基本介紹
- 中文名：空間環境探測衛星
- 外文名：Space Environment Detection Satellite
發展背景,分類,工作內容,我國發展情況,發展趨勢,
發展背景
空間環境是指日地空間對人類活動構成影響的所有環境因素，包括各種成分的帶電粒子、中性粒子、各個波段的電磁輻射、電磁場、微流星體和空間碎片等。空間環境是衛星、飛船和空間站等太空飛行器的運行環境，也是導航、定位、通信等衛星業務的路徑環境。它所涵蓋的區域包括地球高層大氣、電離層、磁層、行星際空間以及太陽活動區域。空間環境中的各種效應對在軌太空飛行器的安全運行以及航天員的身體健康構成了嚴重的威脅，同時對依賴於天基手段的人類活動造成了不同程度的影響。
探測空間環境，了解空間環境不僅是航天活動的重要科學目的，也是太空飛行器安全保障的需要。由於變化的空間環境可能對航天活動和技術系統造成重大影響，因此，有必要全面開展空間環境探測與研究，了解和掌握空間環境的一般狀況和變化情況，保障以太空飛行器為依託的經濟活動及科技活動的安全。空間環境探測不僅是人類對自身生存空間認知的需要，也是人類進入空間確保空間系統安全的需要。
空間環境包括真空、低溫、微重力、地磁場、太陽電磁輻射、高能帶電粒子、電漿、 原子氧、微流星/空間碎片等多種因素。這些因素以不同的方式對太空飛行器造成損害。隨著太空飛行器技術的發展，性能的提高，使用的電子器件、探測器和感測器更加先進，空間環境對衛星系統及載荷的影響更加嚴重。在過去的幾十年里，由空間輻射環境（包括高溫電漿和高能帶電粒子，不包括電磁輻射）引起的總劑量效應（Total Ionizing Dose, TID）、充放電效應（Electrostatic Discharge, ESD）和單粒子效應（Single Event Effecte, SEE)引發了幾千次的太空飛行器異常事件。
空間環境是影響太空飛行器在軌運行時安全可靠性的重要因素，四十年的航天歷史上已經發生過許多次因空間環境的作用而使太空飛行器不能正常工作甚至完全損壞的事例。因此，在 國外已經對空間環境及其對太空飛行器影響進行過大量的探測。
分類
空間環境探測衛星種類繁多，從探測對象和工作原理可分為帶電粒子探測衛星、電漿探測衛星、中性大氣探測衛星、電磁輻射探測衛星、電磁場及其波動探測衛星以及空間環境效應探測衛星等。根據探測區域不同可分為太陽大氣活動探測衛星、行星際探測衛星、磁層探測衛星、電離層探測衛星、中高層大氣探測衛星、空間碎片監測衛星和空間環境效應探測衛星等。
行星際探測衛星主要針對太陽風、行星際磁場、太陽能量粒子事件、日冕物質拋射事件等進行探測。探測儀器具體包括太陽風電漿探測儀、磁通門磁強計、太陽宇宙射線探測器、太陽能量粒子探測器、日冕物質拋射白光成像儀等。
磁層探測衛星主要針對磁層中帶電粒子和場進行探測。其中，帶電粒子探測儀器具體包括高能質子探測器、高能電子探測器、宇宙射線成份探測器、中能/低能離子成份探測器、低能電子探測器、電漿探測器等；磁場、電場和低頻電磁波動類探測儀器具體包括磁通門磁強計、空間電場儀、電子漂移計、低頻電磁波探測器等。此外，中性原子成像儀、極紫外成像儀等儀器用於對地球環電流和電漿層進行成像探測。電離層探測設備主要針對電離層中的電漿密度、溫度、漂移速度、總電子濃度和電子濃度剖面等進行探測。探測儀器具體包括電子/離子探針、質譜探針、光譜儀、磁力儀等。
中高層大氣探測衛星主要針對中高層大氣密度、成份、風場和發光現象進行探測。探測儀器具體包括大氣密度探測器、大氣成份探測器、氣輝探測器、紫外輻射探測器、法布羅意干涉儀等，而遠紫外成像儀、X射線成像儀等用於極光卵的成像監測。
