超低軌道距離地球表面一般在400 km以下，在該軌道運行的衛(wèi)星稱為超低軌衛(wèi)星。由于運行軌道高度低，超低軌衛(wèi)星常用于軍事偵察以及科學(xué)探測，是最具威脅和殺傷力的超級“間諜”，與一般航天器相比，超低軌衛(wèi)星成像質(zhì)量高、探測數(shù)據(jù)精確，是美國、俄羅斯等航天大國關(guān)注的焦點。

本文重點關(guān)注超低軌衛(wèi)星空間環(huán)境效應(yīng)方面的研究進(jìn)展，以期對我國超低軌衛(wèi)星的研制及環(huán)境適應(yīng)性評估提供參考。

超低軌衛(wèi)星環(huán)境效應(yīng)研究

超低軌空間環(huán)境效應(yīng)的研究。一方面，超低軌道環(huán)境的特殊勢必造成衛(wèi)星材料及器件的新效應(yīng)，在衛(wèi)星總體設(shè)計時需考慮到新的環(huán)境效應(yīng)的種類及影響程度，必須通過地面試驗或空間搭載試驗對材料及器件的超低軌環(huán)境效應(yīng)適應(yīng)性進(jìn)行驗證。另一方面，目前，我國還沒有超低軌環(huán)境的實測數(shù)據(jù)，借助于超低軌衛(wèi)星可以開展相關(guān)環(huán)境探測工作，為環(huán)境模型建立積累數(shù)據(jù)。

1、超低軌環(huán)境

眾所周知，低地球軌道氣體主要成分是原子氧，占地軌道氣體總數(shù)的80%以上，而超低軌氣體環(huán)境與低軌有很大不同，其成分主要是分子氮（N）和原子氧（O）。表1給出了不同軌道高度下大氣組分密度的變化，從表中明顯看出，在400 km軌道，原子氧（O）的密度為1.0E＋8 cm-3，比分子氮（N）密度高兩個數(shù)量級4.99E＋6 cm-3；而在00 km軌道，原子氧（O）的密度為4.E＋9 cm-3，分子氮（N）密度與其在同一數(shù)量級3.05E＋9 cm-3。

2、空間搭載試驗

日本計劃在SLATS衛(wèi)星上搭載環(huán)境效應(yīng)探測器，進(jìn)行空間環(huán)境的監(jiān)測及材料暴露試驗，這是首次在50 km軌道上開展材料暴露試驗。該暴露試驗通過兩個搭載模塊實施，分別為MDM-S和MDM-C（MDM為MateriasDegradation Monitor的縮寫），其中MDM-S是一個包含9種材料被動暴露試驗的樣品盒，而MDM-C是CCD，用于對暴露試驗中樣品的退化情況進(jìn)行拍照。

表1不同軌道高度下大氣組分密度（MSISE-90計算）

2.1原子氧通量探測器

通過AOFS（Atomic Oxygen Fluence Sensor）監(jiān)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熱電石英晶體微量天平安裝在SLATS結(jié)構(gòu)外部，通過測試聚酰亞胺薄膜的質(zhì)量損失計算原子氧通量。

2.2.材料降解監(jiān)視器

材料降解監(jiān)視器（MDM，Material Degradation Monitor）由材料樣品及光學(xué)相機組成，其中材料樣品包括常規(guī)衛(wèi)星外部材料及未來抗原子氧新型材料組成。監(jiān)視器定位在SLATS飛行方向上的底面，光學(xué)相機用于對樣品進(jìn)行拍照。

SLATS衛(wèi)星的軌道任務(wù)如下：

1）68～430 km變軌（時間較短）；

圖1 SLATS衛(wèi)星探測載荷位置

圖1 MDM-S和MDM-C結(jié)構(gòu)圖

）430～50 km緩慢變軌（450天）；

3）50～0 km變軌（速度約10 km/周）；

4）0 km運行50天；

5）0～180 km變軌（速度約10 km/周）。

根據(jù)上述輸入，采用MSISE 90模型計算了O與N的積分通量，478天任務(wù)時，原子氧積分通量為1.3E＋/cm；348天任務(wù)時，N的積分通量為8.9E＋0/cm。依據(jù)MISSE-中FEP原子氧侵蝕率的結(jié)果可以推算超低軌N對FEP的侵蝕率為.8E-4 cm3/atom，大于O對FEP的侵蝕率為1.9E-5 cm3/atom。

3、地面模擬試驗

超低軌空間環(huán)境主要是中性大氣環(huán)境，主要成分是分子氮（N）和原子氧（O）。目前，關(guān)于原子氧地面模擬試驗方面的研究較多，而分子氮及其它環(huán)境效應(yīng)方面的研究較少。

3.1原子氧效應(yīng)

原子氧是00～700 km的軌道大氣的主要成分，原子氧不僅具有很強的氧化性，而且當(dāng)航天器以7～8 km/s的速度在軌運行時，原子氧相對于航天器具有4～5 eV的平均動能，因此當(dāng)原子氧撞擊到航天器外表面時，會造成表面材料的質(zhì)量和厚度損失、表面形貌的變化，力學(xué)、熱光學(xué)性能也會受到不同程度的影響。此外原子氧剝蝕產(chǎn)物還會對光學(xué)器件、熱控涂層、太陽電池陣等部件表面帶來污染，這些都會影響到航天器的正常運行并縮短其使用壽命。美國、俄羅斯、歐空局、加拿大、日本等國家建立了多個地面模擬試驗設(shè)備，并對大量空間材料開展了原子氧效應(yīng)試驗研究，獲取的豐富的原子氧效應(yīng)數(shù)據(jù)，為國外航天器的研制做出了重要的貢獻(xiàn)[,3]。

3.2分子氮效應(yīng)

為研究分子氮（N）對超低軌衛(wèi)星表面材料及組件性能的影響，必須借助地面模擬試驗系統(tǒng)，日本及美國的研究者均利用激光解離原理建立了分子氮氣體撞擊地面模擬設(shè)備[4,5]。同時由于分子氮和惰性氣體與材料表面的作用均以物理濺射為主，因此，國外學(xué)者主要關(guān)注惰性氣體對材料性能的影響。日本的M.Tagawa利用激光解離設(shè)備研究了Ar對材料性能的影響，研究對象為聚酰亞胺薄膜和氟化聚合物薄膜，材料的質(zhì)量損失由石英晶體微量天平原位測量。研究結(jié)果表