典型軌道環(huán)境效應及對在軌衛(wèi)星影響分析

曹喜濱，路同山

（1.哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150001；2.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240；3.上?？臻g環(huán)境模擬與驗證工程技術(shù)研究中心，上海 200240）

0 引言

空間軌道決定了衛(wèi)星載荷功能實現(xiàn)、探測幾何位置、壽命設計基線、運載發(fā)射成本等?，F(xiàn)階段各國通信導航、氣象資源、軍事偵察等衛(wèi)星主要運行在低地球軌道（Low Earth Orbit，LEO）、太陽同步軌道（Sun Synchronous Orbit，SSO）、地球同步軌道（Geosynchronous Earth Orbit，GEO）、中地球軌道（Middle Earth Orbit，MEO）等，基本實現(xiàn)了衛(wèi)星系列化運行，支撐國民經(jīng)濟、人民生活、軍事戰(zhàn)略等應用需求，能力也不斷發(fā)展提升。

隨著衛(wèi)星定點觀測、快速重訪、星鏈通信、空間攻防、科學探索等方面應用需求的日益多樣化，衛(wèi)星應用向多軌道組網(wǎng)體系化、偵察對抗戰(zhàn)術(shù)化發(fā)展，各航天大國對空間軌道資源的挖掘與拓展不斷加強。超低軌道、橢圓軌道、7 000～8 500 km 中軌道、墳墓軌道、拉格朗日點軌道等，具有特別的位置優(yōu)勢，逐漸成為各國關(guān)注的重點。目前空間主要軌道分布情況如圖1 所示。

圖1 空間主要軌道分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of major orbits in space

1996 年，美國國家航空航天局（NASA）統(tǒng)計了由空間環(huán)境因素導致的衛(wèi)星在軌故障，如圖2 所示［1］，分析了113 顆衛(wèi)星出現(xiàn)異常和失效的案例，結(jié)果表明空間粒子輻射、等離子體、空間碎片等空間特殊環(huán)境是導致衛(wèi)星故障的重要因素。2001 年，美國宇航公司統(tǒng)計了由空間環(huán)境效應造成的298 顆衛(wèi)星在軌故障原因，如圖3 所示［2］，可以看出，空間特殊環(huán)境帶來的單粒子效應、充放電效應等造成的衛(wèi)星故障已超過環(huán)境誘發(fā)故障總數(shù)的75%。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，人類對空間特殊環(huán)境效應的認知不斷深入，通過采取各種防護措施，空間環(huán)境因素引發(fā)的型號在軌故障數(shù)量逐年下降，已逐漸形成較為成熟的空間環(huán)境地面模擬試驗方法，建立了相對完整的設備體系，完善了相關(guān)標準與規(guī)范，基本滿足了型號研制的需求。

圖2 空間環(huán)境因素引發(fā)的衛(wèi)星在軌故障原因統(tǒng)計［1］Fig.2 In-orbit fault statistics of spacecrafts caused by space environment factors［1］

圖3 空間環(huán)境效應造成的衛(wèi)星在軌異常原因分布統(tǒng)計［2］Fig.3 Statistics of spacecraft in-orbit anomalies caused by space environment effects［2］

隨著衛(wèi)星運行軌道多元化發(fā)展，超低軌道、橢圓軌道、7 000～8 500 km 中軌道等應用的開啟，由空間環(huán)境引發(fā)的在軌故障與異常又重新成為各國的研究熱點。2003 和2004 年，我國分別發(fā)射了與歐洲航天局合作的探測一號（TC-1）和探測二號（TC-2）橢圓軌道試驗衛(wèi)星，發(fā)射后2 顆衛(wèi)星均出現(xiàn)磁強計（Fluxgate Magnetometer，F(xiàn)GM）復位以及遠程終端（Remote Terminal，RT）中斷，經(jīng)初步分析認為是橢圓軌道環(huán)境誘發(fā)充放電效應造成的衛(wèi)星器件異常［3］。2013 年，歐洲衛(wèi)星公司（SES）發(fā)射了位于8 062 km 中軌道的O3b（other 3 billion）星座［4-5］，首批發(fā)射的4 顆衛(wèi)星入軌后有2 顆出現(xiàn)了供電分系統(tǒng)、頻率發(fā)生器單元等故障。目前，對這些軌道環(huán)境因素及其與衛(wèi)星作用機理和規(guī)律的認識還不夠系統(tǒng)與深入。本文針對5 類典型軌道開展了主要特征環(huán)境效應及對在軌衛(wèi)星影響分析，并對后續(xù)發(fā)展提出了建議。

