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        超低軌道衛(wèi)星軌道維持新思

        2018-01-15 10:18:56郭美婧
        科學(xué)與財(cái)富 2018年35期

        郭美婧

        摘 要:目前,超低軌道衛(wèi)星受到了各航天大國(guó)的高度重視,由于軌道高度低,在進(jìn)行高分辨率對(duì)地觀測(cè)偵察時(shí),可顯著降低有效載荷的重量和功耗,甚至采用普通觀測(cè)設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)高分辨率觀測(cè),并且衛(wèi)星研制成本能夠降低到傳統(tǒng)衛(wèi)星的三分之一到五分之一。因此,超低軌道衛(wèi)星的研制,具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和工程應(yīng)用價(jià)值。但是由于其軌道高度較低,相比傳統(tǒng)低軌衛(wèi)星受到的氣動(dòng)阻力高出幾個(gè)數(shù)量級(jí),導(dǎo)致超低軌道衛(wèi)星的軌道維持與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比具有顯著的不同之處。如何充分利用超低軌道大氣特點(diǎn),解決軌道維持維持問題,是一個(gè)值得研究的課題。本文主要針對(duì)超低軌道衛(wèi)星所在高度大氣層氣動(dòng)力學(xué)及電離特性進(jìn)行分析,提出了使用加速電場(chǎng)加速大氣離子作為軌道維持推進(jìn)介質(zhì)的新思路。

        關(guān)鍵詞:超低軌道衛(wèi)星; 軌道維持; 大氣電離層 ; 加速電場(chǎng)

        一 、超低軌道衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)及面臨的難題

        超低軌道衛(wèi)星一般指軌道高度處于120~300km之間的衛(wèi)星。由于軌道高度低,能夠快速、頻繁到達(dá)目標(biāo)上空獲取信息,而且由于離地面更近,甚至采用普通觀測(cè)設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)高分辨率觀測(cè),同時(shí)衛(wèi)星研制成本能夠降低到傳統(tǒng)衛(wèi)星的三分之一到五分之一,發(fā)射成本也顯著降低。因此,超低軌道衛(wèi)星的研制具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和工程應(yīng)用價(jià)值。

        但是,由于高度在300km以下的外層空間屬于熱層與外層大氣的范圍,相比傳統(tǒng)低軌衛(wèi)星,超低軌道衛(wèi)星受到的氣動(dòng)力阻力要高出幾個(gè)到幾十個(gè)數(shù)量級(jí),如果按照傳統(tǒng)衛(wèi)星的軌道控制方式,利用噴氣裝置作為動(dòng)力,則會(huì)由于頻繁噴射消耗大量能源和燃料,迅速縮短衛(wèi)星使用壽命,而正在研制中的等離子推進(jìn)器,其推力僅有幾個(gè)mN,遠(yuǎn)不能提供足夠的推力。所以必須尋找一種新的途徑來解決超低軌道衛(wèi)星軌道維持的問題。

        二 、超低軌道所處大氣層特點(diǎn)

        習(xí)慣上,將衛(wèi)星按軌道高度分為高軌、中軌、和低軌衛(wèi)星,其中,低軌道衛(wèi)星主要指運(yùn)行在100~1000km高度的衛(wèi)星,目前工程上實(shí)用的甚低地球軌道高度約為200~400km。本文討論的超低軌道衛(wèi)星主要運(yùn)行高度在100~200km。在這個(gè)高度上,大氣密度可達(dá)到106 ~109kg/m3量級(jí),作用在衛(wèi)星上的氣動(dòng)力能夠達(dá)到幾十到幾百mN,對(duì)衛(wèi)星軌道衰減影響十分巨大。

        另外,該軌道高度正處于地球大氣電離層的范圍,其中F1層高度一般在140~200公里之間,電子密度為1010~1011/m3(圖1)。是被大氣強(qiáng)烈吸收的那部分遠(yuǎn)紫外輻射所產(chǎn)生的。這些輻射產(chǎn)生離子O2+、N2+、O+、H2+和N+。由于隨后的一系列反應(yīng),最終產(chǎn)物以NO+和O+為主。隨著高度上升,主要離子成分由分子逐漸過渡為原子離子。負(fù)離子和雙電荷正離子很少,正離子密度與電子密度相等。

