超低軌道衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展與展望

袁春柱 張強(qiáng) 傅丹膺 趙志明 張永強(qiáng) 張永賀

陸文高1 姚遠(yuǎn)1 李瀛搏1

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

(2 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

超低軌道衛(wèi)星一般是指運(yùn)行在軌道高度300 km以下150 km以上的衛(wèi)星[1-2]，在此軌道部署衛(wèi)星，可大幅縮短載荷與地面的作用距離，從而提升載荷工作效能，降低衛(wèi)星研制和發(fā)射成本。例如對(duì)于可見光載荷，由于與地球表面的距離相對(duì)短，獲取相同分辨率圖像相機(jī)的焦距與口徑也基本按比例縮小。對(duì)于微波遙感載荷也類似，功率孔徑積隨軌道高度的降低而大幅減小，可有效降低合成孔徑雷達(dá)(SAR)等天線的功率和電口徑。目前，美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家和地區(qū)分別開展了超低軌衛(wèi)星研究，美國(guó)提出了“魔鬼魚”計(jì)劃，用于高分觀測(cè)；日本也于2017年發(fā)射超低軌測(cè)試衛(wèi)星，獲得了高分遙感圖像和超低軌大氣數(shù)據(jù)，據(jù)報(bào)道日本后續(xù)將開展超低軌光學(xué)微波綜合遙感星座建設(shè)；歐洲航天局于2009年發(fā)射了重力場(chǎng)與穩(wěn)態(tài)洋流探測(cè)器，并獲取了高精度的重力場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。我國(guó)也開展了超低軌衛(wèi)星的研究，但尚未開展在軌試驗(yàn)。

超低軌衛(wèi)星在光學(xué)、微波、地球物理場(chǎng)、電離層等方面具有明顯應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但是長(zhǎng)期以來(lái)超低軌衛(wèi)星并沒有發(fā)展起來(lái)，主要原因是隨著軌道降低，大氣密度急劇增大[3]，軌道環(huán)境受大氣層影響越發(fā)明顯，大氣阻力攝動(dòng)、高濃度原子氧環(huán)境對(duì)衛(wèi)星影響突出[4]，超低軌衛(wèi)星的穩(wěn)定運(yùn)行極為困難。本文在調(diào)研國(guó)外超低軌衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，梳理了超低軌衛(wèi)星面臨的氣動(dòng)低阻構(gòu)型設(shè)計(jì)、電推進(jìn)技術(shù)、超低軌道控制技術(shù)、原子氧防護(hù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

1 國(guó)外超低軌衛(wèi)星發(fā)展

從超低軌衛(wèi)星發(fā)展歷程看，超低軌衛(wèi)星發(fā)展主要有3個(gè)階段。

第一階段是20世紀(jì)60—90年代初發(fā)展的返回式衛(wèi)星，利用超低軌道距離地面較近的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)容易以較小規(guī)模光學(xué)相機(jī)實(shí)現(xiàn)較高的圖像分辨率。但受當(dāng)時(shí)推進(jìn)、電子、能源等技術(shù)的限制，難以克服大氣阻力，這類衛(wèi)星一般不進(jìn)行長(zhǎng)期的軌道維持，在軌壽命從幾天到幾十天不等。例如以美國(guó)鎖眼系列早期衛(wèi)星鎖眼-9(KH-9)為例，1971年6月發(fā)射的第一顆KH-9衛(wèi)星，攜帶了4個(gè)返回艙，平均軌道為166 km×269 km，壽命52天[5]，我國(guó)1975發(fā)射的返回式遙感衛(wèi)星，近地點(diǎn)175～210 km，遠(yuǎn)地點(diǎn)320～400 km。

第二個(gè)階段是利用超低軌道進(jìn)行高分成像的大型數(shù)據(jù)傳輸型衛(wèi)星，這類衛(wèi)星一般采用化學(xué)推進(jìn)進(jìn)行軌道維持，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在軌運(yùn)行，攜帶大量的化學(xué)推進(jìn)劑，衛(wèi)星規(guī)模一般較大，成本也較高。例如美國(guó)鎖眼系列后期衛(wèi)星，一般運(yùn)行在橢圓軌道，利用近地點(diǎn)在超低軌道的優(yōu)勢(shì)，獲取高分圖像，以鎖眼-12(KH-12)為例(見表1)，采用太陽(yáng)同步橢圓軌道，近地點(diǎn)在300 km以下，最高可以實(shí)現(xiàn)0.1 m分辨率，衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命5～8年，衛(wèi)星質(zhì)量達(dá)到14～18 t[6]，攜帶化學(xué)燃料達(dá)到7 t以上，衛(wèi)星成本10多億美元。

表1 鎖眼-12系列衛(wèi)星參數(shù)