1 超低軌道環(huán)境因素分析及對衛(wèi)星的影響

1.1 主要環(huán)境特征

超低軌道高度約為120～300 km，具有快速響應、多星組網(wǎng)、低發(fā)射成本和高觀測精度等特點，在高分辨率對地遙感觀測方面優(yōu)勢巨大，主要用于監(jiān)測地區(qū)沖突、地震洪水等突發(fā)性事件或自然災害［6］。蘇聯(lián)從20 世紀70 年代即開始研制部署超低軌道衛(wèi)星，但是早期的超低軌道衛(wèi)星壽命普遍較短，只能進行短期對地觀測、空間科學任務，因此，軌道應用發(fā)展緩慢。研究發(fā)現(xiàn)，高通量原子氧以及中性大氣是導致早期超低軌衛(wèi)星壽命短暫的主要原因［7-9］。近年來，隨著軍事快響、組網(wǎng)偵察的需要，各國開始重新重視超低軌道的利用。為保證該軌道衛(wèi)星的高可靠服役和壽命，美國地球觀測者公司（EOI）借助其早期的超低軌試驗衛(wèi)星驗證了原子氧防護、超低軌保持等技術(shù)，于2020 年正式啟動了超低地球軌道衛(wèi)星星座計劃。2017 年日本宇宙航空開發(fā)機構(gòu)（JAXA）開展了為期2 年的超低軌衛(wèi)星試驗，獲取了超低軌原子氧密度、大氣密度等在軌數(shù)據(jù)［10-11］，并研究了13 種材料的原子氧剝蝕效應。我國也已經(jīng)啟動了超低軌道衛(wèi)星的論證與研制。

本文利用NASA 的NRLMSISE-00 模型，分別對100～500 km 空間高度范圍內(nèi)原子氧通量、中性大氣密度分布進行仿真計算，如圖4 和圖5 所示。由圖可見，隨著軌道高度的降低，原子氧通量和中性大氣組分密度呈上升趨勢。200 km 高度原子氧通量約為2.75×1015atoms/（cm2·s），與400 km 高度（國際空間站軌道）相比高2 個數(shù)量級；200 km 高度N2、O2等成分密度約為108～1010cm?3，較400 km 高度（國際空間站軌道）高3～4 個數(shù)量級。

圖4 100～500 km 空間原子氧通量與高度關(guān)系Fig.4 Relationship of atomic oxygen flux and altitude in space within the range from 100 km to 500 km

圖5 100～500 km 不同大氣組分密度與高度關(guān)系Fig.5 Relationship of atmosphere density and altitude in space within the range from 100 km to 500 km

1.2 環(huán)境效應及影響分析

原子氧剝蝕效應：當衛(wèi)星在軌運行時，其表面與空間原子氧高速碰撞，造成星表材料出現(xiàn)剝蝕、開裂甚至脫落等問題，引起熱控涂層、太陽能電池陣絕緣材料、光學載荷鏡頭等的性能退化或失效［12-13］。

本文針對星表常用的聚酰亞胺（Kapton）薄膜進行了原子氧侵蝕地面模擬試驗，結(jié)果如圖6 所示。由圖可見，質(zhì)量損失隨著原子氧累積通量的升高而增加，并且接近線性關(guān)系。由于200 km 軌道高度原子氧累積通量比400 km 高2 個數(shù)量級（如圖4 所示），因此，200 km 高度的Kapton 薄膜質(zhì)量損失將遠高于400 km 軌道高度。400 km 軌道高度（國際空間站軌道）太陽能電池表面絕緣材料聚酰亞胺的在軌原子氧侵蝕情況如圖7 所示［14］。可以預見，超低軌衛(wèi)星在軌的原子氧剝蝕效應將更為嚴重，是首要破壞因素。