空間碎片探測衛星主要針對太空中的微小碎片和微流星體等進行探測。探測儀器具體包括半導體探測器、壓電薄膜探測器、電漿探測器等。
空間環境效應探測衛星主要針對輻射劑量效應、單粒子效應、充電效應、原子氧剝蝕效應等一系列環境效應進行監測和試驗。探測儀器具體包括各種輻射劑量儀、線性能量傳輸譜探測器、單粒子事件試驗儀、太空飛行器表面電位探測器、深層充電探測器、艙內電磁脈衝探測器、原子氧剝蝕探測器、污染氣體探測器等。
工作內容
空間環境探測衛星的主要工作內容包括：空間環境擾動源的監測、空間環境狀態及其變化監測、空間環境對人類活動的影響監測3個方面。
（1）空間環境擾動源的監測
空間環境擾動的主要源頭是太陽大氣活動。太陽日冕物質拋射、高速太陽風、凍結在太陽風中的行星際磁場、行星際激波等是誘發地球磁層暴，進而產生熱層暴的主要原因，而太陽耀斑等高能爆發活動，是地球電離層暴、太陽高能粒子等事件的源頭。因此太陽耀斑、日冕物質拋射、太陽風、行星際磁場等是空間環境擾動源必須監測的內容。為了將擾動預報的時間提前，也需要對太陽大氣活動的先兆現象進行監測，如太陽活動區、冕洞等的位置、結構和演化等。
上述太陽大氣活動的可見光、射電波段監測主要在地面進行。天基遙感監測主要集中在遠紫外、極紫外、X射線波段，為避免地球大氣雜散光影響，也安排天基太陽日冕的可見光監測。現場監測主要針對太陽拋射的各種帶電粒子、太陽風電漿，以及行星際磁場等的監測。
（2）空間環境狀態及其變化監測
空間環境這裡主要指人類活動最多的空間區域環境，它包括磁層、電離層和中高層大氣。而深空環境的保障在我國目前還難以考慮，本文不做討論。地球空問環境從監測對象分，包括：帶電粒子、電漿、中性粒子和電磁場。適宜以現場監測為主，遙感監測為輔。帶電粒子主要監測磁層和輻射帶的捕獲粒子，也監測來自太陽和宇宙的粒子。種類包括電子、質子和重離子成分，能量從eV到GeV，要求多方向監測。電漿監測主要包括電子和離子的密度和溫度等。中性粒子主要進行中高層大氣的中性粒子密度、成分和風場的監測。電磁場的監測以磁場、電場監測為主，電磁波監測為輔。
遙感和路徑監測主要是對中高層大氣、電離層進行監測。包括大氣溫度、密度、成分、風場、氣輝、高層閃電、電子密度總量、電子密度剖面等。
（3）空間環境對人類活動影響的監測
空間環境對人類活動的影響範圍較廣。目前我國比較關注的是影響太空飛行器和航天員安全的環境效應、影響通信導航定位等的電離層效應等。
以太空飛行器、航天員安全為核心的空間環境效應主要包括輻射劑量效應、太空飛行器表面及深層充放電效應、各種原因誘發的艙內瞬態電磁脈衝干擾效應、器件的單粒子效應、空間原子氧的剝蝕效應、太空飛行器氣體污染效應、空間碎片的碰撞效應和沙蝕效應等。
以影響通信、導航定位等的電離層效應，包括電離層的閃爍、法拉第旋轉、信號相位和幅度漂移、信號失鎖。
以保障服務為目的的天基空間環境監測，不同於以科學研究為目的的空間物理探測，最主要區別是空間環境監測需要連續性和長期穩定性。地面氣象的連續穩定監測已得到廣泛認可，天基空間環境監測也需要保持連續性和長期穩定性。
我國發展情況
（1）科學衛星的空間環境探測
我國的空間環境探測最早是從科學試驗衛星開始的，在進入新千年以前，科學試驗衛星一直是我國開展空間環境探測的主要手段。