第三階段是21世紀(jì)以來(lái)，隨著電推進(jìn)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，衛(wèi)星利用電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行軌道維持實(shí)現(xiàn)了超低軌道的長(zhǎng)期運(yùn)行，利用電推進(jìn)的高比沖特點(diǎn)衛(wèi)星攜帶燃料大幅下降，衛(wèi)星規(guī)模也相應(yīng)大幅下降。到目前為止，已成功的案例有歐洲航天局的重力場(chǎng)與穩(wěn)態(tài)洋流探測(cè)器(GOCE)，運(yùn)行在242～260 km高度，衛(wèi)星總質(zhì)量1200 kg，攜帶40 kg的軌道維持氙氣燃料，在軌壽命約55個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了1毫伽大范圍地球重力場(chǎng)高精度測(cè)量[7-8]，以及日本的超低軌測(cè)試衛(wèi)星(SLATS)，在300 km以下運(yùn)行約6個(gè)月，衛(wèi)星總質(zhì)量400 kg，攜帶12 kg的軌道維持氙氣燃料，最低軌道維持高度為180 km，利用20 kg小型化相機(jī)實(shí)現(xiàn)了高分辨率，在155.5 km處分辨率達(dá)到0.47 m[9-10]。除此之外，英、美兩國(guó)也開展了超低軌道衛(wèi)星應(yīng)用研究。

1.1 歐洲航天局GOCE

歐洲航天局于2009年3月17日發(fā)射GOCE，用于重力場(chǎng)反演，總質(zhì)量1200 kg，重力場(chǎng)測(cè)量精度80 km×80 km(1毫伽)。GOCE的使命軌道為晨昏軌道、傾角為97°、降交點(diǎn)地方時(shí)為6:00AM的太陽(yáng)同步軌道，以獲取最大太陽(yáng)能輸入，設(shè)計(jì)壽命20個(gè)月，實(shí)際飛行55個(gè)月，2013年11月11日離軌(見圖1)。

圖1 GOCE飛行示意圖

GOCE軌道飛行剖面如圖2所示，發(fā)射高度為283.5 km的安全軌道，在大氣阻力的作用下軌道衰減，自由降落到259.5 km的工作軌道高度，在此軌道GOCE進(jìn)入無(wú)拖曳飛行模式，用離子電推進(jìn)平衡在軌所受阻力，因此可認(rèn)為衛(wèi)星所受阻力與離子電推進(jìn)提供的推力大小相等。

圖2 GOCE軌道飛行剖面

GOCE利用超低軌道可感應(yīng)到較強(qiáng)的重力場(chǎng)信號(hào)，觀測(cè)量的特性可有效補(bǔ)充重力場(chǎng)信號(hào)因高度上升而產(chǎn)生的衰減，并利用電推進(jìn)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)拖曳控制，有效補(bǔ)償非引力效果。GOCE獲取重力梯度數(shù)據(jù)以1×10-5～2×10-5ms-2的精度恢復(fù)全球重力異常，大地水準(zhǔn)面(海水靜止時(shí)形成的等位面)的精度達(dá)到厘米級(jí)，重力場(chǎng)諧波至200階(見圖3)。

圖3 GOCE獲取的大地水準(zhǔn)面及重力異常模型

1.2 日本超低軌道技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星

超低軌道技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星(SLATS)是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)的小型技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星，軌道高度167.4～250 km。2017年12月23日發(fā)射，其主要目的是驗(yàn)證利用離子電推進(jìn)實(shí)施軌道控制的可行性，同時(shí)驗(yàn)證軌道降低對(duì)成像分辨率提升的影響。該衛(wèi)星別名Tsubame，在日語(yǔ)中意為燕子。SLATS飛行示意如圖4所示。

SLATS軌道飛行剖面如圖5所示，2019年3月18日，SLATS處于遠(yuǎn)地點(diǎn)279.5 km/近地點(diǎn)276 km高度的軌道上，完成軌道轉(zhuǎn)移，開始進(jìn)入由離子電推進(jìn)的軌道維持階段，然后逐次降低軌道，探索離子電推進(jìn)的軌道維持能力邊界。

圖5 SLATS衛(wèi)星軌道飛行剖面

用SLATS的兩行軌道數(shù)據(jù)(TLE)反應(yīng)出的實(shí)際軌道高度衰減及維持情況，軌道維持共分5個(gè)階段，分別約為271.5 km，250 km，240 km，230 km和220 km，每個(gè)高度都持續(xù)一段時(shí)間，SLATS最終軌道維持高度大約180 km，于2019年9月30日進(jìn)入墜落階段，SLATS實(shí)測(cè)軌道數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 SLATS實(shí)測(cè)軌道數(shù)據(jù)

SLATS主要載荷包括原子氧流量探測(cè)器、材料退化監(jiān)視器、商業(yè)小型光學(xué)相機(jī)。

(1)原子氧流量探測(cè)器：用于探測(cè)原子氧對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生的效應(yīng)，其核心部件是8臺(tái)熱電石英晶體微量天平，石英天平分別安裝在SLATS的結(jié)構(gòu)體外部和內(nèi)部，原子氧的密度可以通過(guò)聚酰亞胺薄膜的質(zhì)量損耗數(shù)據(jù)反演獲得。

