超低軌道衛(wèi)星軌道維持新思

郭美婧

摘 要：目前，超低軌道衛(wèi)星受到了各航天大國(guó)的高度重視，由于軌道高度低，在進(jìn)行高分辨率對(duì)地觀測(cè)偵察時(shí)，可顯著降低有效載荷的重量和功耗，甚至采用普通觀測(cè)設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)高分辨率觀測(cè)，并且衛(wèi)星研制成本能夠降低到傳統(tǒng)衛(wèi)星的三分之一到五分之一。因此，超低軌道衛(wèi)星的研制，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和工程應(yīng)用價(jià)值。但是由于其軌道高度較低，相比傳統(tǒng)低軌衛(wèi)星受到的氣動(dòng)阻力高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)致超低軌道衛(wèi)星的軌道維持與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比具有顯著的不同之處。如何充分利用超低軌道大氣特點(diǎn)，解決軌道維持維持問(wèn)題，是一個(gè)值得研究的課題。本文主要針對(duì)超低軌道衛(wèi)星所在高度大氣層氣動(dòng)力學(xué)及電離特性進(jìn)行分析，提出了使用加速電場(chǎng)加速大氣離子作為軌道維持推進(jìn)介質(zhì)的新思路。

關(guān)鍵詞：超低軌道衛(wèi)星； 軌道維持； 大氣電離層 ； 加速電場(chǎng)

一 、超低軌道衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)及面臨的難題

超低軌道衛(wèi)星一般指軌道高度處于120～300km之間的衛(wèi)星。由于軌道高度低，能夠快速、頻繁到達(dá)目標(biāo)上空獲取信息，而且由于離地面更近，甚至采用普通觀測(cè)設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)高分辨率觀測(cè)，同時(shí)衛(wèi)星研制成本能夠降低到傳統(tǒng)衛(wèi)星的三分之一到五分之一，發(fā)射成本也顯著降低。因此，超低軌道衛(wèi)星的研制具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和工程應(yīng)用價(jià)值。

但是，由于高度在300km以下的外層空間屬于熱層與外層大氣的范圍，相比傳統(tǒng)低軌衛(wèi)星，超低軌道衛(wèi)星受到的氣動(dòng)力阻力要高出幾個(gè)到幾十個(gè)數(shù)量級(jí)，如果按照傳統(tǒng)衛(wèi)星的軌道控制方式，利用噴氣裝置作為動(dòng)力，則會(huì)由于頻繁噴射消耗大量能源和燃料，迅速縮短衛(wèi)星使用壽命，而正在研制中的等離子推進(jìn)器，其推力僅有幾個(gè)mN，遠(yuǎn)不能提供足夠的推力。所以必須尋找一種新的途徑來(lái)解決超低軌道衛(wèi)星軌道維持的問(wèn)題。

二 、超低軌道所處大氣層特點(diǎn)

習(xí)慣上，將衛(wèi)星按軌道高度分為高軌、中軌、和低軌衛(wèi)星，其中，低軌道衛(wèi)星主要指運(yùn)行在100～1000km高度的衛(wèi)星，目前工程上實(shí)用的甚低地球軌道高度約為200～400km。本文討論的超低軌道衛(wèi)星主要運(yùn)行高度在100～200km。在這個(gè)高度上，大氣密度可達(dá)到106 ～109kg/m3量級(jí)，作用在衛(wèi)星上的氣動(dòng)力能夠達(dá)到幾十到幾百mN，對(duì)衛(wèi)星軌道衰減影響十分巨大。

另外，該軌道高度正處于地球大氣電離層的范圍，其中F1層高度一般在140～200公里之間，電子密度為1010～1011/m3（圖1）。是被大氣強(qiáng)烈吸收的那部分遠(yuǎn)紫外輻射所產(chǎn)生的。這些輻射產(chǎn)生離子O2+、N2+、O+、H2+和N+。由于隨后的一系列反應(yīng)，最終產(chǎn)物以NO+和O+為主。隨著高度上升，主要離子成分由分子逐漸過(guò)渡為原子離子。負(fù)離子和雙電荷正離子很少，正離子密度與電子密度相等。

