“星链”卫星毁于地磁暴事件空间环境分析

罗冰显 王荣兰 刘卫 闫瑞东 任廷领 任书仪 刘四清 雷久侯

（1 中国科学院国家空间科学中心空间环境态势感知技术重点实验室 2 中国科学技术大学地球和空间科学学院）

2022 年2 月8 日，美国太空探索技术公司（SpaceX）发布声明称，2 月3 日发射的一个批次49 颗“星链”（Starlink）卫星，有多达40 颗因受地磁暴影响可能已经或将要在大气层坠毁。该消息马上在社会上引起热议，也引起了相关专业人员的关注和疑虑：一个普通的小地磁暴真能一下摧毁美国40 颗卫星吗？就此，我们利用国内子午工程等空间环境监测数据和相关模型，分析了发射前后的空间天气变化，以及“星链”卫星轨道上的空间环境状况，评估了空间环境的影响。

1 “星链”事件始末

据SpaceX 公司官网报道，世界标准时间2022年2 月3 日18：13，SpaceX 公 司 使 用 猎 鹰-9（Falcon－9）火箭从佛罗里达州肯尼迪航天中心的LC-39A 发射场向近地轨道发射了49 颗“星链”卫星，卫星顺利进入近地点210km、远地点340km的轨道。按照预定流程，卫星入轨后会停泊在近地点210km 的极低轨道，进行一系列在轨测试，确认卫星状态良好后，才会启动电推进器进行升轨。然而，卫星在2 月4 日遭遇地磁暴，据SpaceX 公司报道，相比以往发射，本次任务大气阻力增加了50%。虽然SpaceX 公司命令卫星进入安全模式，转为侧面迎风的姿态飞行，以最大限度减少阻力，但该策略并未奏效，低空增加的阻力使卫星离开安全模式，导致多颗卫星无法顺利升轨。

根据后续公开资料，本批次49 颗“星链”卫星最终只有11 颗顺利升轨进入工作轨道，其余38 颗均坠入大气层烧毁。

2 “星链”事件前后的空间天气

卫星发射前后，太阳较为活跃，空间天气总体处于扰动状态。卫星发射前的1 月29 日21:57，太阳上爆发了一个“日冕物质抛射”（CME）事件，导致地球于2 月3 日9-15 时发生小地磁暴。之后，“星链”卫星于2 月3 日18 时发射。2 月4 日15-21 时，在一次冕洞高速流与弱CME 叠加过程的影响下，地球再次发生了小地磁暴。

3 “星链”事件期间的轨道大气密度变化

利用多种方式进行210km 高度附近大气密度的分析，包括空间环境模式计算、空间站大气密度直接监测、200 多千米高度大气密度反演等。

“星链”事件期间引起地球磁暴的太阳日冕物质抛射（左）和冕洞（右）

“星链”第38 批次卫星发射前后遭遇小地磁暴

根据空间环境模式计算，相比2 月2 日空间环境较为平静时，2 月4 日的磁暴引起了210km 高度大气密度的增加，高纬地区相比低纬地区增幅更高，就“星链”卫星轨道上的平均大气密度而言，增幅约为10%。根据空间站在轨大气观测数据，在发射当日和第二天，大气密度有所抬升，发射当日大气密度增幅约为15%，发射第二天大气密度增幅约为12%。此外，利用类似“星链”卫星高度的宇宙碎片的轨道数据，进行了大气密度反演计算，发射当日初始时刻地磁平静期的密度值约为1.77×10kg/m，磁暴发生后，密度迅速增至约1.94×10kg/m，随后，地磁扰动减弱，密度随之有所降低，发射后第二天，在大气密度没有恢复至平静水平的情况下，再次发生小地磁暴，大气密度再一次升高，上升至约2.00×10kg/m，磁暴事件导致210km 高度的全球大气密度相比平静期增幅约为13%。

此外，美国太空跟踪网站（Space-Track）发布的一颗已经陨落的“星链”卫星轨道数据表明，本次大气密度增强影响了卫星通过推进器进行轨道维持，卫星的轨道衰减，使得卫星经历的大气密度进一步上升。2 月6 日凌晨，3h 内卫星轨道远地点下降了36km，近地点下降了7km，受地磁暴加热大气和卫星轨道降低两个因素的共同影响，3h 内两个轨道圈次卫星经历的平均大气密度产生了约40%的上升。

我们同时对比了“星链”历次发射时面临的空间天气情况，主要是对轨道大气密度产生直接影响的地磁扰动指数Ap 和太阳辐射指数F10.7。可以看到，相比以往发射，本次发射的地磁Ap 指数和F10.7 指数有较大幅度增长，这也说明本次发射面临的大气密度和阻力会更大。“星链”前期也有若干次将卫星发射到210km 轨道高度附近，利用空间环境模式计算，受更高的太阳辐射和地磁扰动影响，本次发射相比以往类似发射的大气密度增幅达到了50%以上。

宇宙-1408 碎片（编号49795）轨道数据反演的210km 大气平均密度

4 “星链”事件可能原因分析

目前，根据公开资料，尚无法准确得知该卫星在整个过程中不同工作模式下的姿态、迎风面积和电推进功率。但总体而言，卫星轨道抬升或下降取决于推进器的推力与大气阻力之间的差异，电推力无法补偿大气阻力可能是导致卫星再入的主要原因。

