超(chao)低軌道(dao)距離地球表面一般(ban)在400 km以下，在該軌道(dao)運(yun)行的衛星(xing)稱為超(chao)低軌衛星(xing)。由于運(yun)行軌道(dao)高度低，超(chao)低軌衛星(xing)常用于軍事偵察以及科學(xue)探測，是最具(ju)威脅(xie)和殺傷力的超(chao)級(ji)“間諜”，與一般(ban)航天器(qi)相比，超(chao)低軌衛星(xing)成像質量高、探測數(shu)據精確(que)，是美國、俄羅斯(si)等航天大國關(guan)注的焦(jiao)點。

本文(wen)重點關注超低軌衛(wei)星(xing)空間環(huan)境(jing)效應(ying)方面(mian)的研究進展，以期對我(wo)國超低軌衛(wei)星(xing)的研制及環(huan)境(jing)適應(ying)性評估提供(gong)參(can)考。

超低軌衛星環境效應研(yan)究

超(chao)低(di)(di)軌空間環(huan)(huan)境效(xiao)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)研究。一方(fang)(fang)面(mian)(mian)，超(chao)低(di)(di)軌道環(huan)(huan)境的(de)(de)(de)特殊勢(shi)必造(zao)成衛星材(cai)料及器件的(de)(de)(de)新(xin)效(xiao)應(ying)(ying)，在衛星總體設計時需考慮到(dao)新(xin)的(de)(de)(de)環(huan)(huan)境效(xiao)應(ying)(ying)的(de)(de)(de)種類及影(ying)響(xiang)程度，必須(xu)通過(guo)地面(mian)(mian)試(shi)驗或空間搭載試(shi)驗對材(cai)料及器件的(de)(de)(de)超(chao)低(di)(di)軌環(huan)(huan)境效(xiao)應(ying)(ying)適應(ying)(ying)性進行驗證。另一方(fang)(fang)面(mian)(mian)，目前，我國還沒(mei)有超(chao)低(di)(di)軌環(huan)(huan)境的(de)(de)(de)實測數(shu)據(ju)，借(jie)助于(yu)超(chao)低(di)(di)軌衛星可以開展相關(guan)環(huan)(huan)境探測工作，為環(huan)(huan)境模型建(jian)立積累數(shu)據(ju)。

1、超低軌(gui)環境

眾所周知，低(di)地球軌道(dao)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)主(zhu)要(yao)成分(fen)是原(yuan)子(zi)氧(yang)，占地軌道(dao)氣(qi)(qi)(qi)體(ti)總數的(de)80%以上，而(er)超低(di)軌氣(qi)(qi)(qi)體(ti)環境與低(di)軌有(you)很(hen)大不同(tong)，其(qi)(qi)成分(fen)主(zhu)要(yao)是分(fen)子(zi)氮(dan)(dan)（N）和(he)原(yuan)子(zi)氧(yang)（O）。表1給(gei)出了不同(tong)軌道(dao)高度(du)(du)下大氣(qi)(qi)(qi)組分(fen)密度(du)(du)的(de)變化(hua)，從表中明顯看出，在(zai)(zai)(zai)400 km軌道(dao)，原(yuan)子(zi)氧(yang)（O）的(de)密度(du)(du)為1.0E＋8 cm-3，比分(fen)子(zi)氮(dan)(dan)（N）密度(du)(du)高兩個數量(liang)級4.99E＋6 cm-3；而(er)在(zai)(zai)(zai)00 km軌道(dao)，原(yuan)子(zi)氧(yang)（O）的(de)密度(du)(du)為4.E＋9 cm-3，分(fen)子(zi)氮(dan)(dan)（N）密度(du)(du)與其(qi)(qi)在(zai)(zai)(zai)同(tong)一數量(liang)級3.05E＋9 cm-3。

2、空間搭載試驗

日本(ben)計劃在(zai)SLATS衛星上(shang)搭載(zai)環境效應探(tan)測器，進行(xing)(xing)空間(jian)環境的監測及材料(liao)暴(bao)露(lu)試驗，這是首次(ci)在(zai)50 km軌道上(shang)開展材料(liao)暴(bao)露(lu)試驗。該暴(bao)露(lu)試驗通過兩(liang)個(ge)搭載(zai)模(mo)塊實施，分別為(wei)MDM-S和MDM-C（MDM為(wei)MateriasDegradation Monitor的縮寫），其(qi)中MDM-S是一個(ge)包含(han)9種材料(liao)被動暴(bao)露(lu)試驗的樣品盒(he)，而MDM-C是CCD，用于對暴(bao)露(lu)試驗中樣品的退化情況進行(xing)(xing)拍照。

表1不同軌(gui)道高(gao)度下大氣組分密度（MSISE-90計算(suan)）

2.1原子氧(yang)通量探測器

通過AOFS（Atomic Oxygen Fluence Sensor）監測原子氧通量。AOFS由8個覆蓋有聚酰亞胺薄膜的熱電石英晶體微量天平TQCMs(Thermoelectric Quartz Crystal Microbalances)組成。TQCMs熱電石英晶體微(wei)量(liang)天平(ping)安裝在SLATS結構(gou)外(wai)部，通(tong)(tong)過測試(shi)聚酰亞(ya)胺薄膜的(de)質量(liang)損失(shi)計算原子氧通(tong)(tong)量(liang)。

