低軌遙感衛(wèi)星平臺(tái)長(zhǎng)壽命制約因素研究

李 潭，沈 娟，陳塞崎，唐夢(mèng)輝

(1.中國(guó)航天科技集團(tuán)公司，北京100048;2.北京控制工程研究所，北京100080;3.國(guó)家航天局對(duì)地觀測(cè)工程中心，北京10000)

一、前 言

制約我國(guó)低軌遙感衛(wèi)星壽命的主要因素包括平臺(tái)和有效載荷兩個(gè)部分，其中衛(wèi)星平臺(tái)產(chǎn)品化水平高，可以重點(diǎn)突破以提高系統(tǒng)。本文將重點(diǎn)分析我國(guó)遙感衛(wèi)星平臺(tái)系統(tǒng)、關(guān)鍵單機(jī)、核心基礎(chǔ)建設(shè)等方面，全面梳理遙感衛(wèi)星在壽命可靠性方面的薄弱環(huán)節(jié)，重點(diǎn)開(kāi)展系統(tǒng)級(jí)延壽與可靠性增長(zhǎng)、長(zhǎng)壽命短板的核心產(chǎn)品的延壽、關(guān)鍵產(chǎn)品的成熟度提升、衛(wèi)星全生命周期運(yùn)行管理、核心基礎(chǔ)能力建設(shè)等工作，全面提升遙感衛(wèi)星壽命和可靠性，以及長(zhǎng)壽命高可靠研制能力。

二、國(guó)內(nèi)外低軌遙感衛(wèi)星壽命現(xiàn)狀

國(guó)外遙感衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命經(jīng)歷了從3～5年，再到當(dāng)前的7～8年的發(fā)展歷程(見(jiàn)表1)。

對(duì)于低軌光學(xué)成像衛(wèi)星，美國(guó)當(dāng)前商業(yè)光學(xué)遙感衛(wèi)星主要包括:Ball Aerospace＆Technologies公司開(kāi)發(fā)的BCP平臺(tái)，設(shè)計(jì)壽命7年，如WorldView系列衛(wèi)星、QuickBird-2等;美國(guó)軌道成像公司的通用中小型衛(wèi)星平臺(tái)LEOStar，如Obview系列和Geo Eye系列衛(wèi)星;洛馬公司研制的Landsat-7設(shè)計(jì)壽命7年，開(kāi)發(fā)的小衛(wèi)星平臺(tái)LM-900設(shè)計(jì)壽命7年。法國(guó)低軌光學(xué)遙感衛(wèi)星主要采用MK系列平臺(tái)，設(shè)計(jì)壽命5年。法國(guó)CNES最新開(kāi)發(fā)的敏捷型遙感衛(wèi)星Pleiades設(shè)計(jì)壽命5年。英國(guó)Surrey大學(xué)的遙感衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命7年。印度2010年發(fā)射的Cartosat-2B衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命5年。日本2006年發(fā)射的ALOS-1衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命3～5年。以色列2006年發(fā)射的EROS-2B設(shè)計(jì)壽命6年。

表1 2000年以來(lái)各國(guó)遙感衛(wèi)星平均設(shè)計(jì)壽命統(tǒng)計(jì)表 a

對(duì)于低軌高光譜衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命均不超過(guò)5年，如德國(guó)的高光譜衛(wèi)星ENMAP設(shè)計(jì)壽命5年，美國(guó)下一代陸地探測(cè)衛(wèi)星LDCM設(shè)計(jì)壽命3年，美國(guó)用于全球二氧化碳精細(xì)監(jiān)測(cè)的OCO衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命3年，日本用于監(jiān)測(cè)大氣中溫室氣體含量的GOSAT衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命5年，加拿大用于監(jiān)測(cè)大氣臭氧層的SCISAT衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命5年。

