因空间环境影响而致的在轨卫星故障统计
——摘自NASA 报告
NASA于1996年8月出版的参考文献《Spacecraft System Failures and Anomalies Attributed to the Natural Space Environment》罗列了1973年6月至1995年3月的100多宗在轨卫星和航天飞机因空间环境影响而产生的故障和异常事件。本文对参考文献的有关内容作摘录整理，以使读者能在短时间内获知这份50余页英文资料的主要内容。
1 空间环境因素
1.1 中性热电离层
距地球表面90到600公里的电离层和热层，有大量氧原子，其密度随高度和太阳活动而变。低轨卫星和在转移轨道的同步卫星表面、尤其是光学镜头，可能因此而受到污染。
1.2 热环境
空间环境温度的变化有可能超出飞行器的设计要求，使暴露在外的电线、连接件、展开机构等发生故障，从而影响飞行器的功能或工作寿命。
1.3 等离子体
在电离层中，气体分子受太阳辐射作用而产生光化学反应，使原子离子化。由同等数量正负粒子构成的电离气体被称为等离子体。自由电子和带正电荷的离子密度由高度、纬度、磁场强度和太阳活动所决定。
当飞行器穿越电离层时，通量不等的离子和电子将使飞行器表面产生感应充电，从而破坏电子器件的工作状态。低轨卫星的充电电压可能高达数千伏。地球同步卫星的表面，如太阳能电池板，可能积聚游移不定的电压。这类感应电压所造成的后果有：改变器件的读取信息，因放电而重置传感器电路，增加采集输出的电流，吸引污染物，因离子溅射而加速器件腐蚀，等等。
1.4 流星体和轨道碎片
一个质量为90克的微小物体，将使飞行器受到百万焦耳的能量冲击。更小的微粒也能严重破坏飞行器表面，并且造成热、电、光学部件的功能受损。
1.5 太阳活动
在太阳黑子和太阳耀斑的高发期，太阳辐射状况的变化可能改变地球空间的等离子体密度、流星体和轨道碎片状况、电离辐射环境、以及地球磁场。在太阳活动期，地球高空的紫外线辐射急剧增强，飞行器的飞行阻力及轨道衰变率也将相应增大。太阳耀斑是主要的空间辐射原因，它将积聚辐射量，使电子系统产生单事件翻转现象。
1.6 电离辐射
电离辐射源主要有范阿伦带粒子、宇宙射线和太阳耀斑粒子等三种。辐射环境中的高能粒子可能穿透飞行器及积聚动能，降低太阳能电池板的输出功率，破坏传感器电路，增大传感器底噪声电平，并使飞行器整体暴露在辐射下。现代电子器件并但没有降低，反而增强了对电离辐射的敏感程度。
1.7 地磁场
空间环境中的等离子运动、电流和高能粒子等对地球磁场有着强烈的影响。地磁场干扰地球轨道环境中的粒子运动，并且偏转宇宙射线中高能粒子的入射角度。这些高能粒子可能使飞行器表面充电，或使飞行器的分系统受干扰甚至失效。地磁暴对地磁场的干扰长达一至数天，大量的带电粒子从磁气圈（地球表面5000公里高度处）进入并积聚在大气圈中。大气圈将因粒子的冲突而产生电离和发热。发热的高度范围为300公里到1000公里。发热时间从地磁暴产生后数分钟到数十分钟开始，直到地磁停止扰动的8到12小时后结束。
2 分类排序表格与分类故障统计
附表收列了除航天飞机、载人空间站和一些特殊卫星外的117项卫星故障事件。表格的内容按照故障时间排序。如果需要的话，该电子表格也可按照卫星名称或者故障原因排序。
由附表可见，在117项故障事件中，因星上设备部分受损而损失部分功能、或者需要启用备份设备的有25例，严重缩短卫星寿命的有2例，导致卫星失效或不能完成使命的有9例。
故障和异常的原因主要为：等离子体（P，Plasma，共55例）、辐射（R，Radiation，共34例）、太阳活动（S，Solar，共10例）、热（T，Thermal，共10例）、流星体或轨道碎片（M/OD，Meteoroid & Orbital Debris，共4例）、中性热电离层（N，Neutral thermosphere，共2例）、地磁（G，Geomagnetic，共2例）。
由附表可以发现多宗巧合，即几颗同类卫星在相同时段发生类似故障。例如，1987年1月11日，2颗NATO卫星因深度静电放电而引起姿态失控；1989年3月，3颗NOAA卫星因强太阳活动而使动量轮和roll/yaw线圈产生故障；1994年1月20日，有3颗Anik卫星和1颗Intelsat卫星因地磁风暴引起的静电放电而发生各种故障。
3 姿控分系统故障
在117项故障事件中，卫星姿态控制分系统的故障有39例。其中，有4例因部件损坏而需要启用备份设备，有1例严重影响卫星寿命，另有2例导致卫星失效。
在39例姿控分系统故障中，属于姿控处理器故障或受干扰的有15例，由传感器故障引起的有11例，由动量轮等执行机构故障引起的有5例，另外有8例未给出具体原因。
在这39例姿控分系统故障中，源于等离子放电的为24例，源于辐射的为9例，源于太阳活动的为5例，源于地磁活动的为1例。
4 1994年1月20日的卫星故障
1994年1月20日，加拿大Telsat的两颗通信卫星，Anik E-1和Anik E-2，因为陀螺导航系统的离奇失效，先后在两小时内失去姿态控制。Anik E-1启用了备份导航系统，在8小时后恢复正常。Anik E-2则因备份系统也不能工作，而被迫中止服务。
Telsat的工程师开发出一种新型地面控制系统，用计算机程序根据星上传感器所采集的数据，自动控制星上的22个发动机喷嘴，使Anik E-2卫星重新定位，并且在同年8月恢复正常业务。用于恢复姿态控制的代价、以及7个月业务流失的收入被估算为5到7千万美元。用喷气方式维持姿态稳定的代价为，原先估计的10年剩余寿命被减至9年，操控卫星的成本也增加了3千万美元。因为再次失效的可能性极低，而保险费用却增加了许多，Telsat放弃了对Anik E-2剩余寿命的在轨保险。
事故原因为，卫星的电势因环境而变化，静电放电产生的电磁脉冲破坏了主用陀螺制导系统中的控制电路元件，从而迅速改变了卫星姿态。
同一天，Intelsat K因地磁暴产生的静电放电而损坏了动量轮控制电路，引起卫星姿态摆动和天线服务区变化。启用备份设备后，卫星的运作得以在当天恢复正常。
另有资料表明，Anik B-1卫星也在同一天因在地影内遭受表面放电，损坏了热反射面，从而使多个部件出现升温现象。
5 由故障统计报告得出的推论
空间环境的干扰确实会引起在轨卫星的各种工作异常和故障现象。
发生最多的故障现象为单事件反转现象，即星上存储器件中的某一个数据位被改变。因为外来干扰而产生的状态或指令错误，可能使设备在短时间内工作失常。如果没有影响到关键部件的运作，上述故障可以得到纠正，并且预后良好。有效的可靠性设计通常采用过限保护、以及临时或永久性启用备份设备等手段，使卫星的运转恢复正常。分系统和整星失效的例证则并不多见。
纠正卫星姿态失控现象确实需要额外花费星上的燃料。Anik E-2的事例表明，如果处置得当的话，燃料开销是有限的。
几乎每年都有多宗故障报告，1996年8月文件中提及的最后一宗故障则出自1995年3月，由此推断，从故障现象分析和推断故障原因的过程可能长达十多个月。