圖6 衛(wèi)星常用Kapton 薄膜原子氧侵蝕質(zhì)損曲線Fig.6 Atomic oxygen erosion mass loss curve of the typical Kapton film commonly used on satellites

圖7 空間站太陽能電池陣表面聚酰亞胺原子氧侵蝕情況［14］Fig.7 Atomic-oxygen erosion of the Kapton blanket cover on the photovoltaic arrays surface of International Space Station［14］

大氣攝動與衰減效應：大氣造成的衛(wèi)星軌道攝動與衰減同樣是超低軌道衛(wèi)星面臨的環(huán)境效應之一［15-16］。200 km 超低軌道衛(wèi)星的軌道高度受大氣影響而產(chǎn)生的衰減情況如圖8 所示。若不進行軌道維持，在半個軌道周期內(nèi)大氣阻力可使軌道衰減約1.2 km。在設計壽命為50 d 的情況下，為維持軌道位置，需要額外燃料約173 kg，表明軌道攝動與衰減效應對衛(wèi)星攜帶燃料影響很大［17］。

圖8 200 km 軌道衛(wèi)星高度受大氣影響的衰減情況［17］Fig.8 Orbit attenuation of satellite affected by atmosphere at the altitude of 200 km［17］

1.3 地面環(huán)境模擬試驗

目前，美國、加拿大等主要采用激光誘發(fā)原子氧源模擬裝置進行原子氧試驗，原子氧純度最高可達99%以上。與國外相比，我國在高品質(zhì)原子氧源研制方面還存在差距，原子氧設備主要采用微波電離原子氧源模擬裝置，原子氧純度一般在95%左右。

現(xiàn)有原子氧試驗標準（ASTM E2089—00、QJ 20285—2014）規(guī)定的地面模擬原子氧試驗加速倍數(shù)在1 000 倍左右。而超低軌道原子氧通量較LEO軌道約高2 個數(shù)量級，地面模擬試驗加速倍數(shù)需要達到10 萬倍左右，目前高加速試驗因子下原子氧侵蝕機理尚不清晰，等效加速試驗方法有待研究和建立。

2 橢圓軌道環(huán)境因素分析及對衛(wèi)星的影響

2.1 主要環(huán)境特征

橢圓軌道一般遠地點高至36 000 km、近地點低至400 km，具有監(jiān)視范圍廣、探測視場大、跟蹤持續(xù)性強等優(yōu)勢，已成為軍事偵察衛(wèi)星重點部署軌道。橢圓軌道衛(wèi)星在運行過程中頻繁穿越地球輻射帶（如圖9 所示），衛(wèi)星經(jīng)歷的輻射帶粒子環(huán)境呈現(xiàn)周期性變化。1960 年，蘇聯(lián)發(fā)射了閃電型通信衛(wèi)星，其軌道傾角達到63.4°，開啟了橢圓軌道的開發(fā)應用，然而早期衛(wèi)星設計壽命僅1～2 a［18］。1990 年，美國專門發(fā)射了一顆名為“釋放與輻射綜合效應”的試驗衛(wèi)星（Combined Release and Radiation Effects Satellite，CRRES），通過搭載的電子譜儀（Medium Electron Sensor A，MEA）、內(nèi)部放電測試儀器（Internal Discharge Monitor，IDM）探測了軌道電子環(huán)境并對內(nèi)部充放電進行測量，驗證了空間電子輻射環(huán)境引起的內(nèi)部充放電效應，為其橢圓軌道導彈預警體系的部署提供了支撐。隨著我國對橢圓軌道應用研究的深入，在其環(huán)境效應方面也取得了一些研究成果［19-20］。

圖9 衛(wèi)星橢圓軌道穿越地球輻射帶示意圖Fig.9 Schematic diagram of elliptical orbital satellite passing through the earth radiation belt

