国外超低轨卫星计划及环境效应研究进展

姜海富，柴丽华，周晶晶，于 钱，院小雪，臧卫国，杨东升，武博涵

（1.北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室，北京 100094；2. 北京工业大学 材料学院, 北京 100124）

概述

超低轨道距离地球表面一般在400 km以下，在该轨道运行的卫星称为超低轨卫星。由于运行轨道高度低，超低轨卫星常用于军事侦察以及科学探测，是最具威胁和杀伤力的超级“间谍”，与一般航天器相比，超低轨卫星成像质量高、探测数据精确，是美国、俄罗斯等航天大国关注的焦点。

本文系统介绍了国外超低轨卫星的发展现状，重点关注了超低轨卫星空间环境效应方面的研究进展，以期对我国超低轨卫星的研制及环境适应性评估提供参考。

1 国外超低轨卫星发展现状

1.1 美国

美国是世界上最早开始超低轨卫星研制的国家。早在1991年，美国就发射了Losat-X 遥感卫星，其轨道高度在 403～416 km。该卫星在设计上充分考虑了轨道高度低带来的大的气动阻力的问题。将Losat-X 卫星的外形设计为扁平型，整体上最大限度的降低迎风面面积，减少气动阻力，延长卫星在轨服役寿命。

美国的KH系列卫星是目前世界上发射最早，在轨数量也最多的侦察卫星，在美国的空间侦察任务中发挥了巨大的作用。目前，在轨运行的KH-12卫星（如图1）有4 颗，运行轨道高度最低可达 318 km。

1.2 俄罗斯

俄罗斯最早的超低轨卫星为 “琥珀-4KS2-Cobalt”照相侦察卫星，其设计的最低轨道高度165 km，倾角67.1 °，典型在轨飞行时间2个月。实际上“琥珀-4KS2-Cobalt”卫星实际在轨运行的最低点只有300 km左右，这主要受限于动力系统，但这些卫星的成功发射，已经验证了多项关键技术，为后来俄罗斯超低轨卫星轨道设计和寿命评估奠定了基础。目前俄罗斯侦察卫星的主力阵容的为第四代“琥珀”系列卫星和第五代“蔷薇辉石 ”系列卫星（如图2）。

1.3 欧空局

多年来，欧空局通过独立研究与合作研究的方式开展了大量的超低轨卫星的研制工作，GOCE（Gravity Field and Steady-Ocean Circulation Explorer）卫星（如图3）是欧空局与俄罗斯联合研制的重力场和海洋环流探测卫星，于2009年发射，在轨运行高度为 250～260 km，设计寿命大于9个月。GOCE 卫星配备了两个离子发动机，比冲≥3000 s，总质量不超过50 kg。

1.4日本

东京大学的航空空间技术研究所、无线电研究所、气象研究所等机构是日本国内最早开始超低轨卫星研制的单位，卫星命名为“达斯”（Drive and Ascent Satellite）。日本研制的这颗超低轨道卫星轨道高度100～1000 km，这种轨道设计大大延长了卫星在轨服役寿命，即使在当前该椭圆形轨道设计方法也一直被采用。

近些年来，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）正在设计研制一颗超低轨卫星，该卫星轨道高度180～250 km，简称SLATS（Super Low Altitude Satellite）。该卫星的主要目的是了解高密度原子氧对卫星的影响及验证利用离子推进系统进行轨道控制的可能性。在超低轨道运行的航天器气体拖曳力是不可忽视的，SLATS主要通离子推进系统抵消气体拖曳力的作用。图4为SLATS卫星展开效果图。

图1 美国 KH-12 卫星

图2 俄罗斯“蔷薇辉石”卫星

图3 欧空局与俄罗斯联合研制GOCE 卫星

图4 SLATS 卫星展开效果图

1.5 其它国家

由于超低轨卫星在侦查、观测等多方面的优势，世界上多个国家都在开展方案设计及研制工作，目前我国已开始启动超低轨卫星的论证及研制。

2 超低轨卫星环境效应研究

超低轨空间环境效应的研究。一方面，超低轨道环境的特殊势必造成卫星材料及器件的新效应，在卫星总体设计时需考虑到新的环境效应的种类及影响程度，必须通过地面试验或空间搭载试验对材料及器件的超低轨环境效应适应性进行验证。另一方面，目前，我国还没有超低轨环境的实测数据，借助于超低轨卫星可以开展相关环境探测工作，为环境模型建立积累数据。

2.1 超低轨环境

众所周知，低地球轨道气体主要成分是原子氧，占地轨道气体总数的80 %以上，而超低轨气体环境与低轨有很大不同，其成分主要是分子氮（N2）和原子氧（O）。表1给出了不同轨道高度下大气组分密度的变化，从表中明显看出，在400 km轨道，原子氧（O）的密度为1.02E＋8 cm-3，比分子氮（N2）密度高两个数量级4.99E＋6 cm-3；而在200 km轨道，原子氧（O）的密度为4.22E＋9 cm-3，分子氮（N2）密度与其在同一数量级3.05E＋9 cm-3。

2.2 空间搭载试验

日本计划在SLATS卫星上搭载环境效应探测器，进行空间环境的监测及材料暴露试验，这是首次在250 km轨道上开展材料暴露试验。该暴露试验通过两个搭载模块实施，分别为MDM-S和MDM-C（MDM为MateriasDegradation Monitor的缩写），其中MDM-S是一个包含9种材料被动暴露试验的样品盒，而MDM-C是CCD，用于对暴露试验中样品的退化情况进行拍照[1]。图5给出了SLATS卫星上探测载荷的位置。图6为 MDM-S和MDM-C的结构图。

