“星鏈”衛星毀于地磁暴事件空間環境分析

羅冰顯 王榮蘭 劉衛 閆瑞東 任廷領 任書儀 劉四清 雷久侯

（1 中國科學院國家空間科學中心空間環境態勢感知技術重點實驗室 2 中國科學技術大學地球和空間科學學院）

2022 年2 月8 日，美國太空探索技術公司（SpaceX）發布聲明稱，2 月3 日發射的一個批次49 顆“星鏈”（Starlink）衛星，有多達40 顆因受地磁暴影響可能已經或將要在大氣層墜毀。該消息馬上在社會上引起熱議，也引起了相關專業人員的關注和疑慮：一個普通的小地磁暴真能一下摧毀美國40 顆衛星嗎？就此，我們利用國內子午工程等空間環境監測數據和相關模型，分析了發射前后的空間天氣變化，以及“星鏈”衛星軌道上的空間環境狀況，評估了空間環境的影響。

1 “星鏈”事件始末

據SpaceX 公司官網報道，世界標準時間2022年2 月3 日18：13，SpaceX 公 司 使 用 獵 鷹-9（Falcon－9）火箭從佛羅里達州肯尼迪航天中心的LC-39A 發射場向近地軌道發射了49 顆“星鏈”衛星，衛星順利進入近地點210km、遠地點340km的軌道。按照預定流程，衛星入軌后會停泊在近地點210km 的極低軌道，進行一系列在軌測試，確認衛星狀態良好后，才會啟動電推進器進行升軌。然而，衛星在2 月4 日遭遇地磁暴，據SpaceX 公司報道，相比以往發射，本次任務大氣阻力增加了50%。雖然SpaceX 公司命令衛星進入安全模式，轉為側面迎風的姿態飛行，以最大限度減少阻力，但該策略并未奏效，低空增加的阻力使衛星離開安全模式，導致多顆衛星無法順利升軌。

根據后續公開資料，本批次49 顆“星鏈”衛星最終只有11 顆順利升軌進入工作軌道，其余38 顆均墜入大氣層燒毀。

2 “星鏈”事件前后的空間天氣

衛星發射前后，太陽較為活躍，空間天氣總體處于擾動狀態。衛星發射前的1 月29 日21:57，太陽上爆發了一個“日冕物質拋射”（CME）事件，導致地球于2 月3 日9-15 時發生小地磁暴。之后，“星鏈”衛星于2 月3 日18 時發射。2 月4 日15-21 時，在一次冕洞高速流與弱CME 疊加過程的影響下，地球再次發生了小地磁暴。

3 “星鏈”事件期間的軌道大氣密度變化

利用多種方式進行210km 高度附近大氣密度的分析，包括空間環境模式計算、空間站大氣密度直接監測、200 多千米高度大氣密度反演等。

“星鏈”事件期間引起地球磁暴的太陽日冕物質拋射（左）和冕洞（右）

“星鏈”第38 批次衛星發射前后遭遇小地磁暴

根據空間環境模式計算，相比2 月2 日空間環境較為平靜時，2 月4 日的磁暴引起了210km 高度大氣密度的增加，高緯地區相比低緯地區增幅更高，就“星鏈”衛星軌道上的平均大氣密度而言，增幅約為10%。根據空間站在軌大氣觀測數據，在發射當日和第二天，大氣密度有所抬升，發射當日大氣密度增幅約為15%，發射第二天大氣密度增幅約為12%。此外，利用類似“星鏈”衛星高度的宇宙碎片的軌道數據，進行了大氣密度反演計算，發射當日初始時刻地磁平靜期的密度值約為1.77×10kg/m，磁暴發生后，密度迅速增至約1.94×10kg/m，隨后，地磁擾動減弱，密度隨之有所降低，發射后第二天，在大氣密度沒有恢復至平靜水平的情況下，再次發生小地磁暴，大氣密度再一次升高，上升至約2.00×10kg/m，磁暴事件導致210km 高度的全球大氣密度相比平靜期增幅約為13%。

此外，美國太空跟蹤網站（Space-Track）發布的一顆已經隕落的“星鏈”衛星軌道數據表明，本次大氣密度增強影響了衛星通過推進器進行軌道維持，衛星的軌道衰減，使得衛星經歷的大氣密度進一步上升。2 月6 日凌晨，3h 內衛星軌道遠地點下降了36km，近地點下降了7km，受地磁暴加熱大氣和衛星軌道降低兩個因素的共同影響，3h 內兩個軌道圈次衛星經歷的平均大氣密度產生了約40%的上升。

我們同時對比了“星鏈”歷次發射時面臨的空間天氣情況，主要是對軌道大氣密度產生直接影響的地磁擾動指數Ap 和太陽輻射指數F10.7。可以看到，相比以往發射，本次發射的地磁Ap 指數和F10.7 指數有較大幅度增長，這也說明本次發射面臨的大氣密度和阻力會更大。“星鏈”前期也有若干次將衛星發射到210km 軌道高度附近，利用空間環境模式計算，受更高的太陽輻射和地磁擾動影響，本次發射相比以往類似發射的大氣密度增幅達到了50%以上。

宇宙-1408 碎片（編號49795）軌道數據反演的210km 大氣平均密度

4 “星鏈”事件可能原因分析

目前，根據公開資料，尚無法準確得知該衛星在整個過程中不同工作模式下的姿態、迎風面積和電推進功率。但總體而言，衛星軌道抬升或下降取決于推進器的推力與大氣阻力之間的差異，電推力無法補償大氣阻力可能是導致衛星再入的主要原因。

