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太空百慕大?日本「瞳」衛星詭異解體事件:直接控制失靈碎裂解體
2022/02/20
2022/02/20

「Hitomi」(瞳)衛星正在太空對幽暗的宇宙展開觀測,它當前觀測的目標是一片宇宙遙遠深處的一個非常暗淡的星系,在可見光波段看來這裡平淡無奇,但在「瞳」衛星的X射線波段中,這個目標天體有著完全不同的深邃結構。

此時它正經過南美洲上空,即將進入南大西洋,但一個意外發生了,衛星姿態控制突然啟動,隨後推進發動機啟動,2.7噸重的衛星開始以一種奇怪的姿態開始旋轉起來,對準地面的控制天線開始隨機指向,觀測目標也已經丟失。

衛星的控制系統已經檢測到姿態失控,發出了數千條指令試圖扭轉局勢,但毫無作用,衛星的滾轉速度越來越快,很快薄弱的太陽能電池開始斷裂,飛離衛星,接下來就是天線,還有展開後長達14米的星體也開始分崩離析。

與此同時,日本宇宙航空研究開發機構與「瞳」衛星的通信在UTC時間2016年3月26日07:40中斷,美國聯合太空作戰中心(JSPOC)在UTC時間3月26日上午08:20觀測到該衛星分裂成了5塊,但卻沒有監測到任何太空垃圾與「瞳」衛星軌道交叉。

「瞳」衛星為何碎裂?究竟是什麼原因?

「瞳」衛星是本天文界曾寄予厚望的一顆X射線波段的天文觀測衛星,它的目標是探索宇宙的[[大尺度]]結構和演化,以及星系團內暗物質的分佈以及星系團如何隨時間演化等,于2016年2月17日在種子島航太中心發射升空。

短短一個月,剛剛調試完成進入觀測就姿態失控並解體,給JAXA的打擊無疑是巨大的,在排除了碎片撞擊的可能性後,JAXA開始將目光集中到衛星自身,開始日本專家認為可能是高壓氦氣洩漏,電池爆炸或者或者推進器被意外啟動。

但在工程師分析了所有資料後都發現與氦氣罐和電池無關,最終日本專家發現慣性參考單元(IRU)在UTC時間3月25日19:10分意外以21.7°/小時旋轉,此時由于動量輪修正,衛星仍然是正常的。

但IRU繼續報告雷擊錯誤,導致動量輪姿態控制加大控制,使衛星進入了保護狀態,姿態控制最後嘗試以推進器來穩定衛星,但由于太陽感測器無法鎖定位置,啟動的推進器反而讓衛星進入快速旋轉狀態,最終這個狀態直至衛星解體。

究竟是什麼原因?

日本專家繼續調查確認,導致一系列錯誤的原因來自姿態控制部分電路故障,而其早在3月25日前就已經有多次意外重啟,只是冗餘控制模組仍然能保證姿態控制單元正常工作而已,而在3月25日則是最後的正常控制單元故障了。

儘管沒有100%的證據表明導致這個故障的原因,但日本專家認為,這是被太陽輻射中的強質子流把控制單元中的CPU給擊穿了,因為「瞳」衛星經過了南大西洋上空一個叫做「太空百慕大三角區」,本以為加固後的電路可以保證安然無恙,但顯然這裡的輻射遠遠超出了衛星所能承受的極限。

太空百慕大,究竟是什麼地方?

國際空間站和中國的天宮空間站的軌道高度為什麼在400千米左右?很多朋友一定知道,這不是很簡單麼,要是軌道高度太高的話,補給成本太高了,每次都送那麼大老遠,運營空間站得虧血本。

這個答案無疑是正確的,但只對了一半,因為空間站軌道高度除了成本考慮外還有一個輻射的考慮,不知道各位是否有發現從近地軌道一直往外,在2000千米~5000千米的軌道上,衛星數量很少,因為這裡有一個范艾倫輻射帶!

