國外超低軌衛星計劃及環境效應研究進展

姜海富，柴麗華，周晶晶，于 錢，院小雪，臧衛國，楊東升，武博涵

（1.北京衛星環境工程研究所 可靠性與環境工程技術重點實驗室，北京 100094；2. 北京工業大學 材料學院, 北京 100124）

概述

超低軌道距離地球表面一般在400 km以下，在該軌道運行的衛星稱為超低軌衛星。由于運行軌道高度低，超低軌衛星常用于軍事偵察以及科學探測，是最具威脅和殺傷力的超級“間諜”，與一般航天器相比，超低軌衛星成像質量高、探測數據精確，是美國、俄羅斯等航天大國關注的焦點。

本文系統介紹了國外超低軌衛星的發展現狀，重點關注了超低軌衛星空間環境效應方面的研究進展，以期對我國超低軌衛星的研制及環境適應性評估提供參考。

1 國外超低軌衛星發展現狀

1.1 美國

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

美國的KH系列衛星是目前世界上發射最早，在軌數量也最多的偵察衛星，在美國的空間偵察任務中發揮了巨大的作用。目前，在軌運行的KH-12衛星（如圖1）有4 顆，運行軌道高度最低可達 318 km。

1.2 俄羅斯

俄羅斯最早的超低軌衛星為 “琥珀-4KS2-Cobalt”照相偵察衛星，其設計的最低軌道高度165 km，傾角67.1 °，典型在軌飛行時間2個月。實際上“琥珀-4KS2-Cobalt”衛星實際在軌運行的最低點只有300 km左右，這主要受限于動力系統，但這些衛星的成功發射，已經驗證了多項關鍵技術，為后來俄羅斯超低軌衛星軌道設計和壽命評估奠定了基礎。目前俄羅斯偵察衛星的主力陣容的為第四代“琥珀”系列衛星和第五代“薔薇輝石 ”系列衛星（如圖2）。

1.3 歐空局

多年來，歐空局通過獨立研究與合作研究的方式開展了大量的超低軌衛星的研制工作，GOCE（Gravity Field and Steady-Ocean Circulation Explorer）衛星（如圖3）是歐空局與俄羅斯聯合研制的重力場和海洋環流探測衛星，于2009年發射，在軌運行高度為 250～260 km，設計壽命大于9個月。GOCE 衛星配備了兩個離子發動機，比沖≥3000 s，總質量不超過50 kg。

1.4日本

東京大學的航空空間技術研究所、無線電研究所、氣象研究所等機構是日本國內最早開始超低軌衛星研制的單位，衛星命名為“達斯”（Drive and Ascent Satellite）。日本研制的這顆超低軌道衛星軌道高度100～1000 km，這種軌道設計大大延長了衛星在軌服役壽命，即使在當前該橢圓形軌道設計方法也一直被采用。

近些年來，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）正在設計研制一顆超低軌衛星，該衛星軌道高度180～250 km，簡稱SLATS（Super Low Altitude Satellite）。該衛星的主要目的是了解高密度原子氧對衛星的影響及驗證利用離子推進系統進行軌道控制的可能性。在超低軌道運行的航天器氣體拖曳力是不可忽視的，SLATS主要通離子推進系統抵消氣體拖曳力的作用。圖4為SLATS衛星展開效果圖。

圖1 美國 KH-12 衛星

圖2 俄羅斯“薔薇輝石”衛星

圖3 歐空局與俄羅斯聯合研制GOCE 衛星

圖4 SLATS 衛星展開效果圖

1.5 其它國家

由于超低軌衛星在偵查、觀測等多方面的優勢，世界上多個國家都在開展方案設計及研制工作，目前我國已開始啟動超低軌衛星的論證及研制。

2 超低軌衛星環境效應研究

超低軌空間環境效應的研究。一方面，超低軌道環境的特殊勢必造成衛星材料及器件的新效應，在衛星總體設計時需考慮到新的環境效應的種類及影響程度，必須通過地面試驗或空間搭載試驗對材料及器件的超低軌環境效應適應性進行驗證。另一方面，目前，我國還沒有超低軌環境的實測數據，借助于超低軌衛星可以開展相關環境探測工作，為環境模型建立積累數據。

2.1 超低軌環境

眾所周知，低地球軌道氣體主要成分是原子氧，占地軌道氣體總數的80 %以上，而超低軌氣體環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）密度高兩個數量級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）密度與其在同一數量級3.05E＋9 cm-3。