        三、超低軌道衛(wèi)星軌道維持方案新思路

        設(shè)想推進(jìn)器結(jié)構(gòu)如圖2、圖3。衛(wèi)星以每秒約7.8Km的速度運(yùn)行在超低軌道上,稀薄大氣以相對(duì)衛(wèi)星每秒7.8Km的速度通過衛(wèi)星后部的網(wǎng)格柵正極板沖入加速電場(chǎng),其中的正離子如NO+和O+進(jìn)入電場(chǎng)被加速后以更高的速度向后拋出,對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生反作用的推力。而負(fù)離子主要是電子,和衛(wèi)星的相對(duì)動(dòng)能比正離子低得多(具有1ev動(dòng)能的電子,速度大約每秒600Km),其中一部分被帶正電的衛(wèi)星表面俘獲,剩余的進(jìn)入電場(chǎng)后,由于初始速度低而電場(chǎng)強(qiáng)度是如此之大,以至于電子沖入電場(chǎng)不深就被彈出,可以看做是完全彈性碰撞,電子獲得的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正離子。由此產(chǎn)生的阻力也遠(yuǎn)低于正離子產(chǎn)生的推力,可以忽略不計(jì)。

        根據(jù)電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做功公式W=qU=qEd=Fd得出電場(chǎng)中帶電粒子對(duì)電場(chǎng)的反作用力為F推=qE=qU/d。式中q為電場(chǎng)中正離子總電量,與電場(chǎng)的體積以及離子密度相關(guān),q=Sdρ,式中S為網(wǎng)格柵加速電極板面積,d為正負(fù)電極板間距,ρ為大氣離子密度,則可進(jìn)一步推導(dǎo)出推力公式為F推=SUρ??梢钥闯鐾屏Υ笮≈慌c三個(gè)因素相關(guān):推進(jìn)器加速電極面積、加速電壓、稀薄大氣中電子密度。

        我們以200km高度軌道為例,該高度電子密度為1011/m3,相當(dāng)于每立方米體積含有電量約為1.602×10-8庫倫的正離子。然后我們?nèi)‰姌O面積為10m2,加速電壓為5000Kv,則可以推算出推力為800mN,這個(gè)推力足以抵消超低軌道上稀薄大氣對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力。

        為解決由于加速電場(chǎng)對(duì)稀薄大氣中等離子體的分離作用導(dǎo)致的次生電場(chǎng)干擾,在加速電場(chǎng)尾部設(shè)置電子發(fā)生器,中和噴出的正離子,同時(shí)使衛(wèi)星本體表面帶正電荷,可以吸附大氣中的電子以及被加速電場(chǎng)反彈回來的電子,保持衛(wèi)星周圍電場(chǎng)平衡。

        超低軌道衛(wèi)星運(yùn)行周期大約為90分鐘。在一個(gè)周期內(nèi),受地影影響,有大約60分鐘有陽光照射,可以直接利用太陽能電池的電力為加速電場(chǎng)提供能量,采用間歇推進(jìn)的方案,降低對(duì)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的要求。經(jīng)計(jì)算,推進(jìn)器所需功率大約為6Kw左右,太陽能電池的功率可以滿足要求。

        四、結(jié)語

        推進(jìn)劑和燃料消耗是影響衛(wèi)星在軌壽命的主要因素。由于超低軌道衛(wèi)星所在軌道高度含有稀薄大氣并且具有等離子特性,使得超低軌道衛(wèi)星有了利用環(huán)境物質(zhì)作為推進(jìn)介質(zhì)的條件,變超低軌道衛(wèi)星軌道衰減快的劣勢(shì)為優(yōu)勢(shì),只需要提供推進(jìn)所需的能量,衛(wèi)星就可以長(zhǎng)期在軌飛行,而對(duì)衛(wèi)星而言能量的獲得遠(yuǎn)比推進(jìn)劑和燃料的獲得要容易的多。通過前面理論論證和模擬計(jì)算,可以看到,采用這種方案,推動(dòng)力完全能夠滿足超低軌道衛(wèi)星軌道維持的要求,因此值得進(jìn)一步深入研究試驗(yàn)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]曾其鋆—— 氣動(dòng)力矩在超低軌道衛(wèi)星姿態(tài)控制方面的應(yīng)用研究

        [2]陳明——超低軌道衛(wèi)星氣動(dòng)力輔助軌道保持的應(yīng)用研究

        [3]溫生林 閆野 易騰 ——超低軌道衛(wèi)星攝動(dòng)特性分析及軌道維持方法--《國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)》2015年02期

        [4]趙九章等編著:《高空大氣物理學(xué)》,上冊(cè),科學(xué)出版社,北京,1965。

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