(2)材料退化監(jiān)視器：包含材料樣品和光學(xué)相機(jī)，樣品包括常規(guī)的衛(wèi)星表面材料和下一代抗原子氧材料等，被安置在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)下表面，光學(xué)相機(jī)用于拍攝樣品照片，研究在原子氧作用下材料的退化機(jī)制。

(3)小型光學(xué)相機(jī)：用于監(jiān)視地球表面并驗(yàn)證在空間分辨率方面的優(yōu)勢(shì)，由于相機(jī)的空間分辨率正比于軌道高度，在衛(wèi)星的軌道降低過(guò)程中檢驗(yàn)空間分辨率提高的效果，衛(wèi)星攜帶20 kg，0.2 m口徑相機(jī)，在155.5 km處獲得了0.47 m的分辨率，可以清晰的看到人行道上的白線，如圖7所示。

圖7 SLATS成像效果

1.3 美國(guó)超低軌道衛(wèi)星方案

美國(guó)超級(jí)地球觀測(cè)者公司獲得空軍研發(fā)合同，支持研發(fā)超低軌道應(yīng)用衛(wèi)星，代號(hào)“魔鬼魚”。此衛(wèi)星為光學(xué)成像衛(wèi)星，質(zhì)量約360 kg，長(zhǎng)2.4 m，衛(wèi)星運(yùn)行在250 km軌道。衛(wèi)星構(gòu)型如圖8所示，這種形狀有助于減少超低軌道的空氣阻力。超級(jí)地球觀測(cè)者公司計(jì)劃發(fā)射30顆衛(wèi)星，在超低軌道完成衛(wèi)星組網(wǎng)，為軍隊(duì)、政府和民間用戶提供高度準(zhǔn)確、及時(shí)的衛(wèi)星圖像?！澳Ч眙~”的優(yōu)勢(shì)之一是超低軌道運(yùn)行，能夠以相當(dāng)?shù)偷膬r(jià)格在太空組成星座。美國(guó)太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心空軍研究實(shí)驗(yàn)室看好該項(xiàng)目的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，“魔鬼魚”可以向美國(guó)空軍、陸軍提供近乎實(shí)時(shí)的衛(wèi)星圖像，可以在幾分鐘之內(nèi)將衛(wèi)星成像傳輸給地面站或移動(dòng)用戶。一方面，超低軌道縮短了傳輸延時(shí)，另一方面，該公司計(jì)劃在衛(wèi)星成像后使用邊緣計(jì)算方法，把處理好的成像數(shù)據(jù)直接傳輸給軍地用戶。

圖8 美國(guó)“魔鬼魚”衛(wèi)星外形

美國(guó)丹佛航天創(chuàng)企反照率公司(Albedo)打算建設(shè)一個(gè)24顆衛(wèi)星的星座，衛(wèi)星設(shè)計(jì)約冰箱大小，實(shí)現(xiàn)可見光地面像元10 cm、紅外2 m的高分辨率成像，衛(wèi)星配置電推進(jìn)，并通過(guò)在軌燃料補(bǔ)加實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星長(zhǎng)期運(yùn)行，預(yù)計(jì)發(fā)射后約兩年對(duì)其第一代衛(wèi)星進(jìn)行燃料補(bǔ)加。該公司創(chuàng)始人哈達(dá)德稱，公司2024年開始發(fā)射衛(wèi)星并在2027年建成24顆星星座。

2 超低軌衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)日本發(fā)布的大氣密度隨軌道高度變化曲線(見圖9)可以看出， SLATS飛行的268 km處大氣密度約為1.0×10-10kg/m3，而600 km處的大氣密度大約是1.0×10-13kg/m3，268 km的超低軌道衛(wèi)星面臨的大氣密度是600多千米軌道高度衛(wèi)星的1000倍左右。

圖9 大氣密度隨軌道高度變化曲線

為了克服超低軌道的大氣環(huán)境，實(shí)現(xiàn)超低軌衛(wèi)星的穩(wěn)定運(yùn)行，需要研究氣動(dòng)低阻構(gòu)型設(shè)計(jì)、阻力計(jì)算及維軌能力設(shè)計(jì)、電推進(jìn)技術(shù)、軌道控制策略、原子氧防護(hù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 氣動(dòng)低阻構(gòu)型設(shè)計(jì)