本文利用ESA 的FLUMIC 模型［21］及NASA 的AP8 模型［22-23］，分別仿真分析了橢圓軌道衛(wèi)星在一個軌道周期（12 h）內(nèi)運行時的電子及質(zhì)子積分通量，計算結(jié)果如圖10 和圖11 所示?？梢钥闯?，橢圓軌道衛(wèi)星在1 個軌道周期（12 h）內(nèi)2 次穿越內(nèi)、外輻射帶區(qū)域。橢圓軌道衛(wèi)星經(jīng)過外輻射帶中心區(qū)域時，能量大于0.2 MeV 的高能電子積分通量達到峰值3.23×107cm?2·s?1·sr?1，比GEO軌道高10倍左右，平均電子通量也達到GEO 軌道的1.2 倍；當其經(jīng)過內(nèi)輻射帶中心區(qū)域時，能量大于20 MeV 的高能質(zhì)子積分通量達到峰值5.40×103cm?2·s?1，平均質(zhì)子通量與800 km 高度SSO 軌道接近。由此可見，衛(wèi)星在橢圓軌道運行時反復穿越內(nèi)外輻射帶，經(jīng)歷的是一個典型的動態(tài)交變輻射環(huán)境，高的瞬時電子通量和高的瞬時質(zhì)子通量交替變化，造成橢圓軌道與其他軌道不同的環(huán)境效應。

圖10 橢圓軌道及GEO 軌道1 周期內(nèi)電子積分通量（E＞0.2 MeV）與時間關(guān)系圖Fig.10 Electron integrated flux（E>0.2 MeV）of elliptical orbit and GEO during 1 period

圖11 橢圓軌道及SSO 軌道1 周期內(nèi)質(zhì)子積分通量（E＞20 MeV）與時間關(guān)系圖Fig.11 Proton integrated flux（E>20 MeV）of elliptical orbit and SSO during 1 period

2.2 環(huán)境效應及影響分析

深層充放電效應：通常認為空間高能電子穿透衛(wèi)星表層，在衛(wèi)星的PCB 介質(zhì)板、接插件絕緣體等介質(zhì)材料內(nèi)部沉積并建立電場，當電場增大并超過介質(zhì)材料的擊穿閾值時，將會誘發(fā)靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD），對衛(wèi)星內(nèi)部電子產(chǎn)品產(chǎn)生影響［24-25］。

本文以衛(wèi)星常用聚四氟乙烯（Poly Tetra Fluoroethylene，PTFE）介質(zhì)材料為研究對象，采用交替、恒定的電子束流密度分別進行輻照放電試驗。以 6×107cm?2·s?1束流密度輻照2 h 和關(guān)閉束流后靜置4 h 交替的形式模擬動態(tài)電子輻照環(huán)境；以2×107cm?2·s?1束流密度連續(xù)輻照模擬恒定電子輻照環(huán)境，該束流密度為交替輻照的平均電子束流密度。試驗結(jié)果分別如圖12 和圖13 所示。

圖12 聚四氟乙烯在交替電子束流密度下充放電情況Fig.12 Charging and discharging of PTFE under dynamic beam current

圖13 聚四氟乙烯在恒定電子束流密度下介質(zhì)充放電情況（束流密度2×107 cm?2·s?1）Fig.13 Charging and discharging of PTFE under constant beam current（2×107 cm?2·s?1）

由圖12 可見，交替電子束流輻照條件下，介質(zhì)表面電位隨循環(huán)次數(shù)增加交替升高，到第3 個循環(huán)周期時，在13.9 h 出現(xiàn)了放電脈沖。由圖13 可見，恒定電子束流輻照條件下，介質(zhì)表面電位持續(xù)上升，當輻照進行到21.1 h 出現(xiàn)放電脈沖。圖中表明：在平均通量相同的情況下介質(zhì)在交替電子輻照環(huán)境下相對于恒定環(huán)境更易產(chǎn)生充放電，這可能是由于聚四氟乙烯在第一次短時高電子束流密度輻照下，介質(zhì)被充電造成表面電位升高，介質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化；隨后的第2 次短時高電子束流密度輻照，充電進一步加劇了這些變化，介質(zhì)表面電位仍呈現(xiàn)升高趨勢；直到第3 次短時高電子束流輻照，介質(zhì)的化學鍵產(chǎn)生斷裂，出現(xiàn)開裂等損傷缺陷，表面電位持續(xù)升高到一定程度時產(chǎn)生放電。然而，在平均束流密度恒定輻照環(huán)境下，介質(zhì)的化學結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)變化是逐漸累積遞增的，當表面電位升高至放電閾值時產(chǎn)生放電。由于橢圓軌道環(huán)境下介質(zhì)的深層充放電的影響因素非常復雜，對介質(zhì)材料的深層充放電評估難度較大，需要深入研究該軌道交替電子輻照環(huán)境下充放電機理與試驗方法。

