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时间：2005年10月30日
地点：北京景山学校

　

空间环境与航天活动
叶宗海，中国科学院空间科学与应用研究中心
　　各位领导，各位来宾，各位同学，上午好！非常高兴能够到景山学校跟同学们交流，非常高兴。另外，我自己很高兴，能够从92年载人航天的方案认证开始，到方案的实施，设备的研制，到我们自己的空间环境保障体系的建立，一直从“神舟”一号到六号，服务了全程，感到非常幸运。
　　今天跟大家交流的题目是“空间环境与航天活动”，这个题目也非常大，重点讲空间环境对航天活动的影响。
　　先给大家介绍一下空间环境对航天活动的主要影响。内容比较多，我想中间穿插一些例子或故事。
　　空间环境是诱发航天器故障的主要原因之一。这里指的空间环境，是日地空间环境，太阳和地球之间的环境。空间并不是大家所想象的都是真空，什么都没有，实际上并不是这样的。航天器在这个区域里遭遇的环境有高层大气，还有地磁场、重力场，在空间中有大量的高能带电粒子存在，能量非常高的银河宇宙线，太阳宇宙线。地球是有磁场的，在地球的周围形成了两个辐射带，辐射的强度很强，一个是内辐射带，靠地球比较近，从200多公里一直到两万公里左右，中心区域在两万公里左右。外辐射带，距离地球稍微远一些，中心达到三万多公里左右。还有空间等离子体，包括电离层、磁层等离子体、太阳风。还有太阳电磁辐射、微流星、空间碎片和空间污染等等。
　　太阳不断地向地球喷射大量的等离子体，比较形象地说，叫做太阳风，像风一样向外吹，当它携带着太阳的磁场，向外喷的时候，跟地球的磁场发生相互的作用，在向日面地磁场被压缩，背离太阳的这一面形成磁尾，像尾巴拖的很长很长。地球的空间环境是指地球和太阳之间的环境，太阳风和地磁场发生作用的界面叫做地球的磁层，地球是在太阳压缩的磁场里面，这个空间充满着大量的等离子体。
　　这些空间环境直接关系到人类的生产活动与生活，特别是对日益发展的航天活动、军事活动、通讯与导航，包括现在的定位系统，以及地面的技术系统，所谓地面技术系统，比如说大型的电网，还有大型的输油管道系统等等，都有着重要影响。高层大气会影响航天器的轨道、姿态、温度的改变。在大气里面有一个成分是原子氧，原子氧会引起航天器表面材料的腐蚀，就是剥蚀效应。高能带电粒子环境会使航天器的材料、器件、太阳电池、航天员等产生辐射损伤，使微电子器件和设备产生单粒子效应，空间等离子体会使航天器表面和深层介质充放电，导致航天器内产生电磁干扰引发。
　　据统计，1971年2月到1986年11月，美国卫星出现的1589次异常事件中，大概70％与卫星所处的空间环境有关系，由于空间环境诱发所产生的异常事件占16.7％。国内外的卫星故障分析表明，包括我们国家自己的故障分析表明，在所有卫星故障中，空间环境诱发的故障约占40％。
　　比如说1989年，太阳上发生了一系列大爆发，曾经导致地球上西半球近60次的短波通讯中断或衰减，非常厉害，短波通讯中断达12个小时之久。3月10号发生的一次7.5小时长寿命太阳爆发，伴随有高通量的太阳质子流，产生了长时间的地磁暴，这个事件导致美国气象卫星一度中断向地面发送云图，导致卫星几天不能正常工作。军事系统跟踪的几千个空间目标近于失踪。原来跟踪的目标，轨道发生了飘移变化，找不着了。由于大气密度增加以后，卫星受到阻力，姿态都失去了控制，这次事件还破坏了加拿大魁北克的供电网，使其供电中断了9个多小时，造成近10亿美元的经济损失。