太陽風與高能帶電粒子

太陽風估計大家都聽說了,其實所謂的太陽風就是太陽活動向太空輻射的大量高能帶電粒子,比如電子和質子,它們高速運動脫離了太陽的引力,這些帶電粒子在太陽系內橫衝直撞,有部分就會闖入地球范圍。

這些高能帶電粒子能級很強,特別是對IC中使用低電壓微電流工作的CPU等產生的威脅極大,輕則導致錯誤電平信號造成誤動作,重則擊穿IC導致電路報廢,因此在太空工作的衛星CPU和電路都是「加固」過的,不求性能第一,但求穩定、抗造。

不過好在地球有一個巨大的磁場保護,所以這些高能帶電粒子大部分都會通過地球的磁力線導向兩極,因此在中低緯度工作的衛星在地球的磁場保護下非常安全,不過也有例外的時候,比如太陽活動強烈時,就像太陽耀斑爆發時,大量帶電粒子衝擊地球磁場與高層大氣,導致磁場變形,突入到中低高度,從而對衛星「氣動」(高層大氣分子)產生影響掉高度。

另一個則是其能量更強大的帶電粒子將直接對衛星產生影響,除了「掉高度」外,將可能直接摧毀衛星,輕則衛星控制故障,星載作業系統重啟,重則就像日本的「瞳」衛星控制失效,甚至解體。

范艾倫輻射帶:高能帶電粒子區域

1958年1月31日,美國第一顆衛星探險者一號的軌道在跨越800千米高度時(近地點358千米,遠地點2550千米)其星載蓋革計數器讀數突然下降至0,1958年3月26日的探險者3號時候又發生了同樣的情況。

美國物理學家詹姆斯·范·艾倫認為並非是800千米高度沒有輻射了,而是蓋革計數器超載了,范艾倫認為地球磁場俘獲的太陽風粒子,這些帶電粒子在帶的兩轉捩點間來回運動。由于范艾倫發現了這個輻射帶,因此以他的名字命名為了范艾倫輻射帶。

輻射帶分為內外兩個,內帶在1000公里以上,范圍在1000~12000千米之間,分佈的主要以高能質子為主,外帶則在1.3萬千米到6萬千米左右,以高能電子為主。

很顯然高能質子影響更大,因此大部分航天器都是避開范艾倫輻射帶的粒子最密集的區域,大約在2500~5000千米的區域,但在地球上有一個區域是例外的,這就是南大西洋地磁異常區,這裡的范艾倫輻射帶能低至200千米。

2020年地球磁場強度

1958年柯策(Pieter Kotze)發現這個異常區域,它的存在已經很久了,從1590年以來都非常平穩,但在1750年後逐年下降,但變化並不是很大。不過德國地球科學研究中心的尤爾根·馬茨卡稱在過去的十年中,南大西洋異常東部出現了新的磁場極小值,每年以20千米速度急速擴張,並且還有加速趨勢,也就是說已經出現分裂。

這個磁異常區域的擴大給航天器造成了不小的麻煩,由于其區域很大,緯度比較低,除了極小傾角軌道衛星外,大部分航天器都會經過該區域,比如哈勃望遠鏡的軌道為540千米,傾角28.47°,軌道週期為95.42分鐘,每天至少一次通過該區域,經過SAA區域(南大西洋磁異常區域)哈勃觀測設備關閉。

國際空間站的軌道傾角為51.6°,中國空間站的軌道傾角41.58度,對通過南大西洋磁異常區域必須做防輻射加固。否則就會讓在軌航天器出現像「瞳」衛星那樣的故障,除了日本的X射線觀測「瞳」衛星外,美國2007年Globalstar衛星失效也被認為是SAA的原因,另外在2012年10 月,對接于國際空間站的SpaceX CRS-1龍飛船在通過SAA區域時也遇到了短暫的異常。

正常情況下SAA都足以讓航天器發生故障,真可以稱得上「太空百慕大」,假如在太陽活動高峰期,又疊加航天器經過該區域,想想也是後怕,希望正在太空工作的太空人們都平安無事。


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