對(duì)于低軌SAR成像衛(wèi)星，如美國(guó)2005年發(fā)射的Lacrosse5、意大利2007年發(fā)射的Cosmo-Skymed、以色列2008年發(fā)射的TecSAR、加拿大2007年發(fā)射的RadarSAT系列等，設(shè)計(jì)壽命均為5年，只有德國(guó)2006—2008年間發(fā)射的SAR-lupe系列衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命10年。

目前遙感衛(wèi)星在軌實(shí)際運(yùn)行壽命大多為7～8年，部分衛(wèi)星壽命超過(guò)了10年。法國(guó)1998年發(fā)射的SPOT 4衛(wèi)星和美國(guó)1999年發(fā)射的IKONOS-2衛(wèi)星，實(shí)際壽命均超過(guò)了10年，且仍在軌運(yùn)行。美國(guó)2001年發(fā)射的QuickBird-2衛(wèi)星在軌運(yùn)行超過(guò)10年，也仍在運(yùn)行。實(shí)際壽命最長(zhǎng)的是Landsat-5，自1984年發(fā)射以來(lái)，已在軌工作超過(guò)29年，直至2013年1月實(shí)施離軌操作。

與國(guó)外先進(jìn)遙感衛(wèi)星相比，國(guó)內(nèi)遙感衛(wèi)星在壽命和可靠性方面存在明顯的差距和不足［1］。目前國(guó)內(nèi)遙感衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命3～5年，在軌實(shí)際運(yùn)行壽命一般也為3～5年，只有個(gè)別衛(wèi)星超期服役到5年以上。20世紀(jì)90年代發(fā)射的資源一號(hào)衛(wèi)星、風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命均為2年。2000年以后，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命提高到3年，其中采用零動(dòng)量控制方式的衛(wèi)星在軌實(shí)際壽命在3～5年(最長(zhǎng)的資源一號(hào)02星在軌壽命5年2個(gè)月)［2］，采用偏置動(dòng)量控制方式的小衛(wèi)星實(shí)際壽命最長(zhǎng)的超過(guò)了7年。2005年以后，基于“十五”、“十一五”可靠性增長(zhǎng)項(xiàng)目的支持和產(chǎn)品化工程，資源三號(hào)等衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命提高到4年。2010年后，高分重大專項(xiàng)民用部分衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命提高到5～8年。

三、制約我國(guó)衛(wèi)星長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)產(chǎn)品的分類

為了能夠系統(tǒng)地梳理影響我國(guó)低軌遙感衛(wèi)星平臺(tái)壽命的主要制約因素，對(duì)我國(guó)衛(wèi)星平臺(tái)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行了分類，篩選出了影響衛(wèi)星壽命的短板。為了重點(diǎn)解決制約平臺(tái)壽命短板，需重點(diǎn)解決第三、四類共性單機(jī)產(chǎn)品。

1)第一類產(chǎn)品:現(xiàn)有產(chǎn)品，長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，可滿足壽命要求，如數(shù)字太陽(yáng)敏感器、模擬太陽(yáng)敏感器等。

2)第二類產(chǎn)品:采用成熟技術(shù)、工藝設(shè)計(jì)的新研產(chǎn)品，或預(yù)期可達(dá)長(zhǎng)壽命要求的現(xiàn)有產(chǎn)品，可滿足8年壽命要求，如控制計(jì)算機(jī)、直流/直流變換器等。為了適應(yīng)長(zhǎng)壽命要求，這些產(chǎn)品可結(jié)合型號(hào)研制同步通過(guò)適應(yīng)性改進(jìn)，部分產(chǎn)品需要補(bǔ)充鑒定，技術(shù)成熟，可結(jié)合型號(hào)研制同步開(kāi)展。