　　1997年1月11日美国的一颗卫星Telstar401卫星，被太阳引起的空间环境扰动损坏，导致北美的寻呼机和长途电话大面积发射中断，通讯中断的影响甚至波及到了金融、股票市场的运行。1991年7月7日，欧洲的遥感卫星上的CMOS器件被烧毁，精确测速测距装置遭到损坏，卫星工作也出现了大量的故障。
　　我们国家1990年发射了“风云”一号卫星，星上有一个高能粒子的探测器，我参与了这个项目的研制。“风云”一号卫星的轨道高度为800多公里，要穿越地球的内辐射带，内辐射带粒子强度非常高，有高能粒子。这颗卫星90年9月3号发射的，11月13号发生了第一次故障，计算机运行的程序发生了翻转，当高能粒子打在计算机芯片上以后，原来的状态发生了变化，0变成了1，1变成了0，程序混乱了。由于姿态控制计算机是控制卫星姿态的，它是三轴稳定对地定向的卫星，太阳电池要对着太阳，要照地球的云图，姿态是稳定的，由于计算机程序紊乱，仪器抓不着地球，就要纠正它的姿态，卫星打滚了，找不到地球就乱翻。好在这次事件发生了以后很快纠正计算机的程序，卫星的运行就正常了，这次事故就算解决了。很糟糕的是，在91年2月14号卫星的计算机再一次的出现单粒子事件，卫星姿态再次出现异常，而这次故障未能及时发现。当发现卫星姿态异常时，卫星上携带的气体已喷完，姿态已无法控制了，没法拍到云图，本来卫星按原来设计的寿命是要运行一年，但是不到半年卫星的寿命就结束了。这是我们国家有史以来非常深刻的由于空间境造成的一个教训。从那儿以后，航天工程技术人员就特别注重空间环境的影响，特别是对高能粒子的防护下了很大的工夫，以后研制的“风云”一号卫星在空间运行的很好，运行三年乃至运行四年多都没有问题。重视了空间环境得到了非常好的效益，在以后的抗辐射加固方面做了非常好的工作。
　　高层大气对航天器的影响主要表现在两个方面，一个是对航天器的阻力，改变航天器的轨道，受到大气的阻力，轨道要发生改变。如果不维持，卫星运行的轨道就会衰变。二是高层大气中氧原子非常丰富，原子氧是非常活跃的具有腐蚀性很强的化学成份，它对航天器的表面材料、光学镜头等都有很大的腐蚀作用。
　　高层大气环境是受太阳活动控制的，当太阳活动剧烈时，高层大气的温度和密度也随之发生剧烈变化，在太阳活动高年和低年时，高层大气密度有很大的差异。高度越高差异也越大，在200公里高度上可相差3－4倍，500公里高度上相差20－30倍，1000公里高度上相差可以达到100倍。
　　当太阳发生大耀斑的时候高层大气密度会发生急剧变化，特别是伴随耀斑发生的强烈地磁暴之后，地球磁场要受到扰动，地磁要大大下降。由于沉降粒子注入，有很多带电的粒子，降落到大气层，使得大气加热，造成大气密度的明显增长。比如60年11月12日的地磁暴导致不同轨道（200－1120公里）的7颗卫星上的大气密度增加，持续大约三天。在650公里高度上，大气密度增加8倍，89年3月13日的大地磁暴期间，使840公里高度的大气密度增加了9倍，对航天器有非常大的影响。
　　上述大气密度的一系列变化，直接影响航天器的运行轨道、姿态和寿命。比如说在太阳活动比较高的时候，轨道高度300公里的卫星，如果质量面积比为是每平方立米100公斤，寿命大约是10天。而在太阳活动较低的时候，可以达到50天，密度不同，变化很大。
　　氧原子是最具活性的气体粒子之一，对航天器有剥蚀作用。美国在81年－85年先后在STS－2至STS－8等航天飞机上进行过多种材料在氧原子环境中的暴露和照射试验，并同时监测运行轨道上大气中的原子氧的数密度的变化。他们发现一种厚度为12.7微米的Kapton介质材料样品，装载航天飞机上，暴露在轨道高度上的氧原子环境中的100小时候，氧原子对材料的剥蚀厚度竟大于10.4微米，一种厚度为40.6微米的Mylar材料样品在同样条件下被剥蚀的厚度为12微米。可见氧原子对材料的剥蚀是相当严重的。
