姜海富，柴麗華，周晶晶，于 錢，院小雪，臧衛(wèi)國，楊東升，武博涵

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2. 北京工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院, 北京 100124）

概述

超低軌道距離地球表面一般在400 km以下，在該軌道運(yùn)行的衛(wèi)星稱為超低軌衛(wèi)星。由于運(yùn)行軌道高度低，超低軌衛(wèi)星常用于軍事偵察以及科學(xué)探測(cè)，是最具威脅和殺傷力的超級(jí)“間諜”，與一般航天器相比，超低軌衛(wèi)星成像質(zhì)量高、探測(cè)數(shù)據(jù)精確，是美國、俄羅斯等航天大國關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文系統(tǒng)介紹了國外超低軌衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)關(guān)注了超低軌衛(wèi)星空間環(huán)境效應(yīng)方面的研究進(jìn)展，以期對(duì)我國超低軌衛(wèi)星的研制及環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估提供參考。

1 國外超低軌衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 美國

美國是世界上最早開始超低軌衛(wèi)星研制的國家。早在1991年，美國就發(fā)射了Losat-X 遙感衛(wèi)星，其軌道高度在 403～416 km。該衛(wèi)星在設(shè)計(jì)上充分考慮了軌道高度低帶來的大的氣動(dòng)阻力的問題。將Losat-X 衛(wèi)星的外形設(shè)計(jì)為扁平型，整體上最大限度的降低迎風(fēng)面面積，減少氣動(dòng)阻力，延長(zhǎng)衛(wèi)星在軌服役壽命。

美國的KH系列衛(wèi)星是目前世界上發(fā)射最早，在軌數(shù)量也最多的偵察衛(wèi)星，在美國的空間偵察任務(wù)中發(fā)揮了巨大的作用。目前，在軌運(yùn)行的KH-12衛(wèi)星（如圖1）有4 顆，運(yùn)行軌道高度最低可達(dá) 318 km。

1.2 俄羅斯

俄羅斯最早的超低軌衛(wèi)星為 “琥珀-4KS2-Cobalt”照相偵察衛(wèi)星，其設(shè)計(jì)的最低軌道高度165 km，傾角67.1 °，典型在軌飛行時(shí)間2個(gè)月。實(shí)際上“琥珀-4KS2-Cobalt”衛(wèi)星實(shí)際在軌運(yùn)行的最低點(diǎn)只有300 km左右，這主要受限于動(dòng)力系統(tǒng)，但這些衛(wèi)星的成功發(fā)射，已經(jīng)驗(yàn)證了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為后來俄羅斯超低軌衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)和壽命評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。目前俄羅斯偵察衛(wèi)星的主力陣容的為第四代“琥珀”系列衛(wèi)星和第五代“薔薇輝石 ”系列衛(wèi)星（如圖2）。

1.3 歐空局

多年來，歐空局通過獨(dú)立研究與合作研究的方式開展了大量的超低軌衛(wèi)星的研制工作，GOCE（Gravity Field and Steady-Ocean Circulation Explorer）衛(wèi)星（如圖3）是歐空局與俄羅斯聯(lián)合研制的重力場(chǎng)和海洋環(huán)流探測(cè)衛(wèi)星，于2009年發(fā)射，在軌運(yùn)行高度為 250～260 km，設(shè)計(jì)壽命大于9個(gè)月。GOCE 衛(wèi)星配備了兩個(gè)離子發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖≥3000 s，總質(zhì)量不超過50 kg。

1.4日本

東京大學(xué)的航空空間技術(shù)研究所、無線電研究所、氣象研究所等機(jī)構(gòu)是日本國內(nèi)最早開始超低軌衛(wèi)星研制的單位，衛(wèi)星命名為“達(dá)斯”（Drive and Ascent Satellite）。日本研制的這顆超低軌道衛(wèi)星軌道高度100～1000 km，這種軌道設(shè)計(jì)大大延長(zhǎng)了衛(wèi)星在軌服役壽命，即使在當(dāng)前該橢圓形軌道設(shè)計(jì)方法也一直被采用。

近些年來，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）正在設(shè)計(jì)研制一顆超低軌衛(wèi)星，該衛(wèi)星軌道高度180～250 km，簡(jiǎn)稱SLATS（Super Low Altitude Satellite）。該衛(wèi)星的主要目的是了解高密度原子氧對(duì)衛(wèi)星的影響及驗(yàn)證利用離子推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行軌道控制的可能性。在超低軌道運(yùn)行的航天器氣體拖曳力是不可忽視的，SLATS主要通離子推進(jìn)系統(tǒng)抵消氣體拖曳力的作用。圖4為SLATS衛(wèi)星展開效果圖。