2.2.材(cai)料(liao)降解監視器(qi)

材(cai)料(liao)降解(jie)監視(shi)器（MDM，Material Degradation Monitor）由材(cai)料(liao)樣品及(ji)光學相機(ji)組成(cheng)，其(qi)中材(cai)料(liao)樣品包括(kuo)常規衛(wei)星外部材(cai)料(liao)及(ji)未(wei)來(lai)抗原子(zi)氧新型材(cai)料(liao)組成(cheng)。監視(shi)器定位在SLATS飛行方向(xiang)上(shang)的底面，光學相機(ji)用于對樣品進行拍(pai)照。

SLATS衛(wei)星(xing)的軌(gui)道(dao)任務如下：

1）68～430 km變軌（時(shi)間較短）；

圖1 SLATS衛星探測載荷位置

圖1 MDM-S和MDM-C結構圖

）430～50 km緩慢變軌（450天）；

3）50～0 km變軌（速度約(yue)10 km/周）；

4）0 km運(yun)行50天；

5）0～180 km變軌（速度約(yue)10 km/周）。

根據上述輸入，采用MSISE 90模型計算了O與N的積(ji)分通量，478天任(ren)(ren)務時(shi)，原子(zi)氧積(ji)分通量為1.3E＋/cm；348天任(ren)(ren)務時(shi)，N的積(ji)分通量為8.9E＋0/cm。依據MISSE-中FEP原子(zi)氧侵蝕率(lv)的結果可以推算超(chao)低軌N對FEP的侵蝕率(lv)為.8E-4 cm3/atom，大于O對FEP的侵蝕率(lv)為1.9E-5 cm3/atom。

3、地(di)面(mian)模擬(ni)試驗

超低軌空間環(huan)境(jing)主要是(shi)(shi)中性(xing)大氣環(huan)境(jing)，主要成分是(shi)(shi)分子(zi)氮(dan)（N）和原(yuan)子(zi)氧(yang)（O）。目前，關于原(yuan)子(zi)氧(yang)地面模(mo)擬試驗方面的研究較(jiao)多，而分子(zi)氮(dan)及其它環(huan)境(jing)效應方面的研究較(jiao)少(shao)。

3.1原子氧效(xiao)應

原(yuan)子(zi)氧(yang)(yang)是(shi)00～700 km的(de)(de)軌道大(da)氣的(de)(de)主要(yao)(yao)成(cheng)分，原(yuan)子(zi)氧(yang)(yang)不僅具(ju)有很強(qiang)的(de)(de)氧(yang)(yang)化性(xing)，而(er)且當航(hang)天(tian)(tian)器以7～8 km/s的(de)(de)速度(du)在軌運行時，原(yuan)子(zi)氧(yang)(yang)相對于(yu)航(hang)天(tian)(tian)器具(ju)有4～5 eV的(de)(de)平均動(dong)能，因此當原(yuan)子(zi)氧(yang)(yang)撞擊到航(hang)天(tian)(tian)器外表面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)時，會(hui)(hui)造(zao)成(cheng)表面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)材料(liao)的(de)(de)質量和厚度(du)損失(shi)、表面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)形貌(mao)的(de)(de)變化，力學、熱(re)(re)光學性(xing)能也(ye)會(hui)(hui)受到不同程度(du)的(de)(de)影(ying)響(xiang)。此外原(yuan)子(zi)氧(yang)(yang)剝蝕產物還會(hui)(hui)對光學器件、熱(re)(re)控涂層、太陽電池陣等部件表面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)帶來污染，這些都會(hui)(hui)影(ying)響(xiang)到航(hang)天(tian)(tian)器的(de)(de)正常運行并(bing)縮短其使用壽命(ming)。美(mei)國(guo)、俄羅(luo)斯、歐(ou)空局、加拿大(da)、日本等國(guo)家建立了(le)多個地面(mian)(mian)(mian)(mian)(mian)模擬(ni)試驗(yan)設備，并(bing)對大(da)量空間材料(liao)開展了(le)原(yuan)子(zi)氧(yang)(yang)效應(ying)試驗(yan)研究，獲取的(de)(de)豐富的(de)(de)原(yuan)子(zi)氧(yang)(yang)效應(ying)數(shu)據，為國(guo)外航(hang)天(tian)(tian)器的(de)(de)研制做出了(le)重(zhong)要(yao)(yao)的(de)(de)貢獻[,3]。

