低軌遙感衛(wèi)星平臺長壽命制約因素研究

李 潭，沈 娟，陳塞崎，唐夢輝

(1.中國航天科技集團公司，北京100048;2.北京控制工程研究所，北京100080;3.國家航天局對地觀測工程中心，北京10000)

一、前 言

制約我國低軌遙感衛(wèi)星壽命的主要因素包括平臺和有效載荷兩個部分，其中衛(wèi)星平臺產品化水平高，可以重點突破以提高系統(tǒng)。本文將重點分析我國遙感衛(wèi)星平臺系統(tǒng)、關鍵單機、核心基礎建設等方面，全面梳理遙感衛(wèi)星在壽命可靠性方面的薄弱環(huán)節(jié)，重點開展系統(tǒng)級延壽與可靠性增長、長壽命短板的核心產品的延壽、關鍵產品的成熟度提升、衛(wèi)星全生命周期運行管理、核心基礎能力建設等工作，全面提升遙感衛(wèi)星壽命和可靠性，以及長壽命高可靠研制能力。

二、國內外低軌遙感衛(wèi)星壽命現狀

國外遙感衛(wèi)星設計壽命經歷了從3～5年，再到當前的7～8年的發(fā)展歷程(見表1)。

對于低軌光學成像衛(wèi)星，美國當前商業(yè)光學遙感衛(wèi)星主要包括:Ball Aerospace＆Technologies公司開發(fā)的BCP平臺，設計壽命7年，如WorldView系列衛(wèi)星、QuickBird-2等;美國軌道成像公司的通用中小型衛(wèi)星平臺LEOStar，如Obview系列和Geo Eye系列衛(wèi)星;洛馬公司研制的Landsat-7設計壽命7年，開發(fā)的小衛(wèi)星平臺LM-900設計壽命7年。法國低軌光學遙感衛(wèi)星主要采用MK系列平臺，設計壽命5年。法國CNES最新開發(fā)的敏捷型遙感衛(wèi)星Pleiades設計壽命5年。英國Surrey大學的遙感衛(wèi)星設計壽命7年。印度2010年發(fā)射的Cartosat-2B衛(wèi)星設計壽命5年。日本2006年發(fā)射的ALOS-1衛(wèi)星設計壽命3～5年。以色列2006年發(fā)射的EROS-2B設計壽命6年。

表1 2000年以來各國遙感衛(wèi)星平均設計壽命統(tǒng)計表 a

對于低軌高光譜衛(wèi)星，設計壽命均不超過5年，如德國的高光譜衛(wèi)星ENMAP設計壽命5年，美國下一代陸地探測衛(wèi)星LDCM設計壽命3年，美國用于全球二氧化碳精細監(jiān)測的OCO衛(wèi)星設計壽命3年，日本用于監(jiān)測大氣中溫室氣體含量的GOSAT衛(wèi)星設計壽命5年，加拿大用于監(jiān)測大氣臭氧層的SCISAT衛(wèi)星設計壽命5年。

對于低軌SAR成像衛(wèi)星，如美國2005年發(fā)射的Lacrosse5、意大利2007年發(fā)射的Cosmo-Skymed、以色列2008年發(fā)射的TecSAR、加拿大2007年發(fā)射的RadarSAT系列等，設計壽命均為5年，只有德國2006—2008年間發(fā)射的SAR-lupe系列衛(wèi)星，設計壽命10年。

目前遙感衛(wèi)星在軌實際運行壽命大多為7～8年，部分衛(wèi)星壽命超過了10年。法國1998年發(fā)射的SPOT 4衛(wèi)星和美國1999年發(fā)射的IKONOS-2衛(wèi)星，實際壽命均超過了10年，且仍在軌運行。美國2001年發(fā)射的QuickBird-2衛(wèi)星在軌運行超過10年，也仍在運行。實際壽命最長的是Landsat-5，自1984年發(fā)射以來，已在軌工作超過29年，直至2013年1月實施離軌操作。

與國外先進遙感衛(wèi)星相比，國內遙感衛(wèi)星在壽命和可靠性方面存在明顯的差距和不足［1］。目前國內遙感衛(wèi)星設計壽命3～5年，在軌實際運行壽命一般也為3～5年，只有個別衛(wèi)星超期服役到5年以上。20世紀90年代發(fā)射的資源一號衛(wèi)星、風云一號衛(wèi)星設計壽命均為2年。2000年以后，衛(wèi)星設計壽命提高到3年，其中采用零動量控制方式的衛(wèi)星在軌實際壽命在3～5年(最長的資源一號02星在軌壽命5年2個月)［2］，采用偏置動量控制方式的小衛(wèi)星實際壽命最長的超過了7年。2005年以后，基于“十五”、“十一五”可靠性增長項目的支持和產品化工程，資源三號等衛(wèi)星設計壽命提高到4年。2010年后，高分重大專項民用部分衛(wèi)星設計壽命提高到5～8年。

三、制約我國衛(wèi)星長壽命設計產品的分類

為了能夠系統(tǒng)地梳理影響我國低軌遙感衛(wèi)星平臺壽命的主要制約因素，對我國衛(wèi)星平臺現有產品進行了分類，篩選出了影響衛(wèi)星壽命的短板。為了重點解決制約平臺壽命短板，需重點解決第三、四類共性單機產品。

1)第一類產品:現有產品，長壽命設計，可滿足壽命要求，如數字太陽敏感器、模擬太陽敏感器等。

2)第二類產品:采用成熟技術、工藝設計的新研產品，或預期可達長壽命要求的現有產品，可滿足8年壽命要求，如控制計算機、直流/直流變換器等。為了適應長壽命要求，這些產品可結合型號研制同步通過適應性改進，部分產品需要補充鑒定，技術成熟，可結合型號研制同步開展。