　　空间中的高能带电粒子主要有来自银河系的银河宇宙线、来自太阳爆发的太阳宇宙线、被地磁场捕获的带电粒子。这些带电粒子对航天器的影响主要是两个方面，一个是航天器的材料、电子器件、太阳电池、生物及宇航员的辐射损伤效应。二是对大规模集成电路的微电子器件产生的单粒子事件效应。此外，太阳质子事件、沉降粒子的注入，使电离层电子浓度增加，造成通讯、测控和导航都有严重的影响。
　　辐射损伤效应，对材料、电子器件等的性能都会带来一系列的影响。对太阳电池的损伤，造成功率大规模的下降。91年3月22日的质子事件使日本90年8月发射的电视卫星，B35A损失掉的所有太阳能电池损失了，整个卫星都被损坏了。
　　太阳质子事件还会对航天员造成严重的辐射损伤。89年10月19日，太阳质子事件，美国航天飞机ATLANTIS正在发射伽利略卫星，航天员已经看到了高能粒子引起的闪光，不得不退回到飞船舱内，眼睛受到严重刺激。据报道，如果飞船在深空飞行或在磁层外进行仓外活动，大约有十分之一的宇航员将会受到致命的影响。
　　太阳宇宙线事件，由于大量的粒子是质子，所以又叫做太阳质子事件，89年9月29号的高能太阳质子事件当中，在巴黎与华盛顿之间飞行的协和式超音速飞机上的辐射监测器，在运行过程中第一次超过了预警水平，过去都没出现过，飞行中已经超过了预警水平。但是这次超过的量还不至于导致对旅客大的损伤。
　　单粒子事件是指对器件状态发生的变化，一个是单粒子翻转，从0变成1。二是可能使CMOS组件发生可控硅效应的单粒子锁定事件。器件的单粒子锁定，相当于计算机所谓的死机，一旦死机就不能动了，在航天器上设备死机了，必须有相应的挽救措施才能解决。单粒子翻转事件不可怕，只要重新写入，可以恢复原来的状态，现在航天器研制阶段就要求重要的设备要有防单粒子事件翻转的软件或者硬件设施。比如说简单的纠错检错，发生翻转了，可以用纠错检错恢复过来。70年代初期，美国最早发现了单粒子事件，由于他们的集成电路比较早，我们国家的相对晚一些，这个事件出现以后，我们开始认识到，而且已经得到了教训。
　　我们国家在1994年发射“实践”四号卫星，主要目的是专门探测空间的带电粒子，包括高能的和低能的带电断章取义子对航天器的影响，卫星的近地点是200公里，远地点的达到36000公里，穿过了地球内辐射带并到达了外辐射带，空间粒子环境比较恶劣。从“实践”四号卫星观测到了大量单粒子事件，大概是每个兆比特是3.4次单粒子事件翻转。“实践”四号卫星在运行过程快到一个月的时候，我们观测到了单粒子锁定事件，通过地面遥控指令解除了单粒子锁定事件，使仪器恢复了正常工作。
　　空间里充满了等离子体，在低轨道主要是能量比较低的等离子体，它的影响主要是对几百公里的大型的航天器，带有高压太阳电池阵，比如空间站、空间实验室，对太阳电池会产生电流的泄漏、弧光放电等等，使得太阳电磁的功率下降。在比较高的轨道，如地球同步轨道，三万多公里，很重要的现象是对卫星的表面充电，如果在设计当中没有考虑对它的防护，卫星充放电可以高达两万多伏，这么高的电压，就会产生放电，电磁辐射的干扰影响到航天器内部一系列的电器设备，造成故障。这个发现也是在70年代初期，美国在地球同步轨道上的大量卫星在运行的时候，多次发生故障，甚至失效。当时从工程上一直得不到解决，不知道是哪儿的问题，在地球的阴影地区，早上见不到太阳的时间发射的概率最高，后来通过空间物理学家和工程技术人员一起研究，空间物理学家提出了由于空间等离子的环境使卫星带电造成的，带电以后放电，导致了对电子设备的干扰。自从那次以后，工程设计人员想方设法要解决这个问题。