“星鏈”歷次發射當日的地磁Ap 指數和太陽F10.7 指數

SpaceX 公司出于成本和測試等方面的考慮，采用了將衛星發射至210km×340km 的小橢圓軌道，利用霍爾效應電推進器，將衛星逐步升軌至340km或更高運行軌道的衛星部署方式。對“星鏈”歷次發射后的升軌過程分析表明，“星鏈”衛星的平均電推力約為10 ～15mN。相比以往，本次發射期間地磁擾動和太陽輻射強度有較大幅度增長，其面臨的大氣阻力比歷次發射都高，根據計算，若衛星的姿態不能穩定控制，克服大氣阻力所需要的推力很容易達到15 ～20mN 以上，在電推進力較為有限的情況下，大氣密度的上升可能會導致衛星電推力無法與大氣阻力相匹配的情況，從而使衛星陷入軌道不斷衰減的惡性循環，導致任務失敗。此外，雖然地磁暴僅導致發射前后相比約10%左右的大氣密度增加，但熱層大氣密度隨高度呈指數關系變化，隨著衛星軌道高度下降，其面臨的大氣阻力會快速上升，當電推進的推力無法補償衛星遭受的大氣阻力時，就會導致衛星很快隕落。

另一方面，SpaceX 公司在面臨未知或預期之外的空間環境情況時，沒有制定完善預案并采取妥當的應對策略也可能是導致衛星再入的一個因素。根據相關報道，“星鏈”衛星的部署方式與常規模式不同，它是隨上面級的轉動而非常緩慢地部署出去，每顆的轉動慣量稍有不同，衛星間可能會有少量接觸，但速度很慢。衛星部署后會很快開機，然后開始對離子推力器進行加溫，并開展多項狀態檢查。衛星部署后姿態會不穩定，從而會導致不同的面積質量比，因此衛星釋放后的軌道衰減幅度會不同。2022 年1 月19 日的發射與此次類似，發射附近有一次小地磁暴，衛星釋放的高度也是210km×340km的小橢圓軌道，只是太陽F10.7 指數比2 月3 日的發射低。發射后，SpaceX 公司在進行衛星測試后轉入升軌模式，且全部抬升成功。2 月3 日的發射，SpaceX 公司在衛星入軌后同樣先進行在軌測試，隨后為了應對磁暴影響轉入安全模式，增加的阻力導致大部分衛星無法轉入升軌模式。對比兩次發射，雖然在發射前都剛剛經歷了一次小磁暴，但其空間環境情況和發展過程存在兩點顯著差異：①受更強的太陽輻射影響，2 月3 日發射相比1 月19 日的發射，210km 高度的大氣密度更高；②2 月3 日發射后，在衛星未完成在軌測試時，即遭遇了新的小磁暴，大氣密度進一步增加，衛星軌道衰減加快，而1 月19 日的發射，衛星發射后空間環境由擾動轉為平靜，大氣密度處于降低過程，衛星軌道衰減沒有大幅增加，可以從容完成在軌測試并成功升軌。SpaceX 公司在面對這兩種未知或預期之外的空間環境情況下，預案不足或應對措施不當，可能也是導致失敗的原因之一。

根據相關報道，SpaceX 公司吸取了2 月3 日發射衛星因初始軌道太低以及受到地磁暴嚴重影響的教訓，在2 月21 日第39 次發射中，將衛星數目減少為46 顆，將軌道抬升至初始入軌點325km×337km、傾角53.2°的一條近圓形軌道，并成功部署。

5 啟示和建議

“星鏈”事件是歷史上首次因空間天氣而造成數十顆衛星隕落的事件，給蓬勃發展的航天活動敲響了警鐘。值得注意的是，本次地磁暴只是一個非常普通的空間天氣事件，根據數十年的觀測統計，小地磁暴平均每年有54 天，太陽活動高年可達126 天。“星鏈”衛星自2019 年開始快速部署，正好與2019年12 月開始的第25 周太陽活動周發展過程相重合，兩年多來，太陽活動水平持續上升，未來幾年將會頻繁發生空間天氣事件。雖然小地磁暴一般不會對航天活動產生嚴重影響，但“星鏈”事件表明，從任務約束、成本、必要的冗余、影響應對、工程策略等多個方面統籌考慮，需要針對性、精細化的空間環境分析和預報支持，避免衛星工作于可能影響成敗的空間環境“邊界”線上。

此外，“星鏈”事件是受低軌大氣嚴重影響而導致失敗的一個典型事例，太空中還存在其他幾類能夠對航天活動產生影響的環境要素，包括等離子體環境、高能粒子環境等。例如，原子氧對衛星表面有剝蝕效應；電離層擾動影響星間和星地通信，會對衛星導航、雷達成像、短波通信等涉及電波傳播和電磁環境的技術手段產生嚴重影響；輻射環境會引起表面充電、深層充電、單粒子效應和位移損傷等效應，影響衛星的正常運行和壽命，在衛星經過南大西洋異常區時，輻射效應顯著增強。在航天活動中，也需要對這些環境效應進行針對性的應對。

隨著第25 周太陽活動周發展，以及更多的新技術部署在更廣闊的太空范圍，未來幾年空間環境擾動對航天活動的影響將逐步增強，需要不斷提升空間環境的認知，構建有效的應對策略，保障航天活動的順利實施。