衛(wèi)星低阻力構(gòu)型是確保衛(wèi)星在超低軌道長(zhǎng)期飛行的有效技術(shù)途徑。200多千米高度上的大氣密度是700 km高度的約千倍，大氣對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生的阻力已嚴(yán)重影響衛(wèi)星的軌道維持，所以設(shè)計(jì)低阻力衛(wèi)星構(gòu)型是一個(gè)有效的應(yīng)對(duì)策略。超低軌道衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)最小迎風(fēng)面積，達(dá)到衛(wèi)星受阻力影響最小化的目的。美國(guó)和俄羅斯的早期超低軌道衛(wèi)星沒有采用低阻力構(gòu)型和電推進(jìn)系統(tǒng)，為克服稀薄大氣產(chǎn)生的影響，依賴的是攜帶大量的化學(xué)推進(jìn)劑，因此，這些衛(wèi)星只能采用更容易維軌的橢圓軌道，或者是實(shí)施短期飛行，大部分時(shí)間內(nèi)喪失了利用超低軌道優(yōu)勢(shì)的機(jī)會(huì)。GOCE和SLATS均采用了最小迎風(fēng)面的構(gòu)型設(shè)計(jì)和離子電推進(jìn)系統(tǒng)，以適應(yīng)全軌道的超低軌道飛行，所以超低軌衛(wèi)星一般應(yīng)設(shè)計(jì)為細(xì)長(zhǎng)體構(gòu)型。

GOCE構(gòu)型如圖10所示，采用細(xì)長(zhǎng)型的八棱柱結(jié)構(gòu)減少大氣阻力，長(zhǎng)度約4.8 m，橫截面面積約0.935 m2，長(zhǎng)細(xì)比(長(zhǎng)度比上截面積)約為5.13。采用上下兩個(gè)對(duì)稱的固定太陽(yáng)翼和兩個(gè)水平平衡尾翼，克服干擾力矩。

圖10 GOCE外形尺寸

SLATS構(gòu)型如圖11所示，采用細(xì)長(zhǎng)型的四棱柱結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)約2.5 m(X方向)，寬約0.66 m(Y方向)、高約0.54 m(Z方向)，橫截面面積約0.36 m2，長(zhǎng)細(xì)比約為6.9?！繷方向分別安置太陽(yáng)翼，太陽(yáng)翼方向略帶向下(+Z方向)傾角實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)干擾力矩平衡。

圖11 SLATS外形尺寸

2.2 阻力計(jì)算及維軌能力分析

實(shí)現(xiàn)超低軌衛(wèi)星軌道維持的前提條件是阻力計(jì)算，在150～300 km的超低軌道大氣密度已經(jīng)非常稀薄，當(dāng)大氣密度降低到氣體分子平均自由程與飛行器的特征尺寸相比不為小量時(shí)，此時(shí)通常的空氣動(dòng)力學(xué)方法已不再適用，就必須用稀薄氣體動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行分析研究。

按照錢學(xué)森空氣動(dòng)力學(xué)理論，根據(jù)稀薄程度將稀薄氣體流動(dòng)劃分為四大領(lǐng)域，即連續(xù)領(lǐng)域、滑流領(lǐng)域、過(guò)渡領(lǐng)域和自由分子流領(lǐng)域。根據(jù)GOCE和SLATS的構(gòu)型尺寸，衛(wèi)星飛行姿態(tài)下實(shí)際設(shè)計(jì)最長(zhǎng)尺寸約為5 m，150 km以上分子平均自由程已達(dá)50 m以上，即150 km以上的空間屬于自由分子流區(qū)，在自由分子流區(qū)，分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程與衛(wèi)星特征尺寸相比要大得多，氣體密度極低，氣體分子與衛(wèi)星表面碰撞后運(yùn)動(dòng)很遠(yuǎn)才會(huì)與其他分子碰撞，分子運(yùn)動(dòng)完全處于自由狀態(tài)，因此，認(rèn)為氣體流動(dòng)完全不受衛(wèi)星存在的影響，其附近不存在氣體的整體運(yùn)動(dòng)，不存在流場(chǎng)，也不形成激波，衛(wèi)星的氣動(dòng)特性和氣動(dòng)加熱完全由單個(gè)氣體分子與衛(wèi)星表面碰撞而確定，分子對(duì)衛(wèi)星的氣動(dòng)加熱效應(yīng)可以忽略。計(jì)算自由分子流區(qū)的飛行器氣動(dòng)阻力方法一般采用Boltzmann方程的計(jì)算法和直接模擬蒙特卡羅(DSMC)計(jì)算方法[11]，基于Boltzmann方程阻力計(jì)算方法在阻力參數(shù)分析中可以根據(jù)數(shù)學(xué)解析的方法明確相關(guān)參數(shù)量影響量，從而有利于確定衛(wèi)星低阻構(gòu)型的設(shè)計(jì)原則。但是Boltzmann方程只考慮了兩體的碰撞問(wèn)題，忽略了三體及三體以上的碰撞問(wèn)題，所以Boltzmann方程阻力計(jì)算結(jié)果存在一定的偏差，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提升，直接模擬DSMC方法得到了廣泛應(yīng)用。

GOCE在超低軌道上無(wú)拖曳飛行期間獲取了離子電推進(jìn)的推力大小，如圖12所示，GOCE在259.5 km高度軌道上無(wú)拖曳飛行期間離子電推進(jìn)的推力(包括瞬時(shí)推力和平均推力)情況，推力的變化是響應(yīng)太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)變化導(dǎo)致大氣密度的變化帶來(lái)的，在259.5 km的軌道上無(wú)拖曳飛行時(shí)，GOCE阻力大小在3.7 mN上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍約為1～6 mN，波動(dòng)的原因是太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)的變化導(dǎo)致大氣密度和阻力變化引起的。