“星链”历次发射当日的地磁Ap 指数和太阳F10.7 指数

SpaceX 公司出于成本和测试等方面的考虑，采用了将卫星发射至210km×340km 的小椭圆轨道，利用霍尔效应电推进器，将卫星逐步升轨至340km或更高运行轨道的卫星部署方式。对“星链”历次发射后的升轨过程分析表明，“星链”卫星的平均电推力约为10 ～15mN。相比以往，本次发射期间地磁扰动和太阳辐射强度有较大幅度增长，其面临的大气阻力比历次发射都高，根据计算，若卫星的姿态不能稳定控制，克服大气阻力所需要的推力很容易达到15 ～20mN 以上，在电推进力较为有限的情况下，大气密度的上升可能会导致卫星电推力无法与大气阻力相匹配的情况，从而使卫星陷入轨道不断衰减的恶性循环，导致任务失败。此外，虽然地磁暴仅导致发射前后相比约10%左右的大气密度增加，但热层大气密度随高度呈指数关系变化，随着卫星轨道高度下降，其面临的大气阻力会快速上升，当电推进的推力无法补偿卫星遭受的大气阻力时，就会导致卫星很快陨落。

另一方面，SpaceX 公司在面临未知或预期之外的空间环境情况时，没有制定完善预案并采取妥当的应对策略也可能是导致卫星再入的一个因素。根据相关报道，“星链”卫星的部署方式与常规模式不同，它是随上面级的转动而非常缓慢地部署出去，每颗的转动惯量稍有不同，卫星间可能会有少量接触，但速度很慢。卫星部署后会很快开机，然后开始对离子推力器进行加温，并开展多项状态检查。卫星部署后姿态会不稳定，从而会导致不同的面积质量比，因此卫星释放后的轨道衰减幅度会不同。2022 年1 月19 日的发射与此次类似，发射附近有一次小地磁暴，卫星释放的高度也是210km×340km的小椭圆轨道，只是太阳F10.7 指数比2 月3 日的发射低。发射后，SpaceX 公司在进行卫星测试后转入升轨模式，且全部抬升成功。2 月3 日的发射，SpaceX 公司在卫星入轨后同样先进行在轨测试，随后为了应对磁暴影响转入安全模式，增加的阻力导致大部分卫星无法转入升轨模式。对比两次发射，虽然在发射前都刚刚经历了一次小磁暴，但其空间环境情况和发展过程存在两点显著差异：①受更强的太阳辐射影响，2 月3 日发射相比1 月19 日的发射，210km 高度的大气密度更高；②2 月3 日发射后，在卫星未完成在轨测试时，即遭遇了新的小磁暴，大气密度进一步增加，卫星轨道衰减加快，而1 月19 日的发射，卫星发射后空间环境由扰动转为平静，大气密度处于降低过程，卫星轨道衰减没有大幅增加，可以从容完成在轨测试并成功升轨。SpaceX 公司在面对这两种未知或预期之外的空间环境情况下，预案不足或应对措施不当，可能也是导致失败的原因之一。

根据相关报道，SpaceX 公司吸取了2 月3 日发射卫星因初始轨道太低以及受到地磁暴严重影响的教训，在2 月21 日第39 次发射中，将卫星数目减少为46 颗，将轨道抬升至初始入轨点325km×337km、倾角53.2°的一条近圆形轨道，并成功部署。

5 启示和建议

“星链”事件是历史上首次因空间天气而造成数十颗卫星陨落的事件，给蓬勃发展的航天活动敲响了警钟。值得注意的是，本次地磁暴只是一个非常普通的空间天气事件，根据数十年的观测统计，小地磁暴平均每年有54 天，太阳活动高年可达126 天。“星链”卫星自2019 年开始快速部署，正好与2019年12 月开始的第25 周太阳活动周发展过程相重合，两年多来，太阳活动水平持续上升，未来几年将会频繁发生空间天气事件。虽然小地磁暴一般不会对航天活动产生严重影响，但“星链”事件表明，从任务约束、成本、必要的冗余、影响应对、工程策略等多个方面统筹考虑，需要针对性、精细化的空间环境分析和预报支持，避免卫星工作于可能影响成败的空间环境“边界”线上。

此外，“星链”事件是受低轨大气严重影响而导致失败的一个典型事例，太空中还存在其他几类能够对航天活动产生影响的环境要素，包括等离子体环境、高能粒子环境等。例如，原子氧对卫星表面有剥蚀效应；电离层扰动影响星间和星地通信，会对卫星导航、雷达成像、短波通信等涉及电波传播和电磁环境的技术手段产生严重影响；辐射环境会引起表面充电、深层充电、单粒子效应和位移损伤等效应，影响卫星的正常运行和寿命，在卫星经过南大西洋异常区时，辐射效应显著增强。在航天活动中，也需要对这些环境效应进行针对性的应对。

随着第25 周太阳活动周发展，以及更多的新技术部署在更广阔的太空范围，未来几年空间环境扰动对航天活动的影响将逐步增强，需要不断提升空间环境的认知，构建有效的应对策略，保障航天活动的顺利实施。