表1 不同轨道高度下大气组分密度（MSISE-90 计算）

2.2.1 原子氧通量探测器

通过AOFS（Atomic Oxygen Fluence Sensor）监测原子氧通量。AOFS 由8个覆盖有聚酰亚胺薄膜的热电石英晶体微量天平TQCMs (Thermoelectric Quartz Crystal Microbalances ) 组成。TQCMs热电石英晶体微量天平安装在SLATS结构外部，通过测试聚酰亚胺薄膜的质量损失计算原子氧通量。

2.2.2 材料降解监视器

材料降解监视器（MDM，Material Degradation Monitor）由材料样品及光学相机组成，其中材料样品包括常规卫星外部材料及未来抗原子氧新型材料组成。 监视器定位在SLATS飞行方向上的底面，光学相机用于对样品进行拍照。

SLATS卫星的轨道任务如下：

1）628 ～430 km变轨（时间较短）；

图5 SLATS 卫星探测载荷位置

图6 MDM-S 和MDM-C 结构图

2）430～250 km缓慢变轨（450天）；

3）250～220 km变轨（速度约10 km/周）；

4）220 km运行50天；

5）220～180 km变轨（速度约10 km/周）。

根据上述输入，采用MSISE 90模型计算了O与N2的积分通量，478天任务时，原子氧积分通量为1.3E＋22/cm2；348天任务时，N2的积分通量为8.9E＋20/cm2。依据MISSE-2中FEP原子氧侵蚀率的结果可以推算超低轨N2对FEP的侵蚀率为2.8E-24 cm3/atom，大于O对FEP的侵蚀率为1.9E-25 cm3/atom。

2.3 地面模拟试验

超低轨空间环境主要是中性大气环境，主要成分是分子氮（N2）和原子氧（O）。目前，关于原子氧地面模拟试验方面的研究较多，而分子氮及其它环境效应方面的研究较少。

2.3.1 原子氧效应

原子氧是200～700 km的轨道大气的主要成分，原子氧不仅具有很强的氧化性，而且当航天器以7～8 km/s的速度在轨运行时，原子氧相对于航天器具有4～5 eV的平均动能，因此当原子氧撞击到航天器外表面时，会造成表面材料的质量和厚度损失、表面形貌的变化，力学、热光学性能也会受到不同程度的影响。此外原子氧剥蚀产物还会对光学器件、热控涂层、太阳电池阵等部件表面带来污染，这些都会影响到航天器的正常运行并缩短其使用寿命。美国、俄罗斯、欧空局、加拿大、日本等国家建立了多个地面模拟试验设备，并对大量空间材料开展了原子氧效应试验研究，获取的丰富的原子氧效应数据，为国外航天器的研制做出了重要的贡献[2,3]。

2.3.2 分子氮效应

为研究分子氮（N2）对超低轨卫星表面材料及组件性能的影响，必须借助地面模拟试验系统，日本及美国的研究者均利用激光解离原理建立了分子氮气体撞击地面模拟设备[4,5]。同时由于分子氮和惰性气体与材料表面的作用均以物理溅射为主，因此，国外学者主要关注惰性气体对材料性能的影响。日本的M. Tagawa利用激光解离设备研究了Ar对材料性能的影响，研究对象为聚酰亚胺薄膜和氟化聚合物薄膜，材料的质量损失由石英晶体微量天平原位测量。研究结果表明，Ar中性束的撞击对聚酰亚胺薄膜质量的影响不大，而对氟化聚合物薄膜的影响较大，由于Ar的撞击能低于超低轨道中N2的撞击能，因此笔者认为N2的撞击会导致超低轨卫星表面氟化聚合物薄膜的严重侵蚀[6]。

2.3.3 激波等离子体效应

当飞行器高速运行时，一般速度达到5～16 Ma之间，与大气强烈作用，在头部形成弓形脱体激波，波后气体压强、温度急剧升高，使大气解离、电离，在飞行器周围形成等离子体包覆流场，称为激波等离子体。等离子体会和大气中的N2、O共同作用，对飞行器表面材料产生影响。同时，等离子体的产生还会附带辉光效应，降低航天器上光学设备的观测能力。目前，超低轨激波等离子体及其附带环境影响较为复杂，国内外在这方面研究较少，亟需开展系统深入研究。

3 结论

1）超低轨卫星由于其在侦察方面的优势，在军事及科学领域应用前景广阔，美国、俄罗斯、日本等国先后均研制了超低轨卫星。

2）超低轨卫星的空间环境效应方面国外主要关注的焦点在于原子氧（O）与分子氮（N2）的影响。日本通过SLATS卫星已经开始超低轨环境效应搭载试验研究。我国超低轨卫星的空间环境防护设计也需关注原子氧（O）与分子氮（N2）的效应。

3）对于超低轨卫星来说，激波等离子体环境也是由于稠密大气诱发的一种次生环境，激波等离子体和原子氧（O）、分子氮（N2）的共同作用会对超低轨卫星外露材料及组件产生更加复杂的影响，需要进一步深入研究。

[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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[5]M. Tagawa, H. Dou, K. Yokota. Atomic oxygen concentration for material exposure acceleration tests in low earth orbit [C].Proc. of the 10th ISMSE and the 8th ICPMSE, 2006.

[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.