圖12 GOCE無(wú)拖曳飛行推力值

GOCE由于太陽(yáng)活動(dòng)情況低于預(yù)期，在259.5 km的使命軌道飛行近3年之后，為了進(jìn)一步提高探測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，進(jìn)行了降軌?？紤]到GOCE在軌的安全性可靠性問(wèn)題以及對(duì)大氣密度預(yù)測(cè)存在的誤差問(wèn)題，分成了4個(gè)階段進(jìn)行降軌，降軌過(guò)程中高度與推力平均值如圖13所示。第一次降軌從2012年8月開始進(jìn)行，高度從259.6 km降低至251 km；第二次降軌從2012年11月開始進(jìn)行，高度從251 km降低至244.6 km；第三次降軌從2013年2月開始進(jìn)行，高度從244.6 km降低至239.6 km；第四次降軌從2013年5月開始進(jìn)行，高度從239.6 km降低至229 km，在229 km高度的軌道上運(yùn)行至燃料耗盡。

圖13 GOCE衛(wèi)星降軌過(guò)程中高度與推力平均值

GOCE的成功飛行證明了超低軌長(zhǎng)壽命飛行的可行性，及高精度重力場(chǎng)探測(cè)和無(wú)拖曳飛行的可實(shí)現(xiàn)性。從圖13可以看出，隨著時(shí)間的不同，GOCE在同一軌道高度上，不同太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)下，阻力的變化也較大。為了保證GOCE的無(wú)拖曳運(yùn)行，需要電推進(jìn)系統(tǒng)具備寬范圍高精度的推力調(diào)節(jié)能力。

為了實(shí)現(xiàn)GOCE在超低軌道的穩(wěn)定運(yùn)行，平均每圈電推進(jìn)提供的推力總沖應(yīng)大于等于飛行阻力產(chǎn)生的總沖。例如，按照GOCE在259.5 km飛行阻力計(jì)算，需要電推進(jìn)單圈總沖大約等于486 N·s的能力，同時(shí)需保證維軌期間的能源需求。

2.3 電推進(jìn)技術(shù)

高性能的電推進(jìn)技術(shù)是超低軌長(zhǎng)壽命飛行的基礎(chǔ)。超低軌衛(wèi)星在諸多方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是長(zhǎng)期以來(lái)超低軌衛(wèi)星并沒有發(fā)展起來(lái)，主要原因是電推進(jìn)技術(shù)尚不成熟。衛(wèi)星要在超低軌道長(zhǎng)期運(yùn)行，必須具有軌道維持能力，提供源源不斷的沖量，這就需要推進(jìn)系統(tǒng)具有“大總沖、長(zhǎng)壽命”的特點(diǎn)。這兩個(gè)特點(diǎn)要求衛(wèi)星低阻力飛行，飛行器要小型化，推進(jìn)效率要高，也即比沖高。傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)推力大比沖小，燃料消耗大、衛(wèi)星規(guī)模大，衛(wèi)星規(guī)模大又導(dǎo)致飛行阻力大，使衛(wèi)星難以小型化、長(zhǎng)壽命。電推進(jìn)系統(tǒng)推力小比沖高，燃料消耗小，可支持衛(wèi)星的小型化發(fā)展，同時(shí)電推進(jìn)系統(tǒng)推力受流量、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等參數(shù)控制，可以實(shí)現(xiàn)推力的調(diào)節(jié)，能夠支持衛(wèi)星無(wú)拖曳飛行，從而滿足重力測(cè)量等特殊應(yīng)用場(chǎng)景[12-14]。

已經(jīng)過(guò)在軌驗(yàn)證的相對(duì)成熟的離子電推力器和霍爾電推力器比較[15]，離子電推力器工作壽命較長(zhǎng)，比沖較高，但其推功比較?。换魻栯娡屏ζ魍乒Ρ容^大，但壽命較短，比沖較低。兩種推力器各有特點(diǎn)，可適用于不同的任務(wù)需求。所以在明確任務(wù)需求的前提下，綜合權(quán)衡電推進(jìn)系統(tǒng)的“總沖、比沖、推力范圍、功耗、干濕比、推力分辨率、推力調(diào)節(jié)范圍”等參數(shù)，以適應(yīng)衛(wèi)星在“飛行壽命、飛行高度、飛行精度、整星質(zhì)量、整星功耗、整星規(guī)模”等方面的綜合需求。