圖1 美國 KH-12 衛(wèi)星

圖2 俄羅斯“薔薇輝石”衛(wèi)星

圖3 歐空局與俄羅斯聯(lián)合研制GOCE 衛(wèi)星

圖4 SLATS 衛(wèi)星展開效果圖

1.5 其它國家

由于超低軌衛(wèi)星在偵查、觀測(cè)等多方面的優(yōu)勢(shì)，世界上多個(gè)國家都在開展方案設(shè)計(jì)及研制工作，目前我國已開始啟動(dòng)超低軌衛(wèi)星的論證及研制。

2 超低軌衛(wèi)星環(huán)境效應(yīng)研究

超低軌空間環(huán)境效應(yīng)的研究。一方面，超低軌道環(huán)境的特殊勢(shì)必造成衛(wèi)星材料及器件的新效應(yīng)，在衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)時(shí)需考慮到新的環(huán)境效應(yīng)的種類及影響程度，必須通過地面試驗(yàn)或空間搭載試驗(yàn)對(duì)材料及器件的超低軌環(huán)境效應(yīng)適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證。另一方面，目前，我國還沒有超低軌環(huán)境的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，借助于超低軌衛(wèi)星可以開展相關(guān)環(huán)境探測(cè)工作，為環(huán)境模型建立積累數(shù)據(jù)。

2.1 超低軌環(huán)境

眾所周知，低地球軌道氣體主要成分是原子氧，占地軌道氣體總數(shù)的80 %以上，而超低軌氣體環(huán)境與低軌有很大不同，其成分主要是分子氮（N2）和原子氧（O）。表1給出了不同軌道高度下大氣組分密度的變化，從表中明顯看出，在400 km軌道，原子氧（O）的密度為1.02E＋8 cm-3，比分子氮（N2）密度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)4.99E＋6 cm-3；而在200 km軌道，原子氧（O）的密度為4.22E＋9 cm-3，分子氮（N2）密度與其在同一數(shù)量級(jí)3.05E＋9 cm-3。

2.2 空間搭載試驗(yàn)

日本計(jì)劃在SLATS衛(wèi)星上搭載環(huán)境效應(yīng)探測(cè)器，進(jìn)行空間環(huán)境的監(jiān)測(cè)及材料暴露試驗(yàn)，這是首次在250 km軌道上開展材料暴露試驗(yàn)。該暴露試驗(yàn)通過兩個(gè)搭載模塊實(shí)施，分別為MDM-S和MDM-C（MDM為MateriasDegradation Monitor的縮寫），其中MDM-S是一個(gè)包含9種材料被動(dòng)暴露試驗(yàn)的樣品盒，而MDM-C是CCD，用于對(duì)暴露試驗(yàn)中樣品的退化情況進(jìn)行拍照[1]。圖5給出了SLATS衛(wèi)星上探測(cè)載荷的位置。圖6為 MDM-S和MDM-C的結(jié)構(gòu)圖。

表1 不同軌道高度下大氣組分密度（MSISE-90 計(jì)算）

2.2.1 原子氧通量探測(cè)器

通過AOFS（Atomic Oxygen Fluence Sensor）監(jiān)測(cè)原子氧通量。AOFS 由8個(gè)覆蓋有聚酰亞胺薄膜的熱電石英晶體微量天平TQCMs (Thermoelectric Quartz Crystal Microbalances ) 組成。TQCMs熱電石英晶體微量天平安裝在SLATS結(jié)構(gòu)外部，通過測(cè)試聚酰亞胺薄膜的質(zhì)量損失計(jì)算原子氧通量。

2.2.2 材料降解監(jiān)視器

材料降解監(jiān)視器（MDM，Material Degradation Monitor）由材料樣品及光學(xué)相機(jī)組成，其中材料樣品包括常規(guī)衛(wèi)星外部材料及未來抗原子氧新型材料組成。 監(jiān)視器定位在SLATS飛行方向上的底面，光學(xué)相機(jī)用于對(duì)樣品進(jìn)行拍照。

SLATS衛(wèi)星的軌道任務(wù)如下：

1）628 ～430 km變軌（時(shí)間較短）；

圖5 SLATS 衛(wèi)星探測(cè)載荷位置

圖6 MDM-S 和MDM-C 結(jié)構(gòu)圖

2）430～250 km緩慢變軌（450天）；

3）250～220 km變軌（速度約10 km/周）；

4）220 km運(yùn)行50天；

5）220～180 km變軌（速度約10 km/周）。

根據(jù)上述輸入，采用MSISE 90模型計(jì)算了O與N2的積分通量，478天任務(wù)時(shí)，原子氧積分通量為1.3E＋22/cm2；348天任務(wù)時(shí)，N2的積分通量為8.9E＋20/cm2。依據(jù)MISSE-2中FEP原子氧侵蝕率的結(jié)果可以推算超低軌N2對(duì)FEP的侵蝕率為2.8E-24 cm3/atom，大于O對(duì)FEP的侵蝕率為1.9E-25 cm3/atom。