2.3 地面環(huán)境模擬試驗

目前，深層充放電試驗設備主要采用能量范圍0.5～2.0 MeV 的高能電子束裝置作為模擬源［26］。現(xiàn)有的深層充放電試驗標準（NASA-HDBK-4002A、QJ 20703—2018）均采用平均束流密度模擬空間電子輻照的方式，由于橢圓軌道衛(wèi)星運行時反復穿越內(nèi)外輻射帶，經(jīng)歷高的瞬時電子通量和高的瞬時質(zhì)子通量交替變化，沿用現(xiàn)有的試驗標準不能充分考核該軌道下電子產(chǎn)品等的可靠性及壽命。目前對于星上帶有孔洞、尖角等異型結(jié)構(gòu)的深層充放電效應主要采用仿真分析的手段進行考核，相應的NASCAP-2K、DICTAT 等國外軟件處于禁運狀態(tài)。近年來，我國自主開發(fā)的相關(guān)軟件、模型與國外相比存在一定的差距，還需要進一步深化和在軌驗證。

3 7 000～8 500 km 中軌道環(huán)境因素分析及對衛(wèi)星的影響

3.1 主要環(huán)境特征

中軌道高度通常為2 000～20 000 km，其中，7 000～8 500 km 軌道區(qū)域具有覆蓋范圍廣、通信延時較低等優(yōu)勢，已成為各航天大國競相爭奪的軌道區(qū)域。典型的衛(wèi)星星座有歐洲的O3b，其運行軌道位于8 062 km，目前已形成4 組16 顆衛(wèi)星。由于早期衛(wèi)星故障頻發(fā)，第二代O3b 衛(wèi)星采取了專門的輻射防護措施，保證服務能力。我國7 000～8 500 km中軌道應用剛剛起步，該區(qū)域位于地球內(nèi)輻射帶邊緣，惡劣的質(zhì)子輻射環(huán)境是最顯著的環(huán)境特征，成為威脅在軌衛(wèi)星安全的重要因素。

本文利用NASA的AP8和AE8模型，選取8062km（0°傾角）中軌道參數(shù)，計算了該軌道下的質(zhì)子和電子積分通量，并與GEO、LEO、SSO 軌道進行對比，如圖14 和圖15 所示。

圖14 4 類軌道質(zhì)子積分通量對比Fig.14 Comparison of proton integrated flux of four orbits

圖15 4 類軌道電子積分通量對比Fig.15 Comparison of electron integrated flux of four orbits

由圖14 和圖15 可見，8 062 km 中軌道質(zhì)子積分通量在目前常用軌道中最高，且電子積分通量也相對較高。其中，能量0.1～50.0 MeV 質(zhì)子積分通量達到5.66×107cm?2·s?1，高于其他軌道1～4 個數(shù)量級，通常認為是8 062 km 中軌道總劑量效應顯著的主要原因；能量大于50 MeV 質(zhì)子積分通量與SSO相近，被認為是8 062 km 中軌道單粒子效應與SSO相當?shù)闹饕颉?/p>

3.2 環(huán)境效應及影響分析

總劑量效應：空間高能質(zhì)子、電子入射到電子元器件內(nèi)部，與器件材料的原子核外電子發(fā)生電離作用產(chǎn)生額外的電荷，這些電荷的堆積，會引起較為嚴重的總劑量效應，造成材料加速退化、器件性能衰退等問題，如熱控涂層開裂變色、MOS 器件閾電壓漂移、光電器件背景噪聲增加等。帶電粒子特別是高能質(zhì)子入射材料與器件后，除通過電離作用產(chǎn)生總劑量效應外，還會通過非彈性碰撞的方式產(chǎn)生位移損傷，將對衛(wèi)星太陽電池、CCD 器件、光纖器件等產(chǎn)生不利影響，造成太陽電池斷路電流和開路電壓下降、CCD 暗電流增大等故障［27］。