　　“实践”四号卫星是大椭圆的轨道，要穿过稠密的等离子区，三万多公里，我们测到了高达负两千多伏的带电，因为我们的运行时间比较短。半年多的运行时间，超过500伏、800伏到2000伏之间，观测到了大量的充电效应，为我们国家航空工程的设计提供了很重要的参考数据。
　　另外一种带电的效应，相当于比表面带电的电子能量要高的电子，一般要1兆多电子伏特，或者2兆以上的电子伏特，这种高能电子，可以穿透卫星的表面，进入到卫星的里面，在绝缘材料当中产生所谓的深层充电，也叫做内部充电，这个充电产生的效果，由于充电以后电压太高，产生放电，其效果与表面充放电是一样的，但是机理不一样。这种现象也是90年代初期才发现的，加拿大的两颗卫星，遭到了深层充电的影响，导致了航天器的异常，甚至部分失效。我们国家同样也遇到了这样的问题，过去从国外的资料理论上知道这个问题，但是在工程上还没有遇到这样的问题。我们在2003年12月30号发射了“探测”一号卫星，去年7月底发射了“探测”二号卫星，所谓的“双星”，我们国家跟欧洲航天局合作，同他们的四颗卫星组成观测网，专门研究空间物理过程的。双星的最高轨道达到近八万公里，这是过去没有的。由于电子增强事件造成的内部充电，使两颗星一些设备的异常。这个问题现在我们也开始重视了，如何在比较高轨道卫星上，从工程设计上防护高能电子增强事件造成的充放电效应。
　　在近地空间运行的航天器经常会遭遇到两种固态物质撞击的威胁。一种是宇宙空间中自然形成的流星体，另一类是人类空间活动产生的空间垃圾，叫做空间碎片。它们在空间中是以高速度运行，具有极高的动能。如果与航天器发生碰撞，对航天器造成严重的影响，这是当前航天界愈来愈关注的空间环境问题。“神舟”一号发射前后，正好是慧星跟地球相交比较近的那年，将会产生流星暴。流星暴来了以后，对航天器有比较大的影响，碰撞的概率加大了，在天上运行的航天器，有能力的要进行规避，要躲避它，要想发射的航天器，不要在这期间发射，以免造成威胁。“神舟”一号在1999年11月18号发射，计划是这样的，我们是做空间环境保障的，根据我们的预测，这个时候是流星暴最强的时候，不利于“神舟”一号的发射。我们建议最好把发射时间推到48小时之后，那时流星暴已经结束了。指挥部采纳了我们的建议把“神舟”一号发射时间推迟了48小时。事实证明，根据收集到的流星暴的观测数据与我们预报的结果是完全一致的，这是我国航天史上第一次由于空间环境而改变发射计划的例子。
　　什么是空间碎片呢？除了正常运行的航天器以外，包括已经报废了的航天器，爆炸了的航天器，还有火箭产生的空间垃圾，就是碎片。碎片随着航天事业的发展，各个国家发射的航天器越来越多,空间碎片也越来越多。留了一个初期的软件，空间超过10厘米的大碎片，现在看有9000多个，我们的飞船要上天，会不会跟碎片发生碰撞？撞坏了就不得了。为此我们研究了一个碎片预警软件，可以预测飞船与空间碎片碰撞的概率。
　　空间碎片跟踪的大量数据是来自于国外的，国内也能做观测，但是非常有限，在网上下载大量的数据，空间大碎片有9000多个。平时网上都是公开的，很糟糕的是，正好要发射“神舟”五号飞船前几天的时候，网上的数据全搞乱了，很多伪数据在里面，当时我们很着急，想办法要筛选出真实的数据，去掉伪数据，为此做了很多工作，根据过去的经验，在“神舟”五号飞船发射运行过程中做了非常好的保障，这件事情给了我们很大的考验和教训。
