蔣鵬飛：未來24小時衛(wèi)星會持續(xù)墜落嗎？

根據(jù)中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心7月5日的公告，從北京時間7月4日早8時起，地球磁場連續(xù)24小時發(fā)生磁暴，起因是7月1日太陽活動區(qū)14479爆發(fā)了X1.1級耀斑，并伴隨日冕物質(zhì)拋射。7月5日凌晨4時41分，太陽再次爆發(fā)X1.3級耀斑，北美地區(qū)20MHz以下頻段短波通訊一度無法使用。幸運的是，這次爆發(fā)發(fā)生時我國大部分地區(qū)處于夜間，電離層受到的影響有限。

（數(shù)據(jù)來源：新華社）

每當(dāng)這個時候，咱普通老百姓看到的是極光拍照攻略，但航天工程師關(guān)心的是這次的磁暴，全球哪些衛(wèi)星軌道在加速衰減，哪些衛(wèi)星上的元器件在承受粒子轟擊，哪顆衛(wèi)星今天晚上需要啟動推進器調(diào)軌，哪些衛(wèi)星會持續(xù)不斷墜落。而我每次在國家磁暴預(yù)警發(fā)出來，第一反應(yīng)不是看極光在哪里，而是看Kp指數(shù)到了那個程度。

?磁暴加熱大氣讓衛(wèi)星像在糖漿里飛

磁暴對衛(wèi)星的傷害，很多人認為是輻射和電磁干擾，但更持續(xù)、影響更廣的是大氣膨脹引發(fā)的軌道衰減。太陽等離子體到達地球后，會對中高層大氣加熱，大氣受熱膨脹向上延伸，原本幾乎真空的低軌空間突然變得擁擠起來。運行在這個高度的衛(wèi)星受到的空氣阻力急劇增大，軌道持續(xù)下沉。這個過程對于天上的航天器來說不是一次沖擊，而是持續(xù)侵蝕，更嚴重的情況將導(dǎo)致衛(wèi)星的墜落。

根據(jù)全球衛(wèi)星管理領(lǐng)域的公開研究，在正常太陽活動條件下，對衛(wèi)星24小時內(nèi)的軌道預(yù)報誤差基本控制在100米以內(nèi)。但太陽活動頻繁時，衛(wèi)星實際位置與預(yù)測位置的偏差可能超過1公里。這對星座衛(wèi)星的碰撞規(guī)避計算和測控調(diào)度來說，壓力是非常大的。

（圖片來源：新華社）

?一顆磁暴吞掉了38顆星鏈衛(wèi)星的經(jīng)過

2022年2月，SpaceX發(fā)射的49顆星鏈衛(wèi)星，其中38至40顆因磁暴引發(fā)的大氣密度增加，未能爬升到預(yù)定軌道，最終再入大氣層銷毀。這被認為是單次太陽活動造成的最大規(guī)模商業(yè)衛(wèi)星損失。不幸的是，這批衛(wèi)星發(fā)射之后恰好遭遇磁暴，大氣阻力大幅增加，軌道提升機動消耗完推進劑也追不上大氣阻力，最終失去了進入預(yù)定軌道的機會。

此后，統(tǒng)計數(shù)據(jù)開始顯示出一個更加詭異的規(guī)律。根據(jù)公開研究報告，大約70%的衛(wèi)星墜落并不發(fā)生在強磁暴期間，而是在中等和弱磁暴期間，原因是強磁暴持續(xù)時間短，弱磁暴持續(xù)時間長。弱磁暴像一把慢刀，不是一次砍斷，而是日復(fù)一日地削減衛(wèi)星軌道高度，把衛(wèi)星推向最終無法自救的臨界點。從2020年到2024年，星鏈累計墜落583顆衛(wèi)星，2022年99顆，2023年88顆，2024年一年就墜落了316顆，同比增加了259%。這個增幅的背后，就是第25太陽活動周期正在進入高峰期。

（數(shù)據(jù)來源：新華社）

?北美農(nóng)民因磁暴被迫停止種植

2024年5月10日到11日發(fā)生了近20年來最強的一次G5級的磁暴，美國國家海洋和大氣管理局將其定性為“自2003年以來最極端的磁暴”。這次磁暴的Dst指數(shù)最低達到-412納特斯拉，遠超G5級門檻，根據(jù)官方公布的消息，GOES-16氣象衛(wèi)星出現(xiàn)了約兩小時的數(shù)據(jù)傳輸中斷。

