柔性氣阻球帆主動(dòng)離軌裝置及其在軌飛行驗(yàn)證

曹生珠，王虎，張凱鋒*，張曉敏，李學(xué)磊，邢振華，李林，吳敢，周超，李坤，王健

(1.真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000； 2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

1 引言

空間碎片是人類在太空活動(dòng)中產(chǎn)生的廢棄物及其衍生物，主要包括廢棄航天器、運(yùn)載火箭上面級(jí)、執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的拋棄物、火箭爆炸物、空間飛行器解體及碎片之間相互碰撞產(chǎn)生的碎片等[1]。截至2019年，發(fā)射入軌的航天器已近萬(wàn)顆，其中約90%分布在近地軌道(LEO)[2]。隨著美國(guó)“星鏈”等近地軌道巨型星座的部署，近地軌道航天器數(shù)量將急劇增加，這意味著即使沒(méi)有更多的衛(wèi)星進(jìn)入近地軌道，空間碎片數(shù)量也將持續(xù)上升，從而引發(fā)凱斯勒綜合癥[3]的出現(xiàn)，對(duì)在軌衛(wèi)星運(yùn)行安全造成嚴(yán)重威脅。由于空間碎片自然衰減離軌過(guò)程周期很長(zhǎng)，為了維持一個(gè)可持續(xù)、安全的軌道環(huán)境，采取主動(dòng)離軌裝置在衛(wèi)星壽命末期控制其主動(dòng)離軌來(lái)減緩空間碎片的增長(zhǎng)迫在眉睫。

目前，主動(dòng)離軌裝置主要有姿軌控系統(tǒng)主動(dòng)控制離軌、氣阻離軌[4-9]和電動(dòng)力繩離軌[10-14]三種。其中，氣阻離軌主要采用在軌展開(kāi)薄膜結(jié)構(gòu)以增大氣阻截面，從而利用大氣阻力實(shí)現(xiàn)主動(dòng)離軌。氣阻離軌根據(jù)帆面形狀主要分為平面帆和球帆兩種類型。柔性氣阻球帆是一種以柔性球狀薄膜結(jié)構(gòu)為主體，利用其可收展、質(zhì)量輕、收納比高等優(yōu)點(diǎn)，在軌展開(kāi)后形成具有較大截面積的球帆，通過(guò)與低軌大氣作用獲得阻力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)低軌微納衛(wèi)星快速離軌的功能，在碎片清除領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 柔性氣阻球帆方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

柔性氣阻球帆采用Kapton薄膜作為主體結(jié)構(gòu)，采用分片拼接的方式形成球形結(jié)構(gòu)。柔性薄膜球體表面集成柔性太陽(yáng)電池，采用電加熱碳酸氫鈉產(chǎn)生氣體實(shí)現(xiàn)球帆充氣展開(kāi)，球帆可使衛(wèi)星在15天內(nèi)離軌。柔性薄膜球帆底部與BP-1b衛(wèi)星結(jié)構(gòu)連接，然后折疊存儲(chǔ)在長(zhǎng)方體收納結(jié)構(gòu)中。收納結(jié)構(gòu)頂部與BP-1b衛(wèi)星結(jié)構(gòu)采用爆炸螺栓和分離彈簧連接，收納結(jié)構(gòu)底部與火箭接口連接。當(dāng)火箭將BP-1b衛(wèi)星送入預(yù)定軌道后，地面控制中心發(fā)送指令控制爆炸螺栓起爆，使衛(wèi)星在分離彈簧的作用下脫離火箭進(jìn)入軌道，衛(wèi)星分離過(guò)程中帶動(dòng)折疊收納在收納盒中的球帆釋放，然后衛(wèi)星控制系統(tǒng)啟動(dòng)加熱器加熱產(chǎn)氣，球帆逐漸展開(kāi)，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定值后，控制系統(tǒng)關(guān)閉加熱器，球帆完全展開(kāi)，如圖1所示。通過(guò)展開(kāi)后太陽(yáng)電池片的電流監(jiān)控和軌道監(jiān)測(cè)，確定球帆的展開(kāi)狀態(tài)和離軌性能。

圖1 BP-1b衛(wèi)星球帆展開(kāi)狀態(tài)效果圖Fig.1 Rendering of the unfolding state of the BP-1b satellite sail

2.2 離軌任務(wù)設(shè)計(jì)