本文利用NASA 的SHIELDOSE-2 模型計算了不同等效鋁屏蔽厚度下8 062 km 中軌道在軌1 a質(zhì)子沉積劑量，并與SSO 軌道下的相關(guān)數(shù)據(jù)進行對比，如圖16 所示。

圖16 不同屏蔽厚度下的8 062 km 與SSO 軌道質(zhì)子年沉積劑量對比Fig.16 Comparison of annual deposition dose on the medium earth orbit with the altitude of 8 062 km with SSO under different shielding thickness

由圖16可知，3 mm 等效鋁屏蔽條件下，8 062 km中軌道質(zhì)子年沉積劑量為81.1 krad，遠高于SSO 軌道0.69 krad 質(zhì)子年沉積劑量。以電子器件抗輻射指標50 krad、設計壽命8 a 為例，SSO 軌道采用3 mm 厚度等效鋁屏蔽防護可滿足抗輻射指標，而8 062 km 中軌道則需采用8 mm 以上厚度的等效鋁才滿足抗輻射指標。以SAST3000 平臺為例，屏蔽厚度從3 mm 增加至8 mm 會造成衛(wèi)星整體增重約5%（防護面積按10 m2計算）。因此，采用常規(guī)等效鋁屏蔽的方法，將會給衛(wèi)星帶來較大附加質(zhì)量問題。

為此，俄羅斯航天系統(tǒng)公司（RKS）已經(jīng)開發(fā)了組合屏蔽輻射防護涂層，防護效果是鋁的2.0～2.5倍［28］。上海衛(wèi)星裝備研究所基于帶電粒子在納米復合材料界面處極化和激發(fā)的感應電場對入射粒子能量損失增強作用原理，研究開發(fā)了針對中軌道質(zhì)子環(huán)境的復合輻射防護薄膜，主要屏蔽指標與俄羅斯組合屏蔽輻射防護涂層相當，防護膜的主要性能參數(shù)見表1。

表1 復合輻射防護薄膜主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of composite radiation protective film

單粒子效應：高能質(zhì)子和重離子是誘發(fā)單粒子效應的主要因素，當空間高能粒子擊中半導體器件的敏感節(jié)點，粒子導致的電離會在器件里形成一個電流脈沖，接著可能導致邏輯軟錯誤，發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)或燒毀等。

本文以衛(wèi)星上常用的Xilinx公司VirtexII系列100萬門FPGA為對象，利用ESA開發(fā)的SPENVIS［29］軟件進行單粒子翻轉(zhuǎn)率計算，獲得該器件在8 062 km中軌道的單粒子翻轉(zhuǎn)率為8.27×10?7次/（bi·ts），而在SSO 的翻轉(zhuǎn)率為5.90×10?7次/（bit·s）。仿真結(jié)果表明，8 062 km 軌道單粒子翻轉(zhuǎn)概率與SSO 軌道相當，因此，8 062 km 中軌道器件抗單粒子效應指標設計時通常參考SSO 軌道。

3.3 地面環(huán)境模擬試驗

通常認為LEO、GEO、SSO 等軌道總劑量效應主要是以電離損傷為主（位移損傷較弱）［30］，目前材料器件總劑量效應地面模擬試驗主要采用60Co γ 射線作為模擬源，主要是基于γ 射線對材料器件的電離損傷原理。但在7 000～8 500 km 軌道，材料器件總劑量效應主要由高通量質(zhì)子引起，除了電離損傷外，位移損傷也不容忽視，沿用現(xiàn)有的試驗標準（MIL-STD-883、QJ 10004—2008）不能充分考核該軌道下的電子產(chǎn)品等的可靠性及壽命，模擬電離損傷、位移損傷協(xié)同作用的地面試驗設備與評估方法已成為國內(nèi)外研究熱點。

單粒子效應模擬試驗設備主要采用重離子加速器作為輻照源，由重離子引起的單粒子效應的模擬試驗方法相對成熟，已形成相應標準（GJB 7242—2011、QJ 10005—2008）。但 在7 000～8 500 km 軌道，由質(zhì)子引起的單粒子效應也逐漸引起關(guān)注，模擬試驗方法還不成熟，相關(guān)試驗標準正在制定中。

