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太空百慕大?日本“瞳”卫星诡异解体事件:直接控制失灵碎裂解体

 星辰大海种花家 2022-02-04

“Hitomi”(瞳)卫星正在太空对幽暗的宇宙展开观测,它当前观测的目标是一片宇宙遥远深处的一个非常暗淡的星系,在可见光波段看来这里平淡无奇,但在“瞳”卫星的X射线波段中,这个目标天体有着完全不同的深邃结构。

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此时它正经过南美洲上空,即将进入南大西洋,但一个意外发生了,卫星姿态控制突然启动,随后推进发动机启动,2.7吨重的卫星开始以一种奇怪的姿态开始旋转起来,对准地面的控制天线开始随机指向,观测目标也已经丢失。

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卫星的控制系统已经检测到姿态失控,发出了数千条指令试图扭转局势,但毫无作用,卫星的滚转速度越来越快,很快薄弱的太阳能电池开始断裂,飞离卫星,接下来就是天线,还有展开后长达14米的星体也开始分崩离析。

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与此同时,日本宇宙航空研究开发机构与“瞳”卫星的通信在UTC时间2016年3月26日07:40中断,美国联合太空作战中心(JSPOC)在UTC时间3月26日上午08:20观测到该卫星分裂成了5块,但却没有监测到任何太空垃圾与“瞳”卫星轨道交叉。

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“瞳”卫星为何碎裂?究竟是什么原因?

“瞳”卫星是本天文界曾寄予厚望的一颗X射线波段的天文观测卫星,它的目标是探索宇宙的大尺度结构和演化,以及星系团内暗物质的分布以及星系团如何随时间演化等,于2016年2月17日在种子岛航天中心发射升空。

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短短一个月,刚刚调试完成进入观测就姿态失控并解体,给JAXA的打击无疑是巨大的,在排除了碎片撞击的可能性后,JAXA开始将目光集中到卫星自身,开始日本专家认为可能是高压氦气泄漏,电池爆炸或者或者推进器被意外启动。

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但在工程师分析了所有数据后都发现与氦气罐和电池无关,最终日本专家发现惯性参考单元(IRU)在UTC时间3月25日19:10分意外以21.7°/小时旋转,此时由于动量轮修正,卫星仍然是正常的。

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但IRU继续报告雷击错误,导致动量轮姿态控制加大控制,使卫星进入了保护状态,姿态控制最后尝试以推进器来稳定卫星,但由于太阳传感器无法锁定位置,启动的推进器反而让卫星进入快速旋转状态,最终这个状态直至卫星解体。

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究竟是什么原因?

日本专家继续调查确认,导致一系列错误的原因来自姿态控制部分电路故障,而其早在3月25日前就已经有多次意外重启,只是冗余控制模块仍然能保证姿态控制单元正常工作而已,而在3月25日则是最后的正常控制单元故障了。

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尽管没有100%的证据表明导致这个故障的原因,但日本专家认为,这是被太阳辐射中的强质子流把控制单元中的CPU给击穿了,因为“瞳”卫星经过了南大西洋上空一个叫做“太空百慕大三角区”,本以为加固后的电路可以保证安然无恙,但显然这里的辐射远远超出了卫星所能承受的极限。

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太空百慕大,究竟是什么地方?

国际空间站和中国的天宫空间站的轨道高度为什么在400千米左右?很多朋友一定知道,这不是很简单么,要是轨道高度太高的话,补给成本太高了,每次都送那么大老远,运营空间站得亏血本。

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这个答案无疑是正确的,但只对了一半,因为空间站轨道高度除了成本考虑外还有一个辐射的考虑,不知道各位是否有发现从近地轨道一直往外,在2000千米~5000千米的轨道上,卫星数量很少,因为这里有一个范艾伦辐射带!

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太阳风与高能带电粒子

太阳风估计大家都听说了,其实所谓的太阳风就是太阳活动向太空辐射的大量高能带电粒子,比如电子和质子,它们高速运动脱离了太阳的引力,这些带电粒子在太阳系内横冲直撞,有部分就会闯入地球范围。

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这些高能带电粒子能级很强,特别是对IC中使用低电压微电流工作的CPU等产生的威胁极大,轻则导致错误电平信号造成误动作,重则击穿IC导致电路报废,因此在太空工作的卫星CPU和电路都是“加固”过的,不求性能第一,但求稳定、抗造。

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不过好在地球有一个巨大的磁场保护,所以这些高能带电粒子大部分都会通过地球的磁力线导向两极,因此在中低纬度工作的卫星在地球的磁场保护下非常安全,不过也有例外的时候,比如太阳活动强烈时,就像太阳耀斑爆发时,大量带电粒子冲击地球磁场与高层大气,导致磁场变形,突入到中低高度,从而对卫星“气动”(高层大气分子)产生影响掉高度。

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另一个则是其能量更强大的带电粒子将直接对卫星产生影响,除了“掉高度”外,将可能直接摧毁卫星,轻则卫星控制故障,星载操作系统重启,重则就像日本的“瞳”卫星控制失效,甚至解体。

范艾伦辐射带:高能带电粒子区域

1958年1月31日,美国第一颗卫星探险者一号的轨道在跨越800千米高度时(近地点358千米,远地点2550千米)其星载盖革计数器读数突然下降至0,1958年3月26日的探险者3号时候又发生了同样的情况。

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美国物理学家詹姆斯·范·艾伦认为并非是800千米高度没有辐射了,而是盖革计数器过载了,范艾伦认为地球磁场俘获的太阳风粒子,这些带电粒子在带的两转折点间来回运动。由于范艾伦发现了这个辐射带,因此以他的名字命名为了范艾伦辐射带。

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辐射带分为内外两个,内带在1000公里以上,范围在1000~12000千米之间,分布的主要以高能质子为主,外带则在1.3万千米到6万千米左右,以高能电子为主。

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很显然高能质子影响更大,因此大部分航天器都是避开范艾伦辐射带的粒子最密集的区域,大约在2500~5000千米的区域,但在地球上有一个区域是例外的,这就是南大西洋地磁异常区,这里的范艾伦辐射带能低至200千米。

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2020年地球磁场强度

1958年柯策(Pieter Kotze)发现这个异常区域,它的存在已经很久了,从1590年以来都非常平稳,但在1750年后逐年下降,但变化并不是很大。不过德国地球科学研究中心的尤尔根·马茨卡称在过去的十年中,南大西洋异常东部出现了新的磁场极小值,每年以20千米速度急速扩张,并且还有加速趋势,也就是说已经出现分裂。

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这个磁异常区域的扩大给航天器造成了不小的麻烦,由于其区域很大,纬度比较低,除了极小倾角轨道卫星外,大部分航天器都会经过该区域,比如哈勃望远镜的轨道为540千米,倾角28.47°,轨道周期为95.42分钟,每天至少一次通过该区域,经过SAA区域(南大西洋磁异常区域)哈勃观测设备关闭。

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国际空间站的轨道倾角为51.6°,中国空间站的轨道倾角41.58度,对通过南大西洋磁异常区域必须做防辐射加固。否则就会让在轨航天器出现像“瞳”卫星那样的故障,除了日本的X射线观测“瞳”卫星外,美国2007年Globalstar卫星失效也被认为是SAA的原因,另外在2012年10 月,对接于国际空间站的SpaceX CRS-1龙飞船在通过SAA区域时也遇到了短暂的异常。

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正常情况下SAA都足以让航天器发生故障,真可以称得上“太空百慕大”,假如在太阳活动高峰期,又叠加航天器经过该区域,想想也是后怕,希望正在太空工作的航天员们都平安无事。

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