2.3 地面模擬試驗(yàn)

超低軌空間環(huán)境主要是中性大氣環(huán)境，主要成分是分子氮（N2）和原子氧（O）。目前，關(guān)于原子氧地面模擬試驗(yàn)方面的研究較多，而分子氮及其它環(huán)境效應(yīng)方面的研究較少。

2.3.1 原子氧效應(yīng)

原子氧是200～700 km的軌道大氣的主要成分，原子氧不僅具有很強(qiáng)的氧化性，而且當(dāng)航天器以7～8 km/s的速度在軌運(yùn)行時(shí)，原子氧相對(duì)于航天器具有4～5 eV的平均動(dòng)能，因此當(dāng)原子氧撞擊到航天器外表面時(shí)，會(huì)造成表面材料的質(zhì)量和厚度損失、表面形貌的變化，力學(xué)、熱光學(xué)性能也會(huì)受到不同程度的影響。此外原子氧剝蝕產(chǎn)物還會(huì)對(duì)光學(xué)器件、熱控涂層、太陽電池陣等部件表面帶來污染，這些都會(huì)影響到航天器的正常運(yùn)行并縮短其使用壽命。美國、俄羅斯、歐空局、加拿大、日本等國家建立了多個(gè)地面模擬試驗(yàn)設(shè)備，并對(duì)大量空間材料開展了原子氧效應(yīng)試驗(yàn)研究，獲取的豐富的原子氧效應(yīng)數(shù)據(jù)，為國外航天器的研制做出了重要的貢獻(xiàn)[2,3]。

2.3.2 分子氮效應(yīng)

為研究分子氮（N2）對(duì)超低軌衛(wèi)星表面材料及組件性能的影響，必須借助地面模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，日本及美國的研究者均利用激光解離原理建立了分子氮?dú)怏w撞擊地面模擬設(shè)備[4,5]。同時(shí)由于分子氮和惰性氣體與材料表面的作用均以物理濺射為主，因此，國外學(xué)者主要關(guān)注惰性氣體對(duì)材料性能的影響。日本的M. Tagawa利用激光解離設(shè)備研究了Ar對(duì)材料性能的影響，研究對(duì)象為聚酰亞胺薄膜和氟化聚合物薄膜，材料的質(zhì)量損失由石英晶體微量天平原位測(cè)量。研究結(jié)果表明，Ar中性束的撞擊對(duì)聚酰亞胺薄膜質(zhì)量的影響不大，而對(duì)氟化聚合物薄膜的影響較大，由于Ar的撞擊能低于超低軌道中N2的撞擊能，因此筆者認(rèn)為N2的撞擊會(huì)導(dǎo)致超低軌衛(wèi)星表面氟化聚合物薄膜的嚴(yán)重侵蝕[6]。

2.3.3 激波等離子體效應(yīng)

當(dāng)飛行器高速運(yùn)行時(shí)，一般速度達(dá)到5～16 Ma之間，與大氣強(qiáng)烈作用，在頭部形成弓形脫體激波，波后氣體壓強(qiáng)、溫度急劇升高，使大氣解離、電離，在飛行器周圍形成等離子體包覆流場(chǎng)，稱為激波等離子體。等離子體會(huì)和大氣中的N2、O共同作用，對(duì)飛行器表面材料產(chǎn)生影響。同時(shí)，等離子體的產(chǎn)生還會(huì)附帶輝光效應(yīng)，降低航天器上光學(xué)設(shè)備的觀測(cè)能力。目前，超低軌激波等離子體及其附帶環(huán)境影響較為復(fù)雜，國內(nèi)外在這方面研究較少，亟需開展系統(tǒng)深入研究。

3 結(jié)論

1）超低軌衛(wèi)星由于其在偵察方面的優(yōu)勢(shì)，在軍事及科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，美國、俄羅斯、日本等國先后均研制了超低軌衛(wèi)星。

2）超低軌衛(wèi)星的空間環(huán)境效應(yīng)方面國外主要關(guān)注的焦點(diǎn)在于原子氧（O）與分子氮（N2）的影響。日本通過SLATS衛(wèi)星已經(jīng)開始超低軌環(huán)境效應(yīng)搭載試驗(yàn)研究。我國超低軌衛(wèi)星的空間環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)也需關(guān)注原子氧（O）與分子氮（N2）的效應(yīng)。

3）對(duì)于超低軌衛(wèi)星來說，激波等離子體環(huán)境也是由于稠密大氣誘發(fā)的一種次生環(huán)境，激波等離子體和原子氧（O）、分子氮（N2）的共同作用會(huì)對(duì)超低軌衛(wèi)星外露材料及組件產(chǎn)生更加復(fù)雜的影響，需要進(jìn)一步深入研究。

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