4 墳墓軌道環(huán)境因素分析及對衛(wèi)星的影響

4.1 主要環(huán)境特征

墳墓軌道處于較GEO 高300 km 左右的位置。墳墓軌道最初的應用主要是針對壽命末期的高軌衛(wèi)星，利用剩余燃料將衛(wèi)星推送至GEO 軌道300 km以上，以減少軌道資源占用和降低空間垃圾的不利影響。近年來，隨著在軌維護技術(shù)的發(fā)展，美國諾格公司在2020 年2 月26 日成功“復活”了“國際通信衛(wèi)星901”［31］，把它從墳墓軌道帶回了靜止軌道。因此，墳墓軌道不僅可用于存放退役衛(wèi)星，在隱蔽軍用衛(wèi)星方面也顯示出巨大潛力。這既是空間在軌維護技術(shù)的進步，也為空間攻防衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展提供了新的軌道選擇。墳墓軌道的軌道參數(shù)與GEO接近，因此，兩者環(huán)境十分接近，該軌道粒子輻射環(huán)境與GEO 軌道基本相同。

4.2 環(huán)境效應及影響分析

由于墳墓軌道環(huán)境與GEO 類似，故產(chǎn)生的效應程度也相同，主要有總劑量效應、充放電效應等，可參照GEO 抗輻射措施進行設計。但由于墳墓軌道參數(shù)的獨特性，會發(fā)生星下點漂移。同時，隨著該軌道衛(wèi)星數(shù)量的增多，其帶來的空間碎片問題不容忽視。

星下點西漂：墳墓軌道高度較GEO 高300 km，本文通過計算二體假設的軌道方程可獲得兩軌道的軌道周期和角速度。墳墓軌道與GEO 軌道周期和角速度對比見表2，墳墓軌道衛(wèi)星較GEO 軌道衛(wèi)星星下點每日西漂3.82（°）/d，約94 d 后退1 圈，故墳墓軌道應用時應考慮衛(wèi)星星下點位置變化對其功能的影響，需采取軌道維持控制措施，保障實時位置滿足衛(wèi)星應用需求。

表2 墳墓軌道與GEO 軌道周期和角速度對比Tab.2 Comparisons of period and angular velocity between tomb orbit and GEO orbit

空間碎片撞擊：隨著GEO 軌道廢棄衛(wèi)星進入墳墓軌道數(shù)量的增多，墳墓軌道的空間碎片問題日趨嚴重?？臻g碎片撞擊衛(wèi)星會造成其太陽能電池表面損傷、電子部件受損、載荷分系統(tǒng)徹底毀壞，甚至造成衛(wèi)星解體，繼而產(chǎn)生新的碎片隱患。

4.3 地面環(huán)境模擬試驗

空間碎片撞擊地面模擬試驗主要采用氫氣炮、激光驅(qū)動碎片等方式，并形成了相關(guān)試驗標準（ISO 11227：2012、QJ 20129—2012、Q/QJA 525—2018）。氫氣炮方式驅(qū)動毫米級彈丸，速度可以達到7 km/s 左右；激光方式驅(qū)動微米級碎片，速度可達10 km/s 左右。目前針對大于厘米級空間碎片的高速撞擊等效試驗方法和設備尚未建立。

5 拉格朗日點環(huán)境因素分析及對衛(wèi)星的影響

拉格朗日點是存在于兩個天體間的5 個相對平衡點。日-地拉格朗日點（L1～L5）具有相對太陽和地球靜止的特點，如圖17 所示，其中，L1 和L2 點距離地球1.5×106km，已成為太陽觀測、天文探測、宇宙觀察等領域的應用熱點。歐美已在拉格朗日點上部署了多顆科學研究衛(wèi)星，并開展空間天氣預報及天文探測活動［32-33］。

圖17 日-地系拉格朗日點示意圖Fig.17 Schematic diagram of Lagrange points in the solarearth system

拉格朗日點衛(wèi)星處于行星際空間，面對的環(huán)境主要包括太陽宇宙射線和銀河宇宙射線［34］。本文分別利用JPL模型［35-36］和CREME96模型［37-38］計算了拉格朗日點的平均太陽宇宙線及銀河宇宙線粒子能譜，結(jié)果如圖18 和圖19 所示。

