神秘的“卫星杀手”——高能电子

作者: 杨晓超

来源: 国家空间科学中心

发布日期: 2015-10-13 08:56:25

高能电子是威胁航天器在轨安全的重要空间环境因素,主要通过内部充放电对卫星造成危害。高能电子暴事件发生时,卫星内部充放电的风险大大增加,对卫星安全构成严重威胁。

卫星在地球空间运行时,将遭遇到不同能量的带电粒子。其中,能量大于数百keV的高能电子是威胁航天器在轨安全的重要空间环境因素。高能电子主要通过内部充放电对卫星造成危害。卫星运行于高能电子环境中时,能量大于600keV的高能电子通常可以穿透卫星蒙皮进入星体内部,沉积在卫星内部的绝缘介质和非接地导体中。当空间中高能电子流量密度显著增强,即发生“高能电子暴”事件时,这种电荷沉积通常能够持续数天。

当卫星内部材料的充电率高于它的泄漏率时,就会产生电荷的积累,进而产生不同于周围的电位。电位高到一定程度时,只要存在某种诱导因素就会导致静电放电,放电发生在卫星电子线路机匣内部时,产生的电磁脉冲可能直接耦合进电子线路产生信号干扰。静电放电还可能造成卫星某些部件的损坏,最终导致卫星完全失效,带来严重的经济损失和社会影响。

在人类航天史上,高能电子引起的内部充放电效应导致卫星故障的事例很多,其中,1998年5月19日,美国“Galaxy-4”通讯卫星姿态控制系统及其备份系统失灵,导致卫星完全报废,使4500万人的传呼业务中断,经济损失约2.5亿美元。根据卫星失效前后空间环境状况分析,这次事件很可能是由高流量密度的高能电子在卫星内部产生的静电充放电引起的。

随着卫星体积的不断增大,壁厚由于卫星重量的限制不断减小,内部充放电发生的几率也在不断增加,同时危害也在增加。美国地球物理数据中心对1989年3月7日至31日期间的卫星异常统计分析表明,其间共发生卫星异常46例,其中35例最终归因于高能电子引起的卫星内部充放电。由此可见高能电子导致的内部充放电对卫星安全构成了严重的威胁,正因如此,高能电子被冠以“杀手电子”的称号。

卫星内部充放电是由高能电子引起的破坏性环境效应。目前完全定量确定高能电子流量与内部充放电发生机率的关系非常困难,但对美国GOES卫星的该类异常事件和高能电子通量强度的统计分析表明,发生卫星异常事件时,卫星轨道每天的高能电子流量无一例外地大于2.0×108 cm-2·sr-1,目前认为每天的高能电子流量大于2.0×108 cm-2·sr-1时,发生内部充放电效应的危险很高。

由于不同高度和纬度的太空环境的差异,卫星深层充电发生的程度在不同轨道也是不同的,颜色越深代表概率越高。地球空间的高能电子环境并非一成不变,有时高能电子流量会突然发生数量级的增长,这就是高能电子暴事件。发生高能电子暴事件时,由于地球空间高能电子流量急剧增加,发生卫星内部充放电的风险也随之大大增加,可见高能电子暴是极具破坏性的空间环境扰动事件。

研究高能电子暴的形成机制,实现高能电子暴的预报对保证卫星的在轨安全具有非常重要的意义。高能电子暴事件还与地球磁场变化密切相关。高能电子暴事件都发生在地球磁场扰动,即地磁暴条件下,一般表现为:在地磁暴开始时,高能电子通量急剧下降;在地磁暴发生1~2天后,高能电子流量逐渐增长并超过磁暴前的水平。

发生高能电子暴事件的概率与太阳活动周相关,太阳活动高年向太阳活动低年过渡的时期,最容易发生强烈高能电子暴事件;太阳活动低年发生高能电子暴事件的可能性最小。

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