科普：人造卫星能飞多久？

刚刚给大家科普完地球的天然卫星——月亮的相关知识，我们接着给大家科普一下人造卫星。我们来看看人造卫星是不是一直飞下去，其寿命又是多久等等。人造卫星在轨寿命顾名思义，卫星在轨寿命是指卫星在轨道上存留的时间，是从卫星进入轨道到陨落为止的时间间隔。卫星在轨寿命的影响因素有很多，最主要的因素就是地球大气的阻碍作用，卫星与大气之间的摩擦使卫星动能逐渐损失，导致轨道不断衰减进而陨落。此外，卫星面质比、运行姿态、空间环境等因素也会对卫星在轨寿命产生影响。

　　地球大气对卫星在轨寿命的影响

　　我们知道，地球周围是厚厚的大气层，它从地球表面往外至约1000km的高度，像襁褓一样给了地球上的生命婴儿般的保护。

　　它是地球的保温层，使地表温度维持在相对稳定的状态；它吸收了大部分紫外线辐射，因此地球上的生命免于灭绝的危险；外太空不时有陨石坠向地球，也正是因为有大气层的保护才得以化解了大部分的灾难。

　　但是，大气层的作用并非尽如人意。对于陨石而言，大气层产生的摩擦阻力可以使其迅速坠毁，但对于人造地球卫星而言，这个阻力却是卫星在轨寿命的隐形杀手。

▲图1 美国亚利桑那州的巴林杰陨石坑，直径约1200m，宽约170m，形成于约5万年前

▲图2 卫星在大气阻力的作用下，轨道高度像下降的螺旋线一样逐渐衰减

　　卫星的运行高度范围比较广，按照1960年第53届巴塞罗那国际航空联合大会的规定，地球表面100km以上的空间为航天空间，卫星可在该高度以上飞行，但是卫星运行高度往往都高于100km，比如我们常见的近地卫星，其轨道高度一般在400km左右。

　　为什么卫星运行高度不能太低呢？主要是考虑到大气密度的因素。大气层90%的质量集中在30km以下，在30km以上，大气密度随着高度的增加急剧下降，在100km高度上，大气密度约为海平面的一百万分之一，在120km高度上约为几千万分之一，在200km高度上约为五亿分之一，可见，随着高度的增加，大气密度呈指数式衰减。卫星运行高度越低，大气密度就越稠密，卫星在轨寿命也就越短。

　　轨道高度最低的卫星莫过于侦查卫星，它们有的甚至能达到120km左右的高度，但这些带着特殊任务的卫星其寿命往往都很短，它们要么很快陨落，要么就携带大量燃料进行一次次的变轨制动，维持在轨状态。比如1959年2月美国发射的人类历史上第一颗侦查卫星“发现者1号”，其近地点高度约114km，在轨寿命仅有3天。

▲图3 大气密度分布曲线

　　空间环境扰动对卫星在轨寿命的影响

　　空间环境扰动可以引起大气密度的剧烈变化，在各种航天活动中，我们常常采用大气模型来描述空间环境扰动对大气密度的影响。这些大气模型往往包含两个最重要的输入参数，一是F10.7指数，用来描述太阳辐射的影响，二是Ap指数，用来描述地磁场的影响。

　　F10.7主要描述太阳极紫外辐射的大小。高层大气吸收太阳极紫外辐射，吸收能量的20%~30%用来加热高层大气，因此当F10.7升高时，大气温度升高，大气密度增加；Ap指数主要描述地磁场的变化。当地磁平静时，太阳风携带的能量仅为太阳极紫外辐射的十分之一，但在地磁暴时，太阳风带来的能量是极紫外辐射能量的十倍或者更多，此时受高纬焦耳加热和高能粒子沉降等的影响，大气密度会在短时间内快速上升，卫星受到的大气阻力也会突然增加，从而加快卫星轨道的衰减。

　　比如，美国“哥伦比亚”号航天飞机在1981年4月12日飞行时，遇到一次剧烈的空间环境扰动事件，陡增的大气密度导致该航天飞机下降到较低轨道的时间比预期快了60%。

　　再比如1989年3月份的“卡林顿事件”中，空间环境的剧烈扰动引起大气密度急剧增加，使840km高度的大气密度增加了9倍。大气密度的剧增引起了美国的太阳峰年卫星（SMM）在整个事件期间的运行高度下降了5km，从而提前陨落。

▲图4 卡林顿事件期间，空间环境出现剧烈扰动，大气密度急剧增加

　　卫星在轨寿命的其他影响因素

　　除了大气密度之外，卫星自身的物理参数也会对在轨寿命产生很大的影响，其中非常重要的一个参数就是卫星的面质比，它是卫星质量与横截面积的比值。卫星质量越大，表示卫星的惯性越大，横截面积越小，表示卫星受到的大气阻力越小，因此面质比越小表示卫星的在轨寿命越长，反之越短。

　　卫星质量一般容易确定，但是横截面积的计算却没那么简单。横截面积与卫星形状和运行姿态有关，通常情况下，卫星形状比较复杂，运行姿态经常发生变化，即使姿态稳定的卫星，其有效横截面积也会随时间变化，因此卫星的面质比大多时刻发生着变化。

▲图5 姿态稳定的CHAMP卫星，其横截面积变化曲线

　　如何预测卫星在轨寿命

　　综上所述，影响卫星在轨寿命的主要因素是大气密度，而大气密度与卫星高度和空间环境状况有着密切的联系，此外，卫星面质比和运行姿态也是非常重要的因素。若能正确的考虑这几个因素的影响，则可以大致估计出卫星的在轨寿命。

　　▼图6是利用国际上著名的STK软件模拟的400km高度处不同发射年份下、面质比为0.01的球形卫星其轨道衰减的时间曲线。横轴表示发射时间，代表了不同的空间环境状况，纵轴表示卫星由400km降至250Km所需的时间。

▲图6：不同发射年份下，面质比为0.01的卫星其轨道衰减时间曲线

　　由于第24太阳活动周低年在2019年左右，因此2016-2019年太阳活动逐渐降低，大气密度逐渐减小。在该面质比下，400km高度处的卫星寿命一般为1-2年左右，因此卫星在轨寿命逐年增加。

　　正是由于影响卫星在轨寿命的因素较多，因此在设计在轨寿命的时候需要统筹兼顾多方面的影响。只有正确的考虑了各种因素的影响，卫星才能按人们预期的那样驻留在太空中，完成各项科研实验任务。