柔性氣阻球帆離軌目標(biāo)為BP-1b衛(wèi)星。衛(wèi)星外包絡(luò)尺寸(不含天線)為263mm×140mm×243.5mm，軌道高度300 km，重量3.2kg。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，初步設(shè)計(jì)的球帆直徑0.5m，重量0.76kg。建立了軌道受力模型用于計(jì)算衛(wèi)星軌道壽命，BP-1b衛(wèi)星受力分析和軌道三維仿真模型模型如圖1所示，其中，F(xiàn)1為衛(wèi)星繞地球軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的慣性力，F(xiàn)2為衛(wèi)星受到的地球向心力，F(xiàn)3為衛(wèi)星受到軌道大氣產(chǎn)生的阻力，衛(wèi)星軌道受三個(gè)合力的作用，離軌的關(guān)鍵因素是F3，如圖2所示。

圖2 BP-1b衛(wèi)星受力分析和軌道三維仿真模型Fig.2 Force analysis and orbital 3D simulation model of BP-1b satellite

BP-1b衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間為2019年7月25日13 ∶00，軌道高度300km，軌道傾角為42.7°，重量4kg，離軌過(guò)程仿真分析參數(shù)設(shè)置如表1所示。太陽(yáng)輻射反射系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式選擇1.0，大氣密度模型選擇精度最高的NRLMSISE2000，阻力系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)選擇2.2，太陽(yáng)輻射通量模型選擇SolFlx_Schatten.dat，離軌高度選擇系統(tǒng)默認(rèn)的65km，即表示該高度下衛(wèi)星進(jìn)入軌道壽命末期。BP-1b衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 離軌過(guò)程仿真分析參數(shù)設(shè)置Table 1 De-orbit process simulation analysis parameter setting

表2 BP-1b衛(wèi)星參數(shù)Table 2 BP-1b satellite parameters

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，如果不增加阻力帆，BP-1b衛(wèi)星軌道壽命為546個(gè)軌道周期，在軌飛行33天后于2019年8月27日22 ∶59進(jìn)入大氣層。增加阻力離軌帆后由于氣阻截面大幅增加，BP-1b衛(wèi)星的軌道壽命為12天，滿足不長(zhǎng)于15天的離軌周期技術(shù)要求。飛行197個(gè)周期后，于2019年8月6日05 ∶42 ∶58墜入大氣層，如圖3所示。

圖3 BP-1b衛(wèi)星軌道壽命計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation results of BP-1b satellite orbit life

根據(jù)上述仿真分析，采用0.5m執(zhí)行的柔性氣阻球帆后，可將衛(wèi)星在軌運(yùn)行壽命從33天降低到12天，縮短近1/3，實(shí)現(xiàn)自主加速離軌。

2.3 柔性氣阻球帆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

柔性氣阻球帆展開(kāi)后的直徑為0.5m，體積為0.0654m3，收納狀態(tài)下尺寸為230mm×200mm×120mm。球帆采用25μm厚聚酰亞胺薄膜材料拼接制成，包括20片六邊形和12片五邊形(如圖4)。聚酰亞胺薄膜表面鍍鋁膜提高反射率；利用具有良好空間環(huán)境適應(yīng)性的專用膠進(jìn)行拼接。充氣展開(kāi)后尺寸誤差不大于5%。針對(duì)柔性氣阻球帆展開(kāi)方式，系統(tǒng)研究了利用殘余氣體、電加熱產(chǎn)氣、攜帶氣瓶等多種措施的可行性，考慮到成本、可靠性、體積、重量等資源需求等多種因素，最終選擇了采用電加熱碳酸氫鈉產(chǎn)生氣體實(shí)現(xiàn)充氣展開(kāi)。理論研究結(jié)果表明，要滿足直徑0.5m球帆的展開(kāi)需求，碳酸氫鈉的質(zhì)量需不小于300g。

圖4 柔性阻力球帆設(shè)計(jì)模型Fig.4 Design model of membrane spherical sail

3 阻力球帆制造

球帆采用大面積激光加工系統(tǒng)裁剪Kapton薄膜，然后采用足球狀拼接方式將薄膜平面拼接為球面。為保證拼接質(zhì)量及精度，設(shè)計(jì)了專用工裝。球帆表面集成了柔性太陽(yáng)電池片，通過(guò)遙測(cè)太陽(yáng)電池片電流間接驗(yàn)證展開(kāi)狀態(tài)。研制的球帆產(chǎn)品如圖5所示。