離子電推力器可以通過(guò)流量、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等參數(shù)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)推力的實(shí)時(shí)連續(xù)調(diào)節(jié)，適用于無(wú)拖曳控制。例如GOCE采用超高精度變推力離子電推進(jìn)(可提供微牛級(jí)推力分辨率精確可調(diào))，實(shí)時(shí)補(bǔ)償衛(wèi)星軌道上地球大氣造成的阻力。既可維持軌道高度，又可將星體的非保守加速度控制在10-12ms-2以下。離子電推進(jìn)根據(jù)重力梯度儀的測(cè)量數(shù)值進(jìn)行反饋控制。如圖14所示，為了提高任務(wù)的可靠性，2臺(tái)氙離子推力器輪換工作，每臺(tái)推力器單次工作時(shí)間不少于8天，離子電推進(jìn)的主要性能特征為比沖高，可達(dá)3000 s以上，推力調(diào)節(jié)范圍1～20 mN，相對(duì)化學(xué)推進(jìn)，可大量減少推進(jìn)劑攜帶量。GOCE采用的離子推力器柵極口徑為10 cm?？紤]了其對(duì)推力器寬推力范圍和長(zhǎng)壽命的要求，對(duì)柵極進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，加速柵選用石墨材料。空心陰極為3 mm鋇鎢陰極，磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)為發(fā)散場(chǎng)[16]。在設(shè)計(jì)中采用了螺線管電磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，使得在整個(gè)要求的推力范圍內(nèi)進(jìn)行有效和準(zhǔn)確的工作參數(shù)調(diào)節(jié)。SLATS也是使用離子推力器，但是推力變化范圍相對(duì)小，為11.5～17 mN。

圖14 GOCE衛(wèi)星的電推進(jìn)系統(tǒng)

從概念上講，吸氣式無(wú)質(zhì)損電推進(jìn)是最適宜超低軌道衛(wèi)星維軌需求，吸氣式電推進(jìn)技術(shù)以太陽(yáng)能電池提供能源，利用超低軌道環(huán)境中稀薄的氮?dú)夂脱鯕庾鳛楣べ|(zhì)來(lái)源，將其進(jìn)行吸入、壓縮、存儲(chǔ)、電離、加速噴出等過(guò)程產(chǎn)生推力[17-18]，作為超低軌道衛(wèi)星軌道維持的動(dòng)力，使衛(wèi)星無(wú)需攜帶工質(zhì)既可在產(chǎn)生推力，是一項(xiàng)極具發(fā)展前景的航天動(dòng)力前沿技術(shù)。

在世界范圍內(nèi)，意大利航天公司SITAEL首次試驗(yàn)驗(yàn)證了其研制的吸氣式電推進(jìn)系統(tǒng)的功能。驗(yàn)證項(xiàng)目主要包括被動(dòng)式氣體收集增壓技術(shù)、氣體收集裝置、電推力器接口技術(shù)和吸氣式雙級(jí)靜電電推力器技術(shù)；氣體收集壓縮比95～140，氣體收集效率0.28～0.32，氣體收集效率比較低，電推力器效率待提高。

我國(guó)開展吸氣式電推進(jìn)技術(shù)研究的研究機(jī)構(gòu)主要有北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所、蘭州空間技術(shù)物理研究所、北京航空航天大學(xué)等。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所吸氣式電推進(jìn)系統(tǒng)采用被動(dòng)氣體收集增壓方式，電推力器采用螺旋波等離子體推力器。蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的吸氣式電推進(jìn)系統(tǒng)中，氣體收集增壓裝置采用主被動(dòng)結(jié)合的氣體收集增壓方式，即采用管道陣列多孔板將收集到的氣體增壓后，進(jìn)一步采用渦輪增壓裝置對(duì)收集的氣體進(jìn)行增壓，這樣可以兼顧氣體收集效率和增壓比兩個(gè)參數(shù)，電推力器采用電子回旋共振(ECR)電推力器方案。北京航空航天大學(xué)利用理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法開展了氣體收集增壓技術(shù)研究。

2.4 軌道控制策略

基于電推進(jìn)的超低軌衛(wèi)星軌道控制策略大體可分為兩類，一類為以GOCE為代表的無(wú)拖曳控制。另一類為以SLATS為代表的高精度維軌控制。

1)無(wú)拖曳控制

以GOCE為例，GOCE無(wú)拖曳與姿態(tài)控制分系統(tǒng)如圖15所示，主要包括無(wú)拖曳控制回路和姿態(tài)控制回路。

圖15 GOCE無(wú)拖曳與姿態(tài)控制分系統(tǒng)框圖

GOCE姿態(tài)控制回路除了采用冷氣推進(jìn)技術(shù)外，還采用了姿態(tài)磁控技術(shù)。無(wú)拖曳控制回路主要包括衛(wèi)星動(dòng)力學(xué)模塊、靜電引力梯度儀(EGG)、離子推力器模塊、離子推力器指令計(jì)算模塊和無(wú)拖曳控制律模塊。無(wú)拖曳控制大回路上的EGG模塊和離子推力器模塊分別是兩個(gè)閉環(huán)子模塊，具有獨(dú)立的控制算法。無(wú)拖曳控制的特點(diǎn)是利用EGG模塊實(shí)時(shí)獲取飛行阻力，并通過(guò)離子推力器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)推力大小補(bǔ)償阻力[19]。