　　“神舟”六号飞船的空间碎片我们做了很多预案，一个是上去的人是两个，不是一个，不是一天就回来了，要转五到七天，飞行时间长，预报工作难度非常大，经过一年多的努力，在空间预警软件方面做了很大的改进，在“神舟”六号飞船发射的时候，我们每天要下载几次数据，空间碎片在变，轨道也在变，我们要根据“神舟”六号飞船发射段的轨道参数，飞船运行时段的参数，计算飞船与空间碎片碰撞的概率。每算一个点都要很长时间，我们的同志非常辛苦，从飞船发射前十天一直到飞船安全返回都是连夜加班。为“神舟”六号飞船的发射时间提出了非常好的建议，保证了“神舟”六号飞船安全运行。为“神舟”六号飞船所做的空间环境保障，也充分体现了载人航天的精神，这个航天精神就是特别能吃苦，再一个是特别能战斗，特别能攻关，特别能奉献。每一个系统的每一个部门都有这种精神。当时做空间环境保障的数月里，很多同志都十分辛苦，充分体现了这些同志的奉献精神，也体现了能攻关、吃苦耐劳的精神。
　　由于空间碎片造成航天器的威胁也是很大的。近来科学家们分析发现1983年7月“挑战者”号航天飞机第7次飞行时被空间物体击中，形成一个缺口，后来证实可能是美国火箭上的碎片造成的。81年7月苏联导航卫星“宇宙275号”在国阿拉斯加上空爆炸，被认为是空间碎片所导致的。78年1月，苏联带有核反应堆的侦察卫星“宇宙945号”突然压力下降，坠落于加拿大北部，也认为是空间碎片击中引起的。
　　我们国家从1971年开始发射了“实践”一号卫星，主要是高能带电粒子、太阳X射线和空间磁场。“东方红”卫星上去以后，标志着我们国家能发射卫星。但是周总理强调我们要有科学实验，很快应用“东方红”卫星的备份卫星发射了“实践”一号卫星。81年发射了“实践”二号卫星，是非常全面的空间物理和空间环境的监测卫星。90年用一个火箭发射了“风云”一号卫星和“大气”一号、二号气球卫星，做大气的测量。94年“实践”四号卫星做了空间带电粒子环境及其效应的探测。99年5月，发射了“实践”五号卫星，专门进行单粒子效应防护对策的研究。2003年底和2004年7月份。我们发射了“探测一号”和“探测二号”空间科学探测卫星，用于研究日地空间物理的特征和变化规律。我们从“神舟”二号卫星一直到五号卫星，都有全面的空间环境的监测。
　　空间环境预报是空间环境保障载人航天非常重要的一部分。从92年开始筹建了我们国家第一个综合性的空间环境预报中心，是专门为载人航天服务的。我们在99年已经开始正式开始在网上发布预报，每天都有，同时也向国外用英文发布我们的预报结果。从“神舟”一号卫星到“神舟”六号卫星，这个预报中心都起到了很重要的空间环境安全保障作用。
　　总的来讲，空间环境与人间天气是差不多的，没有太多的区别。空间天气指的是太阳的表面、太阳风、电离层和高层大气的状态，可能危及人类的健康和生命，恶劣的空间环境会影响卫星的运行，经济效益损失等等。空间环境和空间天气的区别是什么？首先空间天气不研究空间环境的因素对航天器产生的效应和防护对策，而是对一些物理过程和预报方法进行研究。第二个很大的区别，空间天气不管人为的环境，只管自然的环境。空间环境有人为的环境，如空间碎片、空间污染等等，这是很大的区别。另一个很大的区别，空间环境做的保障，直接的应用于航天事业，空间天气是着重于基础研究。
　　航天工程发展的历史已经令人信服地证明，几乎所有空间环境的参数都对航天器的运行有着重要的影响。由于空间环境导致航天器的异常或者故障已经不胜枚举，既有因对环境不够了解而付出惊人代价的事例，也有因对环境的危害有充分的认识，采取相应措施避免事故的事例。因此，充分认识这些空间环境和它对航天器带来的影响，并在航天器设计、制造和运行中加以充分考虑是十分必要的。特别是载人航天，其安全可靠性最为重要，必须排除所有可能威胁飞船安全的因素。因此，空间环境的预报与监测，对载人航天来讲更是必不可少的。