三、超低軌道衛(wèi)星軌道維持方案新思路

設(shè)想推進(jìn)器結(jié)構(gòu)如圖2、圖3。衛(wèi)星以每秒約7.8Km的速度運(yùn)行在超低軌道上，稀薄大氣以相對(duì)衛(wèi)星每秒7.8Km的速度通過(guò)衛(wèi)星后部的網(wǎng)格柵正極板沖入加速電場(chǎng)，其中的正離子如NO+和O+進(jìn)入電場(chǎng)被加速后以更高的速度向后拋出，對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生反作用的推力。而負(fù)離子主要是電子，和衛(wèi)星的相對(duì)動(dòng)能比正離子低得多（具有1ev動(dòng)能的電子，速度大約每秒600Km），其中一部分被帶正電的衛(wèi)星表面俘獲，剩余的進(jìn)入電場(chǎng)后，由于初始速度低而電場(chǎng)強(qiáng)度是如此之大，以至于電子沖入電場(chǎng)不深就被彈出，可以看做是完全彈性碰撞，電子獲得的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正離子。由此產(chǎn)生的阻力也遠(yuǎn)低于正離子產(chǎn)生的推力，可以忽略不計(jì)。

根據(jù)電場(chǎng)對(duì)帶電粒子做功公式W=qU=qEd=Fd得出電場(chǎng)中帶電粒子對(duì)電場(chǎng)的反作用力為F推=qE=qU/d。式中q為電場(chǎng)中正離子總電量，與電場(chǎng)的體積以及離子密度相關(guān)，q=Sdρ，式中S為網(wǎng)格柵加速電極板面積，d為正負(fù)電極板間距，ρ為大氣離子密度，則可進(jìn)一步推導(dǎo)出推力公式為F推=SUρ。可以看出推力大小只與三個(gè)因素相關(guān)：推進(jìn)器加速電極面積、加速電壓、稀薄大氣中電子密度。

我們以200km高度軌道為例，該高度電子密度為1011/m3，相當(dāng)于每立方米體積含有電量約為1.602×10-8庫(kù)倫的正離子。然后我們?nèi)‰姌O面積為10m2，加速電壓為5000Kv，則可以推算出推力為800mN，這個(gè)推力足以抵消超低軌道上稀薄大氣對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力。

為解決由于加速電場(chǎng)對(duì)稀薄大氣中等離子體的分離作用導(dǎo)致的次生電場(chǎng)干擾，在加速電場(chǎng)尾部設(shè)置電子發(fā)生器，中和噴出的正離子，同時(shí)使衛(wèi)星本體表面帶正電荷，可以吸附大氣中的電子以及被加速電場(chǎng)反彈回來(lái)的電子，保持衛(wèi)星周圍電場(chǎng)平衡。

超低軌道衛(wèi)星運(yùn)行周期大約為90分鐘。在一個(gè)周期內(nèi)，受地影影響，有大約60分鐘有陽(yáng)光照射，可以直接利用太陽(yáng)能電池的電力為加速電場(chǎng)提供能量，采用間歇推進(jìn)的方案，降低對(duì)衛(wèi)星電源系統(tǒng)的要求。經(jīng)計(jì)算，推進(jìn)器所需功率大約為6Kw左右，太陽(yáng)能電池的功率可以滿足要求。

四、結(jié)語(yǔ)

推進(jìn)劑和燃料消耗是影響衛(wèi)星在軌壽命的主要因素。由于超低軌道衛(wèi)星所在軌道高度含有稀薄大氣并且具有等離子特性，使得超低軌道衛(wèi)星有了利用環(huán)境物質(zhì)作為推進(jìn)介質(zhì)的條件，變超低軌道衛(wèi)星軌道衰減快的劣勢(shì)為優(yōu)勢(shì)，只需要提供推進(jìn)所需的能量，衛(wèi)星就可以長(zhǎng)期在軌飛行，而對(duì)衛(wèi)星而言能量的獲得遠(yuǎn)比推進(jìn)劑和燃料的獲得要容易的多。通過(guò)前面理論論證和模擬計(jì)算，可以看到，采用這種方案，推動(dòng)力完全能夠滿足超低軌道衛(wèi)星軌道維持的要求，因此值得進(jìn)一步深入研究試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]溫生林 閆野 易騰 ——超低軌道衛(wèi)星攝動(dòng)特性分析及軌道維持方法--《國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào)》2015年02期

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