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硬“抗”超大地磁暴,航天器身怀绝技

添加时间:2024-05-28 作者: 来源:中国航天科普 点击:336 收藏 打印 字体:
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近期,太阳活动剧烈,连续引发超大地磁暴,但各国航天器除了不可避免的轨道衰减外,并无太多异常。为何会出现超大地磁暴?这种空间天气剧变会给航天器造成哪些麻烦?科研人员又有哪些不断改善的应对之策呢?

源于太阳 贡献奇观

最近,一连串超大地磁暴事件在全球范围内引起了广泛关注。根据我国国家空间天气监测预警中心发布的紧急红色预警,自北京时间5月10日23时起,强度极高的地磁暴一度飙升至最高等级。与此同时,美国国家海洋和大气管理局近20多年来首次发出了最高级别的极强地磁暴预警。世界气象组织也在公告中强调,近期的地磁暴是数十年来最为强烈的。

太阳活动引发地磁暴示意图

通俗地说,地磁暴是一种全球性地球磁场剧烈扰动现象,通常由太阳表面的强烈活动触发,尤其是太阳耀斑和日冕物质抛射。

其中,太阳耀斑是太阳大气中发生的剧烈而短暂的能量爆发,会释放出巨大的能量和高能粒子。这些高能粒子包括质子、电子和重离子,以接近光速从太阳表面喷射而出,接近地球时,就会与地球的磁场、大气层相互作用,引发一系列复杂的物理效应。

日冕物质抛射则是太阳大气中发生的大规模等离子体抛射事件。在太阳活动的高峰期,数十亿吨等离子体携带着强大的磁场,以每小时数百万公里的速度向太阳系的四面八方扩散传播。当它们抵近地球时,同样会与地球的磁场相互作用,对地球空间环境造成显著影响。

总之,这些太阳活动会释放出巨大的能量和大量高能粒子,导致地球磁场的方向和强度发生急剧变化,从而引发地磁暴。

对于天文爱好者或摄影达人来说,地磁暴也许是“福音”,因为其在全球范围内贡献了令人叹为观止的极光景象。通常,在我国,只有黑龙江漠河附近的高纬度地区有望目睹极光的风采。然而,由于近期地磁暴规模空前,影响范围极为广泛,广大北方地区的人们普遍亲眼见证了这种多彩绚丽的自然奇观。一般认为,太阳释放的高能粒子与地球大气中的氧原子、氮原子等剧烈碰撞,各地“博弈”情况不同,与多姿多彩的极光诞生有着密不可分的关系。

剧烈降轨 多处考验

地磁暴不仅在夜空中绘就了绚丽夺目的极光景观,还对近地轨道上的航天器产生了显著影响,特别是低轨卫星和空间站等,工作时务必“小心”。

具体来说,地磁暴对航天器最突出的影响就是导致低轨卫星和空间站等轨道衰减。这是因为太阳活动释放的高能粒子会将大量能量传递给近地空间的稀薄大气分子,引发大气加热现象,促使分子运动加剧,进而导致低轨航天器在飞行过程中遇到的阻力增大,轨道高度逐渐下降。

剧烈地磁暴使近地轨道航天器经受考验

比如,某些合成孔径雷达卫星在地磁暴期间充分体验了近地空间大气密度上升的后果,卫星轨道运行阻力大增,造成轨道下降速率达到138米/天。毫无疑问,这种轨道快速衰减对卫星的轨道维持和寿命管理等提出了更高的要求。

空间站、空间望远镜等同样受到了地磁暴的消极影响,比如空间站曾出现过轨道高度单日下降1000米左右的情况。这些大型航天器为了确保轨道维持,必须额外消耗更多燃料,对抗轨道衰减趋势,而频繁的轨道调整也有可能对自身运行计划和科学研究活动产生干扰。

