日本“超低轨道技术试验卫星”任务及应用

2018-10-18何慧东北京空间科技信息研究所

国际太空 2018年9期

何慧东（北京空间科技信息研究所）

2017年12月23日，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研制的“超低轨道技术试验卫星”（SLATS）搭乘H－2A运载火箭从种子岛航天中心发射升空，该卫星是世界首颗具有变轨能力的超低轨道卫星，将在轨验证超低轨道高度保持、高分辨率对地观测等一系列关键技术。超低轨道卫星技术能够迅速增强战场信息获取能力，军事应用潜力巨大。

1 任务概况

卫星基本情况

日本宇宙航空研究开发机构于2017年12月23日发射了SLATS卫星，该卫星将部署在高180～268km的轨道，用于验证超低轨道高度保持技术，并利用小型光学遥感器开展高分辨率对地观测，同时开展大气低热层探测，获取大气密度、原子氧密度等数据，研究原子氧对材料性能恶化的影响，为未来发展超低轨道卫星系统提供工程验证。

SLATS卫星由日本宇宙航空研究开发机构设计、研制、发射和运管，三菱电机公司是卫星主承包商，负责与设计机构和供货商的沟通和协调。卫星项目总经费34.15亿日元（合3138万美元），其中研制经费26亿日元（合2389万美元）。

SLATS卫星由平台和有效载荷两大部分组成。卫星展开尺寸2.5m×5.2m×0.9m，星体呈长条形，有利于减小超低轨道运行阶段的阻力，同时使用了大太阳电池翼，通过调整姿态可改变横截面积，调节飞行阻力，辅助进行轨道转移。SLATS卫星整星质量400kg，功率大于1140W，设计寿命2年；采用三轴稳定控制，卫星控制器（SCU）集遥测/遥控、姿态/轨道控制、数据记录和热控等功能于一体；推进系统使用化学推进分系统（RCS）执行变轨任务，使用氙离子发动机（IES）执行超低轨道高度保持任务。

SLATS卫星搭载了3套有效载荷：氙离子发动机主要用于超低轨道高度保持和轨道机动；小型高分辨率光学遥感器（SHIROP）用于高分辨率对地成像；原子氧监控系统（AMO）包括原子氧测量遥感器（AOF）和材料性能恶化监控器（SMDM），分别用于在轨实时测量原子氧分布，以及监控原子氧作用下13种材料的性能变化。

任务基本情况

SLATS卫星任务为期2年，包括以下5个实施阶段。

SLATS卫星结构图

SLATS卫星系统组成

1）发射阶段。利用H—2A运载火箭执行“一箭双星”发射任务，首先将“全球变化观测任务—碳循环”（GCOM-C）卫星发射进入高798km的太阳同步轨道；随后火箭再次点火降低轨道，将SLATS卫星送入高530km的太阳同步轨道。

2）初始轨道控制阶段。SLATS卫星入轨后进行初始轨道高度控制，利用化学推进系统在约1个月时间内将卫星轨道高度降至408km。

3）轨道转移阶段。通过调整卫星姿态增加大气阻力，利用约1年时间将卫星缓慢转移至268km的超低轨道。

4）超低轨道运行阶段。卫星利用氙离子发动机进行超低轨道高度保持，分别在268km（运行31天）、250km（运行7天）、240km（运行7天）、230km（运行7天）、220km（运行31天）和180km（运行7天）的轨道验证轨道高度保持技术，并开展对地观测、空间环境探测、材料性能研究等一系列活动。

5）后期应用阶段。超低轨道稳定运行阶段结束后，卫星将进行为期180天的后期应用，根据燃料剩余情况进一步开展降轨或升轨试验。

通过实施SLATS卫星任务，预期实现以下三大目标。

1）验证超低轨道的轨道保持技术。200km轨道附近的大气密度是600～800km太阳同步轨道的近1000倍，大气阻力显著增大，卫星运行轨道高度将难以保持。SLATS卫星利用高比冲氙离子发动机持续提供小推力，抵消大气阻力的作用，并根据大气阻力的变化持续调节推力，保证卫星在超低轨道长期稳定运行，轨道高度保持精度优于1km。

SLATS卫星任务轨道概况

2）开展超低轨道卫星高分辨率成像。超低轨道的大气阻力和离子发动机的推力将引起卫星姿态扰动，造成相机成像模糊，对地观测性能下降。SLATS卫星采用了高精度姿态控制系统，提升卫星指向精度和稳定度，降低扰动因素对成像效果的负面影响。同时，由于卫星运行在超低轨道，成像分辨率将显著提高。

3）获取环境数据，积累超低轨道卫星工程经验。超低轨道卫星目前仍存在诸多基础性问题尚未解决，大气环境数据匮乏为任务带来不确定性，轨道附近的原子氧易与卫星表面的抗辐射、耐高温、耐低温的隔热材料发生反应，引起材料受损、性能恶化，导致卫星故障概率增大。SLATS卫星在轨实时测量大气密度、原子氧密度等数据，修正大气预测模型，能够支持后续超低轨道卫星设计和轨道控制，同时开展抗原子氧材料研究和在轨试验，可有效延长任务寿命，为未来超低轨道卫星实际应用积累基础数据和工程经验。

2 军事应用潜力分析

以低成本方式实现高性能侦察

超低轨道通常是指在临近空间以上，且低于300km高度的轨道。在超低轨道部署卫星，能够大幅缩短成像距离，提升光学和雷达成像性能，利用小卫星搭载成像载荷即可达到目前世界领先的成像能力，卫星研制和发射成本也将大幅降低。对于光学成像系统，随着轨道高度降低，卫星分辨率提升，当卫星使用相同的光学遥感器，运行在180km高度轨道的分辨率是在900km轨道的5倍。对于雷达成像系统，采用超低轨道设计方案可以显著降低雷达功耗，提高成像分辨率和综合观测能力，实现成像载荷的小型化、轻型化。

变轨能力实现“平时普查”与“战时详查”应用

为满足全球覆盖和每日目标重访的侦察需求，侦察卫星大多采用三星一组方式部署，同时要求具备大角度侧摆能力。在单星部署的情况下，卫星回归周期从数天至数十天不等，主要执行全球普查任务。268km的太阳同步回归轨道是一条特殊的轨道，可实现卫星每天过顶特定地区，开展热点地区高频度详查任务，军事应用潜力巨大。以具备多次灵活变轨能力的SLATS卫星为例，平时可运行在高320km的太阳同步轨道，重访周期5天，执行全球观测任务；战时利用大推力的化学推进分系统将卫星快速变轨至高268km的太阳同步回归轨道，开展热点地区每日定点侦察任务，以“平战结合”的方式实现天基资产高效率利用。

灵活部署开展快速响应战术支持

尽管超低轨道卫星具备成像分辨率高、回归轨道可定点侦察的优势，但由于大气阻力大，卫星设计寿命通常不到半年，大规模应用受到限制。国外大多数超低轨道卫星在1970年前部署，开展短期对地观测、空间科学、技术试验任务，此后长期发展缓慢，2000年以后超低轨道卫星的代表是俄罗斯的超低轨道光学侦察卫星、欧洲的“重力场与稳态洋流探测器”（GOCE）等。随着技术的进步，航天大国重视发展快速响应空间能力，超低轨道卫星快响应用潜力巨大，可组批研制超低轨道小卫星并地面封存，在紧急情况下快速发射部署，开展短期战术支持任务。对于具备轨道保持能力的卫星，则可在超低轨道开展长期业务运行，进一步提升响应速度和实战应用能力。