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訪問次數(shù)：97更新時(shí)間：2023-04-11 13:28:52
物理原理——衛(wèi)星能飛多久？
衛(wèi)星在軌壽命顧名思義，衛(wèi)星在軌壽命是指衛(wèi)星在軌道上存留的時(shí)間，是從衛(wèi)星進(jìn)入軌道到隕落為止的時(shí)間間隔。衛(wèi)星在軌壽命的影響因素有很多，*主要的因素就是地球大氣的阻礙作用，衛(wèi)星與大氣之間的摩擦使衛(wèi)星動(dòng)能逐漸損失，導(dǎo)致軌道不斷衰減進(jìn)而隕落。此外，衛(wèi)星面質(zhì)比、運(yùn)行姿態(tài)、空間環(huán)境等因素也會對衛(wèi)星在軌壽命產(chǎn)生影響。
地球大氣對衛(wèi)星在軌壽命的影響
我們知道，地球周圍是厚厚的大氣層，它從地球表面往外延伸至約1000km的高度，像襁褓一樣給了地球上的生命嬰兒般的保護(hù)。
它是地球的保溫層，使地表溫度維持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)；它吸收了大部分紫外線輻射，因此地球上的生命免于滅絕的危險(xiǎn)；外太空不時(shí)有隕石墜向地球，也正是因?yàn)橛写髿鈱拥谋Ｗo(hù)才得以化解了大部分的災(zāi)難。
但是，大氣層的作用并非盡如人意。對于隕石而言，大氣層產(chǎn)生的摩擦阻力可以使其迅速墜毀，但對于人造地球衛(wèi)星而言，這個(gè)阻力卻是衛(wèi)星在軌壽命的隱形殺手。
圖1 美國亞利桑那州的巴林杰隕石坑，直徑約1200m，寬約170m，形成于約5萬年前
圖2 衛(wèi)星在大氣阻力的作用下，軌道高度像下降的螺旋線一樣逐漸衰減
衛(wèi)星的運(yùn)行高度范圍比較廣，按照1960年第53屆巴塞羅那國際航空聯(lián)合大會的規(guī)定，地球表面100km以上的空間為航天空間，衛(wèi)星可在該高度以上飛行，但是衛(wèi)星運(yùn)行高度往往都高于100km，比如我們常見的近地衛(wèi)星，其軌道高度一般在400km左右。
為什么衛(wèi)星運(yùn)行高度不能太低呢？主要是考慮到大氣密度的因素。大氣層90%的質(zhì)量集中在30km以下，在30km以上，大氣密度隨著高度的增加急劇下降，在100km高度上，大氣密度約為海平面的一百萬分之一，在120km高度上約為幾千萬分之一，在200km高度上約為五億分之一，可見，隨著高度的增加，大氣密度呈指數(shù)式衰減。衛(wèi)星運(yùn)行高度越低，大氣密度就越稠密，衛(wèi)星在軌壽命也就越短。
軌道高度*低的衛(wèi)星莫過于衛(wèi)星，它們有的甚至能達(dá)到120km左右的高度，但這些帶著特殊任務(wù)的衛(wèi)星其壽命往往都很短，它們要么很快隕落，要么就攜帶大量燃料進(jìn)行一次次的變軌制動(dòng)，維持在軌狀態(tài)。比如1959年2月美國發(fā)射的人類歷**顆衛(wèi)星“發(fā)現(xiàn)者1號"，其近地點(diǎn)高度約114km，在軌壽命僅有3天。
圖3 大氣密度分布曲線
空間環(huán)境擾動(dòng)對衛(wèi)星在軌壽命的影響
空間環(huán)境擾動(dòng)可以引起大氣密度的劇烈變化，在各種航天活動(dòng)中，我們常常采用大氣模型來描述空間環(huán)境擾動(dòng)對大氣密度的影響。這些大氣模型往往包含兩個(gè)*重要的輸入?yún)?shù)，一是F10.7指數(shù)，用來描述太陽輻射的影響，二是Ap指數(shù)，用來描述地磁場的影響。
F10.7主要描述太陽極紫外輻射的大小。高層大氣吸收太陽極紫外輻射，吸收能量的20%~30%用來加熱高層大氣，因此當(dāng)F10.7升高時(shí)，大氣溫度升高，大氣密度增加；Ap指數(shù)主要描述地磁場的變化。當(dāng)?shù)卮牌届o時(shí)，太陽風(fēng)攜帶的能量僅為太陽極紫外輻射的十分之一，但在地磁暴時(shí)，太陽風(fēng)帶來的能量是極紫外輻射能量的十倍或者更多，此時(shí)受高緯焦耳加熱和高能粒子沉降等的影響，大氣密度會在短時(shí)間內(nèi)快速上升，衛(wèi)星受到的大氣阻力也會突然增加，從而加快衛(wèi)星軌道的衰減。