圖18 拉格朗日L1 點的太陽宇宙線（Solar Cosmic Rays，SCR）質(zhì)子能譜（1 a 平均）Fig.18 Proton energy spectrum of solar cosmic rays at L1（annual mean）

圖19 拉格朗日L1 點的銀河宇宙線（Galactic Cosmic Rays，GCR）質(zhì)子能譜（1 a 平均）Fig.19 Particle energy spectra of galactic cosmic rays at L1（annual mean）

由圖18 和圖19 可以看出，拉格朗日點太陽宇宙線質(zhì)子通量達1.10×104cm?2·s?1，銀河宇宙線的質(zhì)子通量達3.55×10?1cm?2·s?1·sr?1，其次是He、O等成分。由此可見，拉格朗日點的質(zhì)子通量低于地球軌道。

太陽在爆發(fā)性活動期間會發(fā)射大量高能帶電粒子（絕大部分為質(zhì)子），稱為太陽質(zhì)子事件（Solar Proton Event，SPE）。運行于拉格朗日L1 點的SOHO 衛(wèi)星觀測到的一次太陽質(zhì)子事件期間的質(zhì)子通量變化如圖20 所示［39］。由圖可見，在太陽質(zhì)子事件期間，太陽宇宙線質(zhì)子瞬時通量在短時間內(nèi)急劇升高，比平靜期高2～4 個量級，需要采用抗輻加固措施。

圖20 太陽粒子事件期間質(zhì)子通量變化［39］Fig.20 Proton fluence of solar cosmic rays during a solar proton event［39］

6 結(jié)束語

綜上所述，衛(wèi)星在超低軌道、橢圓軌道、中軌道、墳墓軌道等典型軌道運行時，將面臨高通量原子氧及中性大氣、交變電子輻射、高通量質(zhì)子、空間碎片等典型環(huán)境，容易造成衛(wèi)星表面材料剝蝕與大氣攝動、深層充放電、總劑量與單粒子、碎片撞擊損傷等效應，對衛(wèi)星可靠性帶來嚴重影響。后續(xù)針對衛(wèi)星的空間環(huán)境試驗方法和防護措施，提出建議如下：

1）有針對性地加強地面等效模擬試驗方法研究，提升地面模擬試驗綜合能力。重點針對高通量原子氧侵蝕效應、交變電子輻射環(huán)境深層充放電效應和高通量質(zhì)子總劑量效應，開展等效模擬試驗方法研究，形成面向多材料、多器件體系的試驗與評估標準。同時，加強空間環(huán)境綜合模擬試驗設備研制，推進先進分析測試手段和方法在試驗評估中的利用，提升地面模擬試驗的準確性和有效性。

2）加強在軌搭載試驗驗證，建立典型材料、器件及產(chǎn)品的環(huán)境效應數(shù)據(jù)庫。目前，我國在軌搭載驗證較為分散，尚未實施系統(tǒng)、持續(xù)的空間搭載試驗研究。衛(wèi)星典型材料、器件及產(chǎn)品的環(huán)境效應數(shù)據(jù)庫尚不完善，數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)有效性均待提升。衛(wèi)星關(guān)鍵材料和器件的空間環(huán)境效應評估軟件多為國外進口，自主開發(fā)的軟件系統(tǒng)較少，且缺乏在軌搭載試驗數(shù)據(jù)的驗證。

3）分類開展衛(wèi)星抗輻加固設計，重視“新材料、新技術(shù)、新方法”在抗輻射產(chǎn)品開發(fā)中的應用。針對批產(chǎn)商業(yè)衛(wèi)星、高性能長壽命衛(wèi)星等，分類開展抗輻加固措施研究。對商業(yè)衛(wèi)星，重點在于商用器件的壽命評估；對長壽命衛(wèi)星，需綜合考慮高可靠、輕量化、低成本等多目標，加強衛(wèi)星總體和抗輻加固一體化協(xié)同設計。運用新材料、新技術(shù)、新方法開展空間粒子輻射、原子氧侵蝕、碎片撞擊等防護產(chǎn)品的開發(fā)，提升衛(wèi)星多軌道環(huán)境適應性。