1971年3月3日我國成功發射了 “實踐一號”衛星，這娃在我國發射第一顆人造衛星."東方紅一號”後不到一年的時間內發射的第二顆衛星。除工程試驗外，首次開展了高能帶電粒子、 太陽X射線和磁場探測研究。宇宙線計採用蓋革計數管對大於16.4MeV的質子和大於0.88MeV的電子進行了探測。太陽 X射線計採用氣體積分電離室對1〜8A的太陽X射線積分流量進行了監測。探測器工作正常，但由於能源限制，工作的時間不長，獲得了我國上空的環境數據。
1981年9月20日“實踐二號”科學試驗衛星上天，該星是一顆綜合性的空間科學探測衛星，用於探測高能帶電粒子環境、太陽高能電磁輻射、地球-大氣輻射和大氣密度等。其有效載荷為半導體電子單向強度探測器、質子單向強度探測器、閃爍計數器、太陽紫外輻射計、太陽X射線探測器、長波紅外輻射計、短波紅外輻射計、地氣紫外背景輻射探測器、熱屯離計。衛星入軌後，各探測器運行止常，獲得了一些數據，可惜衛星壽命較短。
1990年9月3日升空的“大氣一號”是利用高層大氣對衛星軌道的影響從而研究大氣密度及其擾動的科學試驗衛星。它由兩顆直徑和重量均不相同的氣球衛星組成，分別於1991年3月14 日和7月23日隕落，推得了500〜900km的大氣密度。試驗獲得圓滿成功。
1994年2月8日以探測研究空間環境及其效應為主要目的的科學探測衛星“實踐四號”發射成功，進入近地點200km,遠地點36000km,傾角28.5°的大橢圓軌道。有效載荷為高能質子重離子探測器、高能電子探測器、靜電分析器、表面電位探測器、靜態單粒子事件探測器和動態單粒子事件探測器。衛星在軌運行整半年，各探測器工作正常，獲得了一批有價值的成果。如完整的地球內外輻射帶結構、磁暴時輻射帶結構變化、單粒子翻轉幾率及分布、EPROM擦除、單粒子鎖定、監測到衛星表面大於-2000V以上的電位等等。探測結果對開展空間環境及其效應研究、 進行航大器工程設計等均有重要意義。
1999年5月10日“實踐五號”衛星與“風雲一號C”星一箭雙星進入870km高的太陽同步軌道。“實踐五號”主要進行單粒子效應的防護對策研究。與主任務有關的有效載荷為單粒子事件檢測器、單粒子事件禁止效應試驗儀、單粒子事件翻轉試驗儀、單粒子事件綜合試驗儀、單粒子鎖定試驗儀、高能質子重離子探測器、高能電子探測器和輻射劑量儀。前五台儀器用於探測研究太陽同步軌道的單粒子翻轉幾率、空間分布、不同材料的禁止效果、各種CPU、存儲器及其它器件的抗單粒子性能、軟硬體糾錯、各種軟硬體防護、單粒子鎖定及自解鎖等。後3台儀器用於探測研究太陽同步軌道高能帶電粒子分布、擾動規律及不同禁止下的空間輻射劑量，各儀器入軌後一直工常。衛星設計壽命3個月，實際科學數據最後一次下行是在 2000年2月4日，探測成果較為豐富。
（2）套用衛星的空間環境探測
在套用衛星上搭載空間環境探測儀器可拓展探測空間、延長探測時間、節約探測經費，是開展空間環境探測的重要途徑。隨著太空飛行器在軌壽命的延長，在軌飛行安全保障問題日益突出，設罝空間環境監測分系統己逐漸成為一些衛星用戶和衛星總體的共識。
1984年4月和1986年2月，我國先後發射了兩顆地球同步軌道通信衛星“方紅一號”，搭載有太陽軟X射線探測器、高能質子探測器、高能電子探測器和靜電電位差計，衛星雖然運行時 間較長,但每天僅有30〜60分鐘的遙測數據，未能獲得完整的空間環境資料。
1988年9月和1990年9月“風雲一號A”和“風雲一號B”太陽同步軌道氣象衛星分別發射成功，衛星搭載有宇宙線成分監測器，對輻射帶中重離子及宇宙線異常成分等進行了監測。儀器工作正常，遺憾的是，A星工作時間較短，B星也只有近半年時間，但也發現宇宙線異常成分中含Fe等一批重要結果。