3.2分(fen)子氮效應

為(wei)(wei)研(yan)(yan)究分子氮（N）對(dui)(dui)超(chao)低(di)軌(gui)衛星表(biao)面材(cai)(cai)料(liao)(liao)及組(zu)件性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響，必須借助地面模擬試驗(yan)系統，日(ri)本及美國的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究者均利用(yong)激光解離原(yuan)理(li)建立了分子氮氣體(ti)撞(zhuang)擊地面模擬設(she)備[4,5]。同(tong)時由于(yu)分子氮和(he)惰性(xing)氣體(ti)與材(cai)(cai)料(liao)(liao)表(biao)面的(de)(de)(de)(de)作用(yong)均以物理(li)濺射為(wei)(wei)主(zhu)，因此(ci)，國外學者主(zhu)要關注惰性(xing)氣體(ti)對(dui)(dui)材(cai)(cai)料(liao)(liao)性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響。日(ri)本的(de)(de)(de)(de)M.Tagawa利用(yong)激光解離設(she)備研(yan)(yan)究了Ar對(dui)(dui)材(cai)(cai)料(liao)(liao)性(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響，研(yan)(yan)究對(dui)(dui)象(xiang)為(wei)(wei)聚酰亞胺(an)薄膜(mo)和(he)氟化(hua)(hua)聚合物薄膜(mo)，材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)質量(liang)損失由石英晶體(ti)微量(liang)天平原(yuan)位測量(liang)。研(yan)(yan)究結果表(biao)明，Ar中性(xing)束的(de)(de)(de)(de)撞(zhuang)擊對(dui)(dui)聚酰亞胺(an)薄膜(mo)質量(liang)的(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響不(bu)大，而(er)對(dui)(dui)氟化(hua)(hua)聚合物薄膜(mo)的(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響較大，由于(yu)Ar的(de)(de)(de)(de)撞(zhuang)擊能(neng)(neng)低(di)于(yu)超(chao)低(di)軌(gui)道中N的(de)(de)(de)(de)撞(zhuang)擊能(neng)(neng)，因此(ci)筆者認為(wei)(wei)N的(de)(de)(de)(de)撞(zhuang)擊會(hui)導(dao)致(zhi)超(chao)低(di)軌(gui)衛星表(biao)面氟化(hua)(hua)聚合物薄膜(mo)的(de)(de)(de)(de)嚴(yan)重侵蝕[6]。

3.3激波等離子體效應

當(dang)飛行(xing)器高速運行(xing)時(shi)，一般速度達到5～16 Ma之間(jian)，與大(da)氣(qi)強烈作用，在頭部形(xing)成(cheng)弓形(xing)脫體(ti)(ti)(ti)激波(bo)，波(bo)后氣(qi)體(ti)(ti)(ti)壓強、溫度急劇(ju)升高，使(shi)大(da)氣(qi)解離、電離，在飛行(xing)器周(zhou)圍形(xing)成(cheng)等(deng)離子(zi)體(ti)(ti)(ti)包覆流(liu)場，稱為(wei)激波(bo)等(deng)離子(zi)體(ti)(ti)(ti)。等(deng)離子(zi)體(ti)(ti)(ti)會和大(da)氣(qi)中(zhong)的N、O共同作用，對(dui)飛行(xing)器表面(mian)(mian)材料產(chan)生(sheng)影(ying)響。同時(shi)，等(deng)離子(zi)體(ti)(ti)(ti)的產(chan)生(sheng)還會附帶輝光效應，降低航(hang)天器上光學設備的觀測能力。目前，超(chao)低軌激波(bo)等(deng)離子(zi)體(ti)(ti)(ti)及其附帶環境影(ying)響較(jiao)(jiao)為(wei)復(fu)雜，國內外在這方面(mian)(mian)研究(jiu)較(jiao)(jiao)少，亟(ji)需開展系統深入研究(jiu)。

結論

1）超低軌衛(wei)星(xing)由于其(qi)在偵察方面的優(you)勢(shi)，在軍事(shi)及科學領域(yu)應用前景(jing)廣闊，美國、俄羅斯、日(ri)本等國先后均研制了超低軌衛(wei)星(xing)。

）超低(di)軌(gui)(gui)衛星(xing)(xing)的空間環境效(xiao)應方(fang)面國外主要關注(zhu)的焦點在于原子(zi)氧(yang)（O）與分子(zi)氮（N）的影(ying)響。日本通過SLATS衛星(xing)(xing)已經開始超低(di)軌(gui)(gui)環境效(xiao)應搭載試(shi)驗研究(jiu)。我國超低(di)軌(gui)(gui)衛星(xing)(xing)的空間環境防護設(she)計也需(xu)關注(zhu)原子(zi)氧(yang)（O）與分子(zi)氮（N）的效(xiao)應。

3）對(dui)于(yu)超低(di)軌(gui)衛星來說，激波等離子(zi)體(ti)環境也是由于(yu)稠密大氣誘發(fa)的一種(zhong)次生(sheng)環境，激波等離子(zi)體(ti)和原子(zi)氧（O）、分子(zi)氮(dan)（N）的共同作用(yong)會對(dui)超低(di)軌(gui)衛星外露材料及組件產生(sheng)更(geng)加復雜的影響，需(xu)要進一步深入(ru)研究。