另外,在地磁暴剧烈期间,空间站还需要加强对航天员的辐射防护,因为高能粒子有可能对航天员的健康构成威胁。

除了轨道衰减与辐射环境问题外,不排除高能粒子对航天器上的电子设备和太阳能电池板造成损害的可能性。严重时,这些高能粒子能够穿透航天器的防护层,破坏其电子器件内部结构,导致性能下降或功能失效。太阳能电池板的效率也会降低,进而减少航天器发电量,影响其正常运行,甚至导致任务失败。对于依赖太阳能电池板供电的航天器来说,这种损害特别值得注意。

连施绝技 意义深远

虽然地磁暴对低轨航天器的运行带来了一系列挑战,但通过科学监测、及时轨道调整、控制策略优化,以及对航天器各系统的严密监控和维护,科研人员已经能够通过采用综合措施,最大限度地降低地磁暴的消极影响,确保航天器自身安全和任务顺利执行。

首先,对于需要高精度定轨的航天器,科研人员可以根据最新的大气状况和地磁场变化,及时调整其相关参数,保持定轨的精确性。这需要对航天器的轨道进行精确监测和计算,以适应地磁暴期间大气密度波动。

其次,对于需要精确轨道控制的航天器,如合成孔径雷达卫星,科研人员在制定控制策略时,可以提高控制频率,调整控制参数,确保航天器持续稳定地飞行在预定轨道上。这或许需要增加航天器轨道机动的频率,对抗因大气阻力增加而引发的轨道衰减。

此外,在地磁暴期间,加强对在轨航天器各分系统工作状态的监视是至关重要的。为此,科研人员需要对航天器的电力系统、通信系统、姿态控制系统等关键部分进行实时监控,确保它们在极端空间天气条件下仍能正常运作。

从国际空间站俯瞰地球上空的大范围极光

由于地磁暴有可能对航天器上的电子设备造成影响,科研人员在设计阶段就需要考虑采取“辐射硬化”措施,保障航天器升空后免受高能粒子损害,强化其电子设备和敏感仪器的可靠性和耐久性。

可以说,面对超大地磁暴考验,航天器展现的诸多绝技不仅是航天技术实力的有力证明,更是科研人员创新精神的生动体现。每一次航天器成功应对考验,都将为未来太空探索能力提升奠定坚实的基础。

面对极端的超大地磁暴,航天器不仅展现了在太空恶劣环境下的非凡应对能力,还证明了它们在保护人类安全、推动科技进步方面的重要作用。这些航天器通过应用先进技术和坚固结构,能够在极端的太空环境中保持稳定运行,同时执行复杂的科学任务。

在通信领域,地磁暴剧烈期间,电离层的强烈扰动确实对无线电波传播构成了挑战。不过,通过地面设施与航天器之间的紧密协作,以及先进的信号处理技术,科研人员能够克服干扰因素,确保通信系统稳定运行。这种天地协作不仅保障了日常通信的连续性,还为紧急情况下的信息传递提供了关键支持。

在导航领域,地磁暴引发的地球磁场剧烈变化对导航系统的准确性构成了威胁。幸运的是,航天器上的导航系统通过采用先进算法和传感器技术,能够迅速做出调整,进行精确校正。因此,在地磁暴期间,大众仍然能够信任导航系统提供的精确服务,航天器也保障了运输、军事和科研活动正常进行。

此外,航天器搭载的科学仪器在地磁暴期间收集了大量关键数据,这对于科学家们来说是至关重要的资源。这些数据能够帮助科学家们更深入地理解太阳活动对地球空间环境的影响,包括太阳风、宇宙射线和磁场变化等现象。通过对这些数据进行分析,科学家们有望更准确地预测类似的空间天气事件,为空间天气预报和灾害预防提供坚实的科学基础。这不仅彰显了航天技术的先进性,也体现了人类对太空环境适应和应对能力的持续提升。

总之,随着航天技术不断进步,人类对太空的理解和利用也不断深化。通过更多实践,科研人员不断提高对太阳活动的认识,优化航天器的设计和运行策略,以更自信的姿态迎接更多更大的太空探索挑战。未来,这不仅能够为社会稳定运作提供有力支持,也将为更深远的太空探索以及人类在太空中长期生存奠定基础。

本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》

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