2.2 空間搭載試驗

日本計劃在SLATS衛星上搭載環境效應探測器，進行空間環境的監測及材料暴露試驗，這是首次在250 km軌道上開展材料暴露試驗。該暴露試驗通過兩個搭載模塊實施，分別為MDM-S和MDM-C（MDM為MateriasDegradation Monitor的縮寫），其中MDM-S是一個包含9種材料被動暴露試驗的樣品盒，而MDM-C是CCD，用于對暴露試驗中樣品的退化情況進行拍照[1]。圖5給出了SLATS衛星上探測載荷的位置。圖6為 MDM-S和MDM-C的結構圖。

表1 不同軌道高度下大氣組分密度（MSISE-90 計算）

2.2.1 原子氧通量探測器

通過AOFS（Atomic Oxygen Fluence Sensor）監測原子氧通量。AOFS 由8個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結構外部，通過測試聚酰亞胺薄膜的質量損失計算原子氧通量。

2.2.2 材料降解監視器

材料降解監視器（MDM，Material Degradation Monitor）由材料樣品及光學相機組成，其中材料樣品包括常規衛星外部材料及未來抗原子氧新型材料組成。 監視器定位在SLATS飛行方向上的底面，光學相機用于對樣品進行拍照。

SLATS衛星的軌道任務如下：

1）628 ～430 km變軌（時間較短）；

圖5 SLATS 衛星探測載荷位置

圖6 MDM-S 和MDM-C 結構圖

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運行50天；

5）220～180 km變軌（速度約10 km/周）。

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

2.3 地面模擬試驗

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

2.3.1 原子氧效應

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的氧化性，而且當航天器以7～8 km/s的速度在軌運行時，原子氧相對于航天器具有4～5 eV的平均動能，因此當原子氧撞擊到航天器外表面時，會造成表面材料的質量和厚度損失、表面形貌的變化，力學、熱光學性能也會受到不同程度的影響。此外原子氧剝蝕產物還會對光學器件、熱控涂層、太陽電池陣等部件表面帶來污染，這些都會影響到航天器的正常運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地面模擬試驗設備，并對大量空間材料開展了原子氧效應試驗研究，獲取的豐富的原子氧效應數據，為國外航天器的研制做出了重要的貢獻[2,3]。

2.3.2 分子氮效應

為研究分子氮（N2）對超低軌衛星表面材料及組件性能的影響，必須借助地面模擬試驗系統，日本及美國的研究者均利用激光解離原理建立了分子氮氣體撞擊地面模擬設備[4,5]。同時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，國外學者主要關注惰性氣體對材料性能的影響。日本的M. Tagawa利用激光解離設備研究了Ar對材料性能的影響，研究對象為聚酰亞胺薄膜和氟化聚合物薄膜，材料的質量損失由石英晶體微量天平原位測量。研究結果表明，Ar中性束的撞擊對聚酰亞胺薄膜質量的影響不大，而對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，因此筆者認為N2的撞擊會導致超低軌衛星表面氟化聚合物薄膜的嚴重侵蝕[6]。

2.3.3 激波等離子體效應

當飛行器高速運行時，一般速度達到5～16 Ma之間，與大氣強烈作用，在頭部形成弓形脫體激波，波后氣體壓強、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，稱為激波等離子體。等離子體會和大氣中的N2、O共同作用，對飛行器表面材料產生影響。同時，等離子體的產生還會附帶輝光效應，降低航天器上光學設備的觀測能力。目前，超低軌激波等離子體及其附帶環境影響較為復雜，國內外在這方面研究較少，亟需開展系統深入研究。

3 結論

1）超低軌衛星由于其在偵察方面的優勢，在軍事及科學領域應用前景廣闊，美國、俄羅斯、日本等國先后均研制了超低軌衛星。

2）超低軌衛星的空間環境效應方面國外主要關注的焦點在于原子氧（O）與分子氮（N2）的影響。日本通過SLATS衛星已經開始超低軌環境效應搭載試驗研究。我國超低軌衛星的空間環境防護設計也需關注原子氧（O）與分子氮（N2）的效應。

3）對于超低軌衛星來說，激波等離子體環境也是由于稠密大氣誘發的一種次生環境，激波等離子體和原子氧（O）、分子氮（N2）的共同作用會對超低軌衛星外露材料及組件產生更加復雜的影響，需要進一步深入研究。

[1]K. Konoue, N. Igarashi, S. Imamura, et al. Development of super low altitude test satellite (SLATS),”[C]. Proceedings of the 28th International Symposium on Space Technology and Science, ISTS, 2011.

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[6]M. Tagawa, Y. Kumiko. Role of inert gas collision on a material degradation in low earth orbit [C]. 61st International Astronautical Congress 2010, IAC, 2010.