问：请教叶研究员，原子氧的剥蚀作用，国家目前有没有一些防护措施？您举了很多空间环境会影响航天的各种因素，现在有没有还没发现的影响因素？如果没有发现，国家对未发现的因素方面有没有专门的研究所？
叶宗海：关于原子氧的问题，国外已经做了很多研究，包括在地面做模拟试验，空间做一些飞行试验，把相关的材料带到卫星上面去，做实验研究分析。我们国家也在做研究，但是研究的单位不止我们一家，有相关的单位在做研究，包括做一些试验，用专门的设备，在有氧原子的环境背景下做地面模拟实验,空间飞行试验正在寻找上天的机会。
　　空间环境有没有其它一些因素对航天器产生影响的？这个问题也是我们非常关心的。很多空间环境开始是不认识、不知道的，但是后来随着科学研究的深入以及技术的发展逐步暴露了。高能电子引起的卫星内部充电是国外首先遇到了，是90年代初才发现的,我们现在也遇到了。还有空间的污染，污染本身也是人为造成的，航天器自身产生的污染等等，对航天器本身带来多大的影响，目前正在研究，也是载人航天特别关心的问题，因为航天员在里面，产生了污染怎么对待等等，都需要进一步研究。当然还有些问题还没有暴露，我们不是很清楚的，需要以后随着科学深入的发展和技术的发展暴露出来。
问：空间碎片的观测，外国的没有进入空间碎片的观测位置，用什么方法观测的？中国有没有意向在近几年之内发展这种技术？
叶宗海：观测主要是两种手段，一个是地面大型的光学望远镜，观测天文的，一个是大功率的雷达观测。在空间做观测和在航天器上观测，主要做的方式，对于小的碎片，大的碎片不好观测。大于10厘米直径的碎片。实际上空间中有比大碎片多的多的小的碎片，这种碎片对航天器也是有影响的，主要是对空间的表面涂层材料、光学透镜的影响,我们把它叫做砂蚀。还有对大量的光学系统，被打了以后分辨率就差了。美国对哈勃望远镜已经做过两次修复，它的外表砂蚀得很严重,设备性能大大下降。我们国家也有观测，主要是用光学望远镜。做大型的光学望远镜，投资相当大，数量还不够多，大功率的高精密度的雷达不是很多。
问：问一下叶教授，在航天器上加高能放电的东西，航天器表面形成一层电子层，类似于地球上的电离层一样，通过保护膜保护航天器。
叶宗海：实际上叫主动试验，比如说卫星表面带电，运行的时候会带很高的电位，带了高电位以后，检测空间环境的仪器会有影响，特别是我们要测表面的电位，本身带电，测试就不准了，测试的数据可能有些问题，卫星表面本身都带电，后来做了一些试验，首先发射低能的粒子，可以降低卫星的表面电位。还有比如说在卫星上或航天器上可以向空间撒一些化学物质，比如钡进行扩散，可以逐步地改变空间的电离层的环境。
问：现在太空中有好多碎片都是由于航天器造成的，现在对航天器要报废，除了遗留在太空，还有没有比较好的解决方式？是把它带回地球还是不断地成为碎片？我们对现有的太空垃圾有没有比较好的设计方式？
叶宗海：国际上关于空间碎片，希望大家尽量使空间碎片减少，有很多方案的提出，能不能主动的将一些空间碎片比较大的改变轨道，提前陨落。另外，在《国际公约》里提出很多关于航天器在发射的时候应该遵守的公约、条款，尽量避免空间碎片的增加。但是到目前是比较大的难题，因为各个国家发射航天器，每个国家有不同的应用目的，包括民用的，还有通讯等等，现在的卫星非常多，通讯网络，用在军事上更多的。现在碎片增长的速度很快，真正要减少碎片或者主动采取把碎片提前陨落，转入另外的轨道，能不能把一些碎片移到平常不太飞行的轨道上，这个工程比较大，有相当的难度，都在想办法解决，世界上也有这个组织。