3)第三類產(chǎn)品:采用新技術(shù)、新工藝的新研產(chǎn)品或壽命設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不全的現(xiàn)有產(chǎn)品，但是長(zhǎng)壽命驗(yàn)證不足，如部分陀螺、大力矩飛輪、APS星敏感器等。為了適應(yīng)長(zhǎng)壽命要求，這些產(chǎn)品可進(jìn)一步投產(chǎn)子樣，進(jìn)行長(zhǎng)壽命試驗(yàn)驗(yàn)證，針對(duì)試驗(yàn)中暴露出的問(wèn)題進(jìn)行再設(shè)計(jì)、再驗(yàn)證，從而達(dá)到長(zhǎng)壽命要求。

4)第四類產(chǎn)品:無(wú)法確認(rèn)是否滿足長(zhǎng)壽命的產(chǎn)品，如紅外地球敏感器、中等/甚高精度星敏、控制力矩陀螺、鋰離子電池等。針對(duì)壽命薄弱環(huán)節(jié)，這些產(chǎn)品需重新設(shè)計(jì)攻關(guān)，進(jìn)行8年壽命試驗(yàn)驗(yàn)證。

四、提升我國(guó)衛(wèi)星產(chǎn)品壽命的建議

通過(guò)上述分析，建議選取以下6種單機(jī)產(chǎn)品重點(diǎn)突破，統(tǒng)籌進(jìn)行長(zhǎng)壽命攻關(guān)和驗(yàn)證，盡快開(kāi)展可靠性增長(zhǎng)工作。

1.太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

目前齒輪減速器和導(dǎo)電環(huán)設(shè)計(jì)壽命較短，地面壽命試驗(yàn)證明齒輪減速器和導(dǎo)電環(huán)磨損嚴(yán)重，組件材料和潤(rùn)滑系統(tǒng)壽命不滿足長(zhǎng)壽命要求。因此，需要對(duì)減速器、潤(rùn)滑系統(tǒng)和導(dǎo)電環(huán)重新選擇材料，通過(guò)提高軸承組件的剛度，重新選擇潤(rùn)滑系統(tǒng)材料，攻克減速器和導(dǎo)電環(huán)設(shè)計(jì)技術(shù)難關(guān)，并開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，重點(diǎn)解決齒輪減速器和導(dǎo)電環(huán)材料和潤(rùn)滑不足導(dǎo)致的磨損問(wèn)題。

熱控涂層材料在8年壽命末期性能退化［3］，導(dǎo)致太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)熱控性能下降，降低壽命周期內(nèi)可靠性，需要開(kāi)展壽命試驗(yàn)、熱平衡試驗(yàn)和溫度梯度試驗(yàn)等多子樣多工況的試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)空間環(huán)境試驗(yàn)，進(jìn)一步摸清性能衰減規(guī)律，對(duì)熱控設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修正，重點(diǎn)解決熱控涂層材料性能退化引起的壽命末期轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的熱控性能下降導(dǎo)致的加速磨損問(wèn)題［4］。

2.紅外地球敏感器

根據(jù)目前在軌數(shù)據(jù)，空間紫外輻照累積效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致紅外地球敏感器5年末期光學(xué)系統(tǒng)效率下約降11%，預(yù)計(jì)8年壽命光學(xué)系統(tǒng)效率下降超過(guò)15%。需要開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，使光學(xué)系統(tǒng)效率在8年壽命期間下降幅度小于10%，并進(jìn)行光學(xué)零件紫外輻照試驗(yàn)等專項(xiàng)驗(yàn)證。

受長(zhǎng)期空間環(huán)境影響，轉(zhuǎn)動(dòng)部件潤(rùn)滑系統(tǒng)性能衰退，導(dǎo)致電機(jī)阻力矩平均值增大80%以上，大大增加了在軌堵轉(zhuǎn)概率。需重新研制轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，提高電機(jī)和電路性能，并對(duì)新研制的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置進(jìn)行壽命試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.中等精度和甚高精度星敏感器