比如，美國“哥倫比亞"號航天飛機(jī)在1981年4月12日飛行時(shí)，遇到一次劇烈的空間環(huán)境擾動(dòng)事件，陡增的大氣密度導(dǎo)致該航天飛機(jī)下降到較低軌道的時(shí)間比預(yù)期快了60%。
再比如1989年3月份的“卡林頓事件"中，空間環(huán)境的劇烈擾動(dòng)引起大氣密度急劇增加，使840km高度的大氣密度增加了9倍。大氣密度的劇增引起了美國的太陽峰年衛(wèi)星（SMM）在整個(gè)事件期間的運(yùn)行高度下降了5km，從而提前隕落。
圖4 卡林頓事件期間，空間環(huán)境出現(xiàn)劇烈擾動(dòng)，大氣密度急劇增加
衛(wèi)星在軌壽命的其他影響因素
除了大氣密度之外，衛(wèi)星自身的物理參數(shù)也會對在軌壽命產(chǎn)生很大的影響，其中非常重要的一個(gè)參數(shù)就是衛(wèi)星的面質(zhì)比，它是衛(wèi)星質(zhì)量與橫截面積的比值。衛(wèi)星質(zhì)量越大，表示衛(wèi)星的慣性越大，橫截面積越小，表示衛(wèi)星受到的大氣阻力越小，因此面質(zhì)比越小表示衛(wèi)星的在軌壽命越長，反之越短。
衛(wèi)星質(zhì)量一般容易確定，但是橫截面積的計(jì)算卻沒那么簡單。橫截面積與衛(wèi)星形狀和運(yùn)行姿態(tài)有關(guān)，通常情況下，衛(wèi)星形狀比較復(fù)雜，運(yùn)行姿態(tài)經(jīng)常發(fā)生變化，即使姿態(tài)穩(wěn)定的衛(wèi)星，其有效橫截面積也會隨時(shí)間變化，因此衛(wèi)星的面質(zhì)比大多時(shí)刻發(fā)生著變化。
圖5 姿態(tài)穩(wěn)定的CHAMP衛(wèi)星，其橫截面積變化曲線
如何預(yù)測衛(wèi)星在軌壽命
綜上所述，影響衛(wèi)星在軌壽命的主要因素是大氣密度，而大氣密度與衛(wèi)星高度和空間環(huán)境狀況有著密切的聯(lián)系，此外，衛(wèi)星面質(zhì)比和運(yùn)行姿態(tài)也是非常重要的因素。若能正確的考慮這幾個(gè)因素的影響，則可以大致估計(jì)出衛(wèi)星的在軌壽命。
圖6：不同發(fā)射年份下，面質(zhì)比為0.01的衛(wèi)星其軌道衰減時(shí)間曲線
圖6是利用國際上**的STK軟件模擬的400km高度處不同發(fā)射年份下、面質(zhì)比為0.01的球形衛(wèi)星其軌道衰減的時(shí)間曲線。橫軸表示發(fā)射時(shí)間，代表了不同的空間環(huán)境狀況，縱軸表示衛(wèi)星由400km降至250Km所需的時(shí)間。
由于第24太陽活動(dòng)周低年在2019年左右，因此2016-2019年太陽活動(dòng)逐漸降低，大氣密度逐漸減小。在該面質(zhì)比下，400km高度處的衛(wèi)星壽命一般為1-2年左右，因此衛(wèi)星在軌壽命逐年增加。
正是由于影響衛(wèi)星在軌壽命的因素較多，因此在設(shè)計(jì)在軌壽命的時(shí)候需要統(tǒng)籌兼顧多方面的影響。只有正確的考慮了各種因素的影響，衛(wèi)星才能按人們預(yù)期的那樣駐留在太空中，完成各項(xiàng)科研實(shí)驗(yàn)任務(wù)。
文章來源：中科院之聲，感謝原作者，如有侵權(quán)請告知?jiǎng)h除謝謝！
小計(jì)：隨著世界各國科技事業(yè)的發(fā)展，原有的天體衛(wèi)星會不斷被發(fā)現(xiàn)，人工衛(wèi)星數(shù)量也會不斷增加，實(shí)時(shí)監(jiān)測衛(wèi)星軌跡，關(guān)注衛(wèi)星在軌壽命，也是科研事業(yè)的駐足點(diǎn)，西安同步電子科技有限公司愿我國在科研，航天領(lǐng)域有更高的駐足點(diǎn)。