2)高精度維軌控制

與無(wú)拖曳控制相比，高精度維軌控制中不包含靜電引力梯度儀，而是采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)作為軌道測(cè)量傳感器，通過(guò)GNSS獲取軌道參數(shù)，完成軌道預(yù)報(bào)，并通過(guò)比較測(cè)量軌道參數(shù)與參考軌道參數(shù)之間的差異確定衛(wèi)星空間軌跡誤差。進(jìn)一步以空間軌跡誤差數(shù)據(jù)為輸入生成控制策略，并給出離子電推進(jìn)軌道維持控制指令，完成軌道維持控制。最后，衛(wèi)星在各種攝動(dòng)力下運(yùn)動(dòng)，形成閉環(huán)(見圖16)。

圖16 衛(wèi)星高精度維軌控制框圖

2.5 原子氧防護(hù)技術(shù)

超低軌道空間環(huán)境區(qū)別于更高軌道的特點(diǎn)是原子氧濃度高，原子氧(AO)是低地球軌道殘余大氣的主要成分，大約是109～105cm-3個(gè)左右，200 km高度原子氧年平均積分通量是400 km高度的約30倍。由于衛(wèi)星的高速飛行，增大了原子氧對(duì)衛(wèi)星表面材料的撞擊能量及通量密度。將對(duì)衛(wèi)星表面材料產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化剝蝕作用，是衛(wèi)星表面材料退化的主要因素之一[20]，日本SLATS專門攜帶了進(jìn)行原子氧侵蝕試驗(yàn)的裝置，進(jìn)行在軌試驗(yàn)。在超低軌道衛(wèi)星設(shè)計(jì)中應(yīng)特別關(guān)注原子氧防護(hù)問(wèn)題。

3 超低軌衛(wèi)星應(yīng)用前景分析及發(fā)展建議

GOCE和SLATS的成功飛行已證明超低軌長(zhǎng)壽命飛行成為可行，超低軌道衛(wèi)星由于運(yùn)行軌道低，因此在提高對(duì)地觀測(cè)分辨率、地球近地軌道物理場(chǎng)測(cè)量精度和電磁信號(hào)探測(cè)靈敏度方面，相比常規(guī)低軌衛(wèi)星具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

(1)在光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，及早謀劃適應(yīng)快速響應(yīng)任務(wù)需求的小型化高分光學(xué)遙感星座。為了實(shí)現(xiàn)高分辨光學(xué)對(duì)地遙感通常采用增大相機(jī)口徑提高分辨率或橢圓軌道近地點(diǎn)提高分辨率兩種手段。隨著相機(jī)口徑的擴(kuò)大，衛(wèi)星的規(guī)模也相應(yīng)的擴(kuò)大，衛(wèi)星的研制成本也相應(yīng)延長(zhǎng)，如在500 km常規(guī)圓軌道，為實(shí)現(xiàn)0.2米級(jí)高分辨率對(duì)地成像，需要1.2 m大口徑相機(jī)，整星質(zhì)量達(dá)到2～3 t，研制周期長(zhǎng)，研制成本高，而且繼續(xù)提高分辨率對(duì)相機(jī)反射鏡的加工也是極大挑戰(zhàn)。而通過(guò)橢圓軌道實(shí)現(xiàn)近地點(diǎn)的高分成像是一種有效提高分辨率的手段，但是橢圓軌道不能在全軌道面實(shí)現(xiàn)最高分辨率成像，衛(wèi)星應(yīng)用效能受限，典型代表是美軍的KH-12，只有在近地點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)0.1 m分辨率的成像。而超低軌道衛(wèi)星因?yàn)轱w行高度距離地表近，可以用低成本小型化的相機(jī)實(shí)現(xiàn)高分辨率對(duì)地成像。例如250 km軌道與500 km軌道的衛(wèi)星相比，光學(xué)口徑可降低1/2、焦距可降低1/2、相機(jī)體積和質(zhì)量至少可降低到1/4，整星規(guī)?？赏认陆?，相機(jī)的加工難度也可以明顯降低。

(2)在微波與電子監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面，開展適應(yīng)快速響應(yīng)任務(wù)需求的小型化SAR成像衛(wèi)星研究。超低軌道衛(wèi)星因?yàn)轱w行高度距離地表近，可以用低成本小功率的SAR實(shí)現(xiàn)高軌道高功率SAR成像同樣的觀測(cè)效果。SAR發(fā)射功率隨軌道高度的三次方成比例減小。隨著軌道的降低，SAR系統(tǒng)的靈敏度和輻射分辨率有明顯提升，可以發(fā)現(xiàn)弱小目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)背景精細(xì)化識(shí)別。

