收集了105個(gè)從1974～1994年間發(fā)生的歸因于這7類空間環(huán)境的航天器故障和異常案例。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，其中等離子體環(huán)境引起的故障有41個(gè)，占39%；電離輻射環(huán)境引起的故障有40個(gè)，占38%；溫度引起的故障有12個(gè)，占11%；碎片引起的故障有11個(gè)，占10.4%；太陽(yáng)粒子環(huán)境引起的故障有6個(gè)，占5.7%；中性大氣故障有3個(gè)，占2.8%；地磁場(chǎng)環(huán)境引起的故障有2個(gè)，占1.9%。本文中所涉及的太陽(yáng)活動(dòng)是指太陽(yáng)活動(dòng)期間噴發(fā)的高能帶電粒子，地磁場(chǎng)是指地磁活動(dòng)導(dǎo)致帶電粒子環(huán)境的擾動(dòng)。因此在這7類空間環(huán)境中，等離子體、太陽(yáng)、電離輻射、地磁場(chǎng)都在論述各種能量帶電粒子環(huán)境及對(duì)航天器的影響，它們作用于航天器能產(chǎn)生靜電放電、翻轉(zhuǎn)、鎖定、總劑量和位移損傷等。本文論及的帶電粒子故障占空間環(huán)境故障總數(shù)的84.76%，因此，空間環(huán)境要特別重視帶電粒子環(huán)境對(duì)航天器的各種不利影響。

（References）

[1]Bedingfield K L, Leach R D.Spacecraft system failures and anomalies attributed to the natural space environment,NASA RP-1390[R], 1996-08