1997年6片10日“風雲一號”地球同步軌道氣象衛星發射，6月17日成功定點。該星設定有太陽X射線探測器和空間粒子探測器，兩台儀器組成太陽質子事件警報與監測系統.1997年11月初成功地預報和監測到了兩起太陽質子事件。獲得了豐富的地球同步軌道高能帶電粒子數據。儀器工作正常，因其它原因1998年4月8日後下行數據逐漸殘缺。
1999年5月10日“風雲一號C”氣象衛星入軌，該星設定空間粒子成分監測器，該儀器對高能電子、質子能譜和各種重離子成分進行了監測。由於境外存儲能力的增強，基本實現了全軌道的探測。首次給出了整個軌道面各種帶電粒子的分布圖像，獲得了一批重要成果。截至到2000 年8月20日，衛星與探測器一直工作正常，預期壽命可望超過2年。
1999年10月14日中巴合作的“資源一號”極軌衛星發射成功。該星設定有極光粒子探測器、 粒子輻射探測器和CMOS輻射效應測量儀。分別對低能帶電粒子、高能帶電粒子和CMOS器件的輻射劑量效應進行探測。截至到2000年8月底，衛星和探測器工作正常。
2000年6月25日“風雲二號B”星升空，7月3日定點。其太陽X射線探測器和空間粒子探測器工作正常，並成功警報和監測了7月中旬罕見的特大太陽質子事件，新華社、新聞聯播、 人民日報等各大媒體均給予報導。
搭載於返回式衛星的空間環境探測主要有兩類，一是艙內高能帶電粒子探測，一是用於航天醫學的個人輻射劑量探測。
1976年和1978年，曾在返回式衛星上，用乳膠測量艙內的質子、電子和重核離子。
1987年、1988年、1990年、1996年曾在返回式衛星上，用固體徑跡探測器進行了重核離子的探測。
1989年、1994年和1996年利用LiF熱釋光劑量儀、GM計數管型劑量儀等在返回式衛星上進行了輻射劑量的測量。
發展趨勢
空間環境探測衛星隨著需要探測區域的不斷擴大，已從初期的單顆衛星孤立探測發展到多顆衛星聯網探測，能同時對多個不同區域進行測量，衛星上往往裝有幾種探測儀器，探測項目包括中性粒子、髙能帶電粒子、磁場、微流星體、電離層和電漿等。這種衛星的一個重要特點是軌道傾角和軌道高度都在較大範圍內變化，以便獲得儘可能大的探測範圍，如軌道傾角可能從幾度到90°，軌道高度可能從幾百公里到十幾萬公里。
（1）帶電粒子探測
帶電粒子輔射環境是太空飛行器設計、航天員安金最為關心的環境。軌道空間的帶電粒子具有區域、方向和能譜分布的特點，並隨空間環境擾動變化劇烈。空間粒子輻射的影響與飛行器的構形結構、姿態、器件材料的質量等級、可靠性設計等密切相關。
（2）軌道大氣探測
高層大氣在太陽耀斑、地磁暴期間，被高能輻射和帶電粒子加熱，大氣密度會有幾倍至幾十倍的增加，使太空飛行器軌道下降很快。高層大氣的主要成分為原子氧，其強烈的活躍性能，對太空飛行器表面材料、光學鏡頭、太陽電池均具有一定的剝蝕和污染效應。高層大氣探測對太空飛行器的軌道和姿態控制具有意耍的意義，同時對光學儀器和太陽電池的效率下降分析有一定的參考價值。
（3）電漿探測
監測軌道空間的電漿中的電子、離子密度和翻度的空間分布和時間分布。研究電離層電漿對太陽活動、磁暴、亞暴等空間天氣現象的回響特性。電離層中的電子密度和溫度是重要的電離層參數，它可導致電磁信號的吸收、閃爍、延遲和法拉第旋轉等。
（4）空間碎片探測
以微小空間碎片和微流星體探測為主，實測軌道空間的微小顆粒的數量和撞擊強度。特別監測可能的“陣雨”型空間碎片和微流星體，評估空間碎片撞擊風險，確認微小空間碎片的密度分布。
