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近年來(lái)，航天活動(dòng)快速發(fā)展，衛(wèi)星數(shù)量爆炸性增長(zhǎng)，且90%以上的航天器在低軌運(yùn)行。低軌大氣會(huì)對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生阻力，使衛(wèi)星軌道高度不斷衰減，直至再入大氣層，是低軌航天器任務(wù)規(guī)劃和在軌運(yùn)行需要關(guān)注的重要因素。

2021年10月，澳大利亞科廷大學(xué)研發(fā)的Binar系列立方星（圖1）首顆衛(wèi)星（Binar-1）從國(guó)際空間站順利釋放，正常運(yùn)行1年后再入大氣層，達(dá)到了其設(shè)計(jì)壽命。2024年9月，第二批3顆Binar衛(wèi)星（Binar-2/3/4）在國(guó)際空間站順利釋放，預(yù)期壽命6-8個(gè)月，然而僅僅運(yùn)行2個(gè)月后就再入大氣層，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命。分析其背后的原因，對(duì)不斷優(yōu)化衛(wèi)星設(shè)計(jì)、保障航天任務(wù)順利實(shí)施具有重要的意義。

圖1. Binar系列立方星. (a) Binar-1衛(wèi)星；(b-d) Binar-2/3/4衛(wèi)星。

近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京跟蹤與通信技術(shù)研究所、國(guó)家天文臺(tái)等單位，利用太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，GRACE‐FO、GRACE‐A、SWARM‐C等衛(wèi)星大氣探測(cè)數(shù)據(jù)，以及NRLMSISE‐00、JB2008和Jacchia71等大氣模型，分析研究了Binar系列衛(wèi)星在軌壽命與空間天氣變化的關(guān)系。結(jié)果表明，快速上升的空間天氣水平，引起了低軌大氣密度的大幅增加，是導(dǎo)致Binar-2/3/4衛(wèi)星加速隕落，未達(dá)到預(yù)期壽命的直接原因。

Binar-1發(fā)射于2021年，整體處于第25太陽(yáng)活動(dòng)周的上升初期（圖2左側(cè)紅色陰影區(qū)域），空間天氣水平相對(duì)較低；利用實(shí)測(cè)空間天氣參數(shù)（圖2（a））并結(jié)合不同的大氣模型，估算的衛(wèi)星壽命為9-13個(gè)月（圖3紫色豎線），與實(shí)際壽命基本一致。然而，Binar-2/3/4立方星運(yùn)行期間處于太陽(yáng)活動(dòng)高年（圖2右側(cè)紅色陰影區(qū)域），空間天氣急劇增強(qiáng)，太陽(yáng)輻射指數(shù)是Binar-1在軌期間的近2倍；利用實(shí)測(cè)空間天氣參數(shù)（圖2（c））并結(jié)合不同的大氣模型，估算的衛(wèi)星壽命為68天左右（圖3橙色豎線），與實(shí)際壽命基本一致。此外，若利用Binar-1在軌期間的空間天氣參數(shù)（圖2（a））進(jìn)行Binar-2/3/4衛(wèi)星的在軌壽命評(píng)估，結(jié)果約為7個(gè)月；若采用國(guó)際業(yè)界廣泛使用的美國(guó)NOAA空間天氣預(yù)報(bào)中心（SWPC）發(fā)布的空間天氣中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值（圖2（b））進(jìn)行Binar-2/3/4衛(wèi)星的在軌壽命評(píng)估，結(jié)果約為4個(gè)月?？梢钥吹?，Binar-2/3/4在軌期間的實(shí)測(cè)空間天氣情況，遠(yuǎn)高于前期水平以及預(yù)報(bào)水平，是導(dǎo)致其在軌壽命大幅縮減的直接原因。

圖 2. NOAA-SWPC發(fā)布的2019-2032年期間太陽(yáng)活動(dòng)指數(shù)F10.7中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)值（綠色，13個(gè)月平滑值）和實(shí)測(cè)值（藍(lán)色為月均值、橙色為13個(gè)月平滑值）對(duì)比。Binar-1衛(wèi)星運(yùn)行區(qū)間為左側(cè)紅色陰影區(qū)域，Binar-2/3/4衛(wèi)星運(yùn)行區(qū)間為右側(cè)紅色陰影區(qū)域。

圖 3. 基于實(shí)測(cè)空間天氣參數(shù)用不同大氣密度模型估算的Binar-1衛(wèi)星（紫色）和Binar-2/3/4衛(wèi)星（橙色）的在軌壽命，兩條水平的藍(lán)色虛線為衛(wèi)星的實(shí)際壽命。

以上研究成果以“Premature reentry of the Binar CubeSats due to underestimation of solar and geomagnetic activities and its implication for importance of medium‐ and long‐term space weather forecasts”為題發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊Space Weather。論文第一作者為空間中心特別研究助理王昕，通訊作者為空間中心羅冰顯研究員和王赤研究員。

文章信息及鏈接：

Wang, X., Wang, R., Wang, K., Yang, Z., Ren, T., Cao, J., Li, M., Liu, S., Luo, B.*, Wang, C.* (2025). Premature reentry of the Binar CubeSats due to underestimation of solar and geomagnetic activities and its implication for importance of medium‐ and long‐term space weather forecasts. Space Weather, 23, e2025SW004619. https://doi.org/10.1029/2025SW004619

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