3)第三類產品:采用新技術、新工藝的新研產品或壽命設計數據不全的現有產品，但是長壽命驗證不足，如部分陀螺、大力矩飛輪、APS星敏感器等。為了適應長壽命要求，這些產品可進一步投產子樣，進行長壽命試驗驗證，針對試驗中暴露出的問題進行再設計、再驗證，從而達到長壽命要求。

4)第四類產品:無法確認是否滿足長壽命的產品，如紅外地球敏感器、中等/甚高精度星敏、控制力矩陀螺、鋰離子電池等。針對壽命薄弱環(huán)節(jié)，這些產品需重新設計攻關，進行8年壽命試驗驗證。

四、提升我國衛(wèi)星產品壽命的建議

通過上述分析，建議選取以下6種單機產品重點突破，統(tǒng)籌進行長壽命攻關和驗證，盡快開展可靠性增長工作。

1.太陽帆板驅動機構

目前齒輪減速器和導電環(huán)設計壽命較短，地面壽命試驗證明齒輪減速器和導電環(huán)磨損嚴重，組件材料和潤滑系統(tǒng)壽命不滿足長壽命要求。因此，需要對減速器、潤滑系統(tǒng)和導電環(huán)重新選擇材料，通過提高軸承組件的剛度，重新選擇潤滑系統(tǒng)材料，攻克減速器和導電環(huán)設計技術難關，并開展試驗驗證，重點解決齒輪減速器和導電環(huán)材料和潤滑不足導致的磨損問題。

熱控涂層材料在8年壽命末期性能退化［3］，導致太陽帆板驅動機構熱控性能下降，降低壽命周期內可靠性，需要開展壽命試驗、熱平衡試驗和溫度梯度試驗等多子樣多工況的試驗驗證。通過空間環(huán)境試驗，進一步摸清性能衰減規(guī)律，對熱控設計參數進行修正，重點解決熱控涂層材料性能退化引起的壽命末期轉動機構的熱控性能下降導致的加速磨損問題［4］。

2.紅外地球敏感器

根據目前在軌數據，空間紫外輻照累積效應會導致紅外地球敏感器5年末期光學系統(tǒng)效率下約降11%，預計8年壽命光學系統(tǒng)效率下降超過15%。需要開展技術攻關，使光學系統(tǒng)效率在8年壽命期間下降幅度小于10%，并進行光學零件紫外輻照試驗等專項驗證。

受長期空間環(huán)境影響，轉動部件潤滑系統(tǒng)性能衰退，導致電機阻力矩平均值增大80%以上，大大增加了在軌堵轉概率。需重新研制轉動裝置，提高電機和電路性能，并對新研制的轉動裝置進行壽命試驗驗證。

3.中等精度和甚高精度星敏感器

目前采用的CCD等關鍵器件存在性能退化的問題，不滿足長壽命性能指標要求，需要通過CCD器件輻照試驗，開展新研制產品關鍵指標試驗驗證，提高CCD及驅動芯片器件等級等手段，重點解決CCD器件等關鍵元器件性能衰退引起的精度下降問題。

4.控制力矩陀螺

根據目前陀螺設計，高速軸承和潤滑系統(tǒng)需要承受超過10 N·m的陀螺力矩載荷，達不到長壽命內長期穩(wěn)定運行的要求;同時，在地面壽命試驗中，低速框架用導電環(huán)磨損工況嚴酷，不能滿足長壽命要求。高速軸承需要重新選擇材料研制，軸系潤滑系統(tǒng)需開展技術攻關突破，針對新材料和技術攻關開展多子樣的長期跑合和框架擺動試驗。

5.鋰離子電池

鋰離子電池在壽命中后期，隨著電池組阻抗的增加，放電電壓降低。通過在鋰離子充電控制技術、均衡處理技術和過充過放電保護技術等方面開展研究，確定鋰離子電池在正常工作模式下的充放電管理策略，提出減少電池離散性的補償方法，以及過充過放電的保護策略。重點解決鋰離子電池在壽命中后期，隨著電池組阻抗的增加，放電電壓降低引起的性能下降問題。

6.三結砷化鎵太陽電池陣

通過改進電池片的布片和焊接工藝及相關試驗驗證，重點解決低軌的原子氧環(huán)境稠密、互連片受到原子氧侵蝕，進而導致電池斷路問題。

五、結束語

提升衛(wèi)星壽命是一項系統(tǒng)工程［4］，在深入研究在軌衛(wèi)星長期健康運行使用的前提下，需要全面提升元器件、部件、單機和系統(tǒng)的固有可靠性和壽命特性，涉及衛(wèi)星研制中的各個方面。全部解決這些問題需要大量的投入，目前只能按照“分步實施、重點突破”的原則，以重點解決太陽帆板驅動機構等單機產品的長壽命為切入點，突破遙感衛(wèi)星長壽命高可靠瓶頸技術，并在今后型號研制過程中不斷提升產品可靠性和壽命指標，盡快實現我國衛(wèi)星平臺壽命的提升。

［1］譚強，范燕平.我國衛(wèi)星長壽命技術發(fā)展需求及組織與管理探討［J］.航天器工程，2011，20(5):111-115.

［2］劉勝忠.衛(wèi)星飛輪產品長壽命地面驗證與評估［J］.導航與控制，2012，11(1):15-21.

［3］馬偉，宣益民，韓玉閣，等.長壽命衛(wèi)星熱控涂層性能退化及其對衛(wèi)星熱特性的影響［J］.宇航學報，2010，31(2):568-572.

［4］楊亦可，陳塞崎，李潭.低軌遙感衛(wèi)星長壽命研究進展［J］.中國航天，2013(8):26-27.