衛星能飛多久？為什麼不是永遠飄在天上？

　　衛星在軌壽命顧名思義，衛星在軌壽命是指衛星在軌道上存留的時間，是從衛星進入軌道到隕落為止的時間間隔。衛星在軌壽命的影響因素有很多，最主要的因素就是地球大氣的阻礙作用，衛星與大氣之間的摩擦使衛星動能逐漸損失，導致軌道不斷衰減進而隕落。此外，衛星面質比、運行姿態、空間環境等因素也會對衛星在軌壽命產生影響。

　　地球大氣對衛星在軌壽命的影響

　　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。

　　它是地球的保溫層，使地表溫度維持在相對穩定的狀態；它吸收了大部分紫外線輻射，因此地球上的生命免於滅絕的危險；外太空不時有隕石墜向地球，也正是因為有大氣層的保護才得以化解了大部分的災難。

　　但是，大氣層的作用並非盡如人意。對於隕石而言，大氣層產生的摩擦阻力可以使其迅速墜毀，但對於人造地球衛星而言，這個阻力卻是衛星在軌壽命的隱形殺手。

▲圖1 美國亞利桑那州的巴林傑隕石坑，直徑約1200m，寬約170m，形成於約5萬年前

▲圖2 衛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

　　衛星的運行高度範圍比較廣，按照1960年第53屆巴塞羅那國際航空聯合大會的規定，地球表面100km以上的空間為航天空間，衛星可在該高度以上飛行，但是衛星運行高度往往都高於100km，比如我們常見的近地衛星，其軌道高度一般在400km左右。

　　為什麼衛星運行高度不能太低呢？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，大氣密度呈指數式衰減。衛星運行高度越低，大氣密度就越稠密，衛星在軌壽命也就越短。

　　軌道高度最低的衛星莫過於偵查衛星，它們有的甚至能達到120km左右的高度，但這些帶著特殊任務的衛星其壽命往往都很短，它們要麼很快隕落，要麼就攜帶大量燃料進行一次次的變軌制動，維持在軌狀態。比如1959年2月美國發射的人類歷史上第一顆偵查衛星「發現者1號」，其近地點高度約114km，在軌壽命僅有3天。

▲圖3 大氣密度分布曲線

　　空間環境擾動對衛星在軌壽命的影響

　　空間環境擾動可以引起大氣密度的劇烈變化，在各種航天活動中，我們常常採用大氣模型來描述空間環境擾動對大氣密度的影響。這些大氣模型往往包含兩個最重要的輸入參數，一是F10.7指數，用來描述太陽輻射的影響，二是Ap指數，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F10.7升高時，大氣溫度升高，大氣密度增加；Ap指數主要描述地磁場的變化。當地磁平靜時，太陽風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，太陽風帶來的能量是極紫外輻射能量的十倍或者更多，此時受高緯焦耳加熱和高能粒子沉降等的影響，大氣密度會在短時間內快速上升，衛星受到的大氣阻力也會突然增加，從而加快衛星軌道的衰減。

　　比如，美國「哥倫比亞」號太空梭在1981年4月12日飛行時，遇到一次劇烈的空間環境擾動事件，陡增的大氣密度導致該太空梭下降到較低軌道的時間比預期快了60%。

　　再比如1989年3月份的「卡林頓事件」中，空間環境的劇烈擾動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星（SMM）在整個事件期間的運行高度下降了5km，從而提前隕落。

▲圖4 卡林頓事件期間，空間環境出現劇烈擾動，大氣密度急劇增加

　　衛星在軌壽命的其他影響因素

　　除了大氣密度之外，衛星自身的物理參數也會對在軌壽命產生很大的影響，其中非常重要的一個參數就是衛星的面質比，它是衛星質量與橫截面積的比值。衛星質量越大，表示衛星的慣性越大，橫截面積越小，表示衛星受到的大氣阻力越小，因此面質比越小表示衛星的在軌壽命越長，反之越短。

　　衛星質量一般容易確定，但是橫截面積的計算卻沒那麼簡單。橫截面積與衛星形狀和運行姿態有關，通常情況下，衛星形狀比較複雜，運行姿態經常發生變化，即使姿態穩定的衛星，其有效橫截面積也會隨時間變化，因此衛星的面質比大多時刻發生著變化。

▲圖5 姿態穩定的CHAMP衛星，其橫截面積變化曲線

　　如何預測衛星在軌壽命

　　綜上所述，影響衛星在軌壽命的主要因素是大氣密度，而大氣密度與衛星高度和空間環境狀況有著密切的聯繫，此外，衛星面質比和運行姿態也是非常重要的因素。若能正確的考慮這幾個因素的影響，則可以大致估計出衛星的在軌壽命。

　　▼圖6是利用國際上著名的STK軟體模擬的400km高度處不同發射年份下、面質比為0.01的球形衛星其軌道衰減的時間曲線。橫軸表示發射時間，代表了不同的空間環境狀況，縱軸表示衛星由400km降至250Km所需的時間。

▲圖6：不同發射年份下，面質比為0.01的衛星其軌道衰減時間曲線

　　由於第24太陽活動周低年在2019年左右，因此2016-2019年太陽活動逐漸降低，大氣密度逐漸減小。在該面質比下，400km高度處的衛星壽命一般為1-2年左右，因此衛星在軌壽命逐年增加。

　　正是由於影響衛星在軌壽命的因素較多，因此在設計在軌壽命的時候需要統籌兼顧多方面的影響。只有正確的考慮了各種因素的影響，衛星才能按人們預期的那樣駐留在太空中，完成各項科研實驗任務。

　　作者：任廷領

　　中國科學院國家空間科學中心空間環境研究預報室

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