(3)在地球物理場(chǎng)探測(cè)應(yīng)用方面，盡快跟蹤研制重力場(chǎng)探測(cè)衛(wèi)星。通過(guò)降低軌道高度，衛(wèi)星可獲得地球物理場(chǎng)信號(hào)增強(qiáng)。對(duì)重力場(chǎng)探測(cè)而言，軌道越低衛(wèi)星獲取的重力信號(hào)越強(qiáng)烈，越有利于衛(wèi)星探測(cè)，從而提供高精度和高分辨率的全球重力場(chǎng)和大地水準(zhǔn)面模型。高精度的重力場(chǎng)數(shù)據(jù)和高精度的大地水準(zhǔn)面可支持間接瞄準(zhǔn)武器的高精度瞄準(zhǔn)、遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的高精度命中。

(4)在電離層測(cè)量應(yīng)用，及早謀劃超低軌電離層探測(cè)衛(wèi)星。降低軌道有利于電離層高靈敏電磁探測(cè)，來(lái)自地球的電磁信號(hào)才有足夠的強(qiáng)度被衛(wèi)星觀測(cè)到，在一般的太陽(yáng)活動(dòng)水平下，電離層的最大電子密度層高度是250～350 km，而超低軌衛(wèi)星可以在此軌道長(zhǎng)期穩(wěn)定飛行，可以積累足夠的有效數(shù)據(jù)，支撐地震預(yù)測(cè)等應(yīng)用。

相比常規(guī)低軌衛(wèi)星，超低軌衛(wèi)星在衛(wèi)星大系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面也具有顯著的優(yōu)勢(shì)。由于相同載荷，降低軌道后，可提高成像分辨率和綜合觀測(cè)能力，反之，可以實(shí)現(xiàn)載荷的小型化、輕型化。軌道高度低，所需發(fā)射能量小，在給定的火箭發(fā)射運(yùn)載能力下，入軌質(zhì)量可以更大，有利于實(shí)現(xiàn)“一箭多星”發(fā)射。另一方面，超低軌道也將極大地改善衛(wèi)星與地面通信的鏈路預(yù)算，潛在地允許在大小或復(fù)雜性上減少地面段接收器的大小，以達(dá)到相同的下行速率。這將導(dǎo)致地面部分的構(gòu)建和運(yùn)營(yíng)成本節(jié)省。地面運(yùn)控設(shè)備小型化后，有利于在軌數(shù)據(jù)的靈活接收，提高衛(wèi)星使用靈活度。

超低軌道衛(wèi)星具有廣泛應(yīng)用前景，隨著關(guān)鍵技術(shù)的深入研究，特別是電推進(jìn)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，超低軌衛(wèi)星的發(fā)展逐步從試驗(yàn)驗(yàn)證階段走向?qū)嶋H應(yīng)用階段。鑒于目前的發(fā)展現(xiàn)狀，建議我國(guó)從領(lǐng)域應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展兩個(gè)層面推動(dòng)超低軌衛(wèi)星發(fā)展布局，在領(lǐng)域應(yīng)用上，重點(diǎn)發(fā)展超低軌衛(wèi)星在高分辨率遙感、地球物理場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用，并推動(dòng)超低軌衛(wèi)星在通信、導(dǎo)航、測(cè)繪、空天目標(biāo)監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用，在技術(shù)發(fā)展上，重點(diǎn)開發(fā)基于電推進(jìn)的長(zhǎng)壽命高可靠超低軌衛(wèi)星平臺(tái)，并大力發(fā)展適應(yīng)超低軌衛(wèi)星低阻構(gòu)型的有效載荷，如小型化高分或超高分相機(jī)、低功耗SAR以及用于地球重力場(chǎng)測(cè)量的重力梯度儀等載荷，同時(shí)推動(dòng)吸氣式無(wú)質(zhì)損電推進(jìn)產(chǎn)品的研制，盡快開展超低軌衛(wèi)星的研究，形成我國(guó)超低軌域的占用控制能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)超低軌衛(wèi)星的3個(gè)發(fā)展階段進(jìn)行了綜述，特別介紹了第三個(gè)階段，即基于電推進(jìn)軌道維持的長(zhǎng)壽命超低軌衛(wèi)星，以及GOCE和SLATS的軌道飛行剖面、使命任務(wù)。GOCE和SLATS的成功飛行表明：在超低軌道采用電推進(jìn)進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行已經(jīng)成為可能。通過(guò)對(duì)國(guó)外超低軌衛(wèi)星的研究，歸納并分析了超低軌衛(wèi)星面臨的氣動(dòng)低阻構(gòu)型設(shè)計(jì)、阻力計(jì)算、電推進(jìn)、軌道控制、原子氧防護(hù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，并分析了超低軌衛(wèi)星的應(yīng)用前景，充分利用超低軌道離地表近的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)超低軌衛(wèi)星在光學(xué)、微波等遙感方面的應(yīng)用，促進(jìn)高分辨率成像衛(wèi)星小型化、輕量化發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)超低軌衛(wèi)星在地球物理場(chǎng)探測(cè)、原位測(cè)量等方面的應(yīng)用，形成更加完善的航天裝備圖景。超低軌道作為一個(gè)新的軌域，處于剛剛開發(fā)階段，隨著人們對(duì)超低軌道認(rèn)識(shí)的加深，超低軌道的應(yīng)用將更加廣泛。