《紐約時報》的消息稱，美國約翰迪爾、即時運動定位等農(nóng)業(yè)精準導(dǎo)航設(shè)備用戶反映，磁暴期間GPS定位精度急劇下降，部分農(nóng)業(yè)工人被迫完全暫停種植活動。精準農(nóng)業(yè)使用GPS接收器引導(dǎo)拖拉機，超過50%的美國玉米、棉花等大宗農(nóng)作物使用自動導(dǎo)航技術(shù)。內(nèi)布拉斯加州農(nóng)民凱文·肯尼對媒體說：“我們正處于玉米播種的關(guān)鍵時期，所有的拖拉機都停在地頭，因為太陽風(fēng)暴導(dǎo)致GPS失靈。”GPS暫時失效對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，磁暴的影響已經(jīng)從太空延伸到餐桌。

?萬星時代的磁暴不再是小概率問題

2025年是第25太陽活動周期的高峰年，此后仍將持續(xù)一段時間的高活躍狀態(tài)。這個時間節(jié)點，恰好與我國千帆星座和GW星座的密集組網(wǎng)窗口重疊。千帆星座計劃2026年底實現(xiàn)初步全球覆蓋，在軌衛(wèi)星將超過300顆，長期目標超過1萬顆，而GW星座的規(guī)模更大，同時還有吉林一號遙感星座、中科西光高光譜星座、吉利出行導(dǎo)航星座、在軌算力星座等。當(dāng)?shù)蛙壙臻g的衛(wèi)星數(shù)量從幾千顆擴展到數(shù)萬顆，任何一次中等強度的磁暴，都會對更大規(guī)模的衛(wèi)星群產(chǎn)生系統(tǒng)性影響，而單次事件的工程處置復(fù)雜度遠超現(xiàn)有的經(jīng)驗。

（數(shù)據(jù)來源：新華社）

今年4月9日我國成功發(fā)射了“微笑”衛(wèi)星，中歐聯(lián)合研制的這顆衛(wèi)星，搭載了軟X射線成像儀和紫外極光成像儀，將首次對太陽風(fēng)與地球磁層的相互作用進行整體成像觀測，而不是此前的單點就位測量。這套觀測數(shù)據(jù)能夠幫助科學(xué)家在磁暴發(fā)生前的一到三天窗口期內(nèi)，提高磁暴強度和持續(xù)時間的預(yù)報精度。預(yù)報精度每提高一個層級，衛(wèi)星運營商就能多爭取到幾小時的軌道規(guī)避和設(shè)備保護準備時間。

?空間天氣預(yù)報是下一個衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施

我國目前建立了以子午工程為核心的空間天氣監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，之前我在“蔣院長講航天”的科普視頻里專門講過，子午工程二期的圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡已于2023年建成，為太陽活動監(jiān)測提供了新的地基觀測能力，實時監(jiān)測太陽活動和地磁場變化，面向航天任務(wù)提供空間天氣服務(wù)。這套體系的意義，在低軌衛(wèi)星數(shù)量還只有幾百顆的時代是重要的，在數(shù)萬顆衛(wèi)星的時代將是不可替代的。

一次X1.3級耀斑，從太陽到地球大約需要一到三天。磁暴過境之后，地面上看不到什么，但低軌道上那些衛(wèi)星的推進劑消耗記錄里，會多了一項非計劃的軌道維持機動。這個成本乘以幾萬顆衛(wèi)星，就變成了整個星座系統(tǒng)的一筆隱性賬單。一顆正在爆發(fā)的太陽活動，一段正在膨脹的中高層大氣，一批正在消耗推進劑維持軌道的衛(wèi)星，這不得不引起重視。

作者簡介：蔣鵬飛，人民一號衛(wèi)星與星云星座總設(shè)計師，高級工程師，北京神飛航天應(yīng)用技術(shù)研究院副院長，二十年商業(yè)航天一線研發(fā)，“蔣院長講航天”科普新媒體矩陣主理人，著有航天科幻文學(xué)《你好人類：逆光行動》，同名改編少兒短劇《逆光行動》，在人民日報、財聯(lián)社、抖音、視頻號等20個平臺開設(shè)欄目，年累計觸達受眾超1億人次。

編輯：航天知識局　　審校：張麗