圖5 研制的球帆產(chǎn)品Fig.5 The developed spherical sail

球帆薄膜結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星間采用耐空間環(huán)境用粘接劑固定后，整體折疊存儲(chǔ)于星箭分離接口結(jié)構(gòu)內(nèi)部空腔中，采用爆炸螺栓和預(yù)緊彈簧組合的連接與釋放結(jié)構(gòu)連接。

星箭分離過(guò)程中，衛(wèi)星將球帆薄膜從星箭分離接口結(jié)構(gòu)中拉出，使得球帆薄膜除與衛(wèi)星連接部分外，其它部位均處于無(wú)約束狀態(tài)。接到地面展開(kāi)指令后，衛(wèi)星給加熱器加電，碳酸氫鈉被加熱后釋放出氣體，隨著氣壓的不斷升高，原本處于折疊狀態(tài)的球帆逐漸展開(kāi)。

4 地面環(huán)境模擬試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 熱真空環(huán)境展開(kāi)試驗(yàn)

在真空室中，真空度優(yōu)于6.65×10-3Pa，低溫端-25℃，高溫端60℃，溫度保持時(shí)間1h，變溫速率1℃/min，3.5次高低溫循環(huán)后，開(kāi)始充氣展開(kāi)試驗(yàn)，加熱電壓8V，加熱電流300mA。測(cè)試結(jié)果表明，啟動(dòng)加熱器370s后，內(nèi)部氣壓約500Pa時(shí)球體即可完全展開(kāi)，滿足展開(kāi)直徑誤差不大于5%的要求，如圖6所示。

圖6 球帆熱真空環(huán)境試驗(yàn)及展開(kāi)過(guò)程Fig.6 Thermal vacuum environment test and deployment process of membrane spherical sail

4.2 力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)

力學(xué)試驗(yàn)主要包括低頻正弦、高頻隨機(jī)振動(dòng)和沖擊，其中，低頻正弦5-10Hz、振幅3mm，高頻隨機(jī)振動(dòng)頻率范圍為20～150Hz、150～800Hz、800～2000Hz，對(duì)應(yīng)的功率譜密度分別為3dB/oct g2/Hz、0.08 g2/Hz、-6dB/oct g2/Hz；沖擊試驗(yàn)響應(yīng)譜為6000g。力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)后衛(wèi)星模擬件經(jīng)拆解結(jié)構(gòu)完好，固定結(jié)構(gòu)解鎖等測(cè)試均滿足設(shè)計(jì)要求。

5.在軌飛行試驗(yàn)驗(yàn)證

柔性球航天器于2019年7月25日13 ∶00，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射入軌。柔性球航天器在入軌運(yùn)行2個(gè)周期后，在地面遙測(cè)指令下開(kāi)始球帆展開(kāi)，通過(guò)返回的集成在柔性球帆上的太陽(yáng)電池信號(hào)可表明球帆已經(jīng)展開(kāi)。

根據(jù)BP-1B衛(wèi)星測(cè)試軌道數(shù)據(jù)，如圖7所示，BP-1B衛(wèi)星在軌飛行12天、205個(gè)周期后，于2019年8月6日18 ∶00-20 ∶00墜入大氣層。

圖7 BP-1b衛(wèi)星軌道變化過(guò)程圖Fig.7 Diagram of BP-1b satellite orbit change process

6 結(jié)論

基于氣阻球帆的主動(dòng)離軌技術(shù)是目前最適合于低軌微納衛(wèi)星的主動(dòng)離軌技術(shù)之一。本文針對(duì)BP-1b微納衛(wèi)星主動(dòng)離軌需求，開(kāi)展了主動(dòng)離軌裝置的設(shè)計(jì)、制造、集成、地面試驗(yàn)和在軌飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，成功實(shí)現(xiàn)了氣阻球帆離軌裝置的研制和演示驗(yàn)證，為我國(guó)后續(xù)低軌微納衛(wèi)星壽命末期主動(dòng)離軌奠定了技術(shù)和產(chǎn)品基礎(chǔ)。后續(xù)將進(jìn)一步開(kāi)展離軌裝置的模塊化、單元化和輕小型化研究，持續(xù)提高集成度和技術(shù)成熟度，推動(dòng)我國(guó)氣阻球帆離軌裝置的工程化應(yīng)用。