目前采用的CCD等關(guān)鍵器件存在性能退化的問(wèn)題，不滿足長(zhǎng)壽命性能指標(biāo)要求，需要通過(guò)CCD器件輻照試驗(yàn)，開(kāi)展新研制產(chǎn)品關(guān)鍵指標(biāo)試驗(yàn)驗(yàn)證，提高CCD及驅(qū)動(dòng)芯片器件等級(jí)等手段，重點(diǎn)解決CCD器件等關(guān)鍵元器件性能衰退引起的精度下降問(wèn)題。

4.控制力矩陀螺

根據(jù)目前陀螺設(shè)計(jì)，高速軸承和潤(rùn)滑系統(tǒng)需要承受超過(guò)10 N·m的陀螺力矩載荷，達(dá)不到長(zhǎng)壽命內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求;同時(shí)，在地面壽命試驗(yàn)中，低速框架用導(dǎo)電環(huán)磨損工況嚴(yán)酷，不能滿足長(zhǎng)壽命要求。高速軸承需要重新選擇材料研制，軸系潤(rùn)滑系統(tǒng)需開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)突破，針對(duì)新材料和技術(shù)攻關(guān)開(kāi)展多子樣的長(zhǎng)期跑合和框架擺動(dòng)試驗(yàn)。

5.鋰離子電池

鋰離子電池在壽命中后期，隨著電池組阻抗的增加，放電電壓降低。通過(guò)在鋰離子充電控制技術(shù)、均衡處理技術(shù)和過(guò)充過(guò)放電保護(hù)技術(shù)等方面開(kāi)展研究，確定鋰離子電池在正常工作模式下的充放電管理策略，提出減少電池離散性的補(bǔ)償方法，以及過(guò)充過(guò)放電的保護(hù)策略。重點(diǎn)解決鋰離子電池在壽命中后期，隨著電池組阻抗的增加，放電電壓降低引起的性能下降問(wèn)題。

6.三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣

通過(guò)改進(jìn)電池片的布片和焊接工藝及相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，重點(diǎn)解決低軌的原子氧環(huán)境稠密、互連片受到原子氧侵蝕，進(jìn)而導(dǎo)致電池?cái)嗦穯?wèn)題。

五、結(jié)束語(yǔ)

提升衛(wèi)星壽命是一項(xiàng)系統(tǒng)工程［4］，在深入研究在軌衛(wèi)星長(zhǎng)期健康運(yùn)行使用的前提下，需要全面提升元器件、部件、單機(jī)和系統(tǒng)的固有可靠性和壽命特性，涉及衛(wèi)星研制中的各個(gè)方面。全部解決這些問(wèn)題需要大量的投入，目前只能按照“分步實(shí)施、重點(diǎn)突破”的原則，以重點(diǎn)解決太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等單機(jī)產(chǎn)品的長(zhǎng)壽命為切入點(diǎn)，突破遙感衛(wèi)星長(zhǎng)壽命高可靠瓶頸技術(shù)，并在今后型號(hào)研制過(guò)程中不斷提升產(chǎn)品可靠性和壽命指標(biāo)，盡快實(shí)現(xiàn)我國(guó)衛(wèi)星平臺(tái)壽命的提升。

［1］譚強(qiáng)，范燕平.我國(guó)衛(wèi)星長(zhǎng)壽命技術(shù)發(fā)展需求及組織與管理探討［J］.航天器工程，2011，20(5):111-115.

［2］劉勝忠.衛(wèi)星飛輪產(chǎn)品長(zhǎng)壽命地面驗(yàn)證與評(píng)估［J］.導(dǎo)航與控制，2012，11(1):15-21.

［3］馬偉，宣益民，韓玉閣，等.長(zhǎng)壽命衛(wèi)星熱控涂層性能退化及其對(duì)衛(wèi)星熱特性的影響［J］.宇航學(xué)報(bào)，2010，31(2):568-572.

［4］楊亦可，陳塞崎，李潭.低軌遙感衛(wèi)星長(zhǎng)壽命研究進(jìn)展［J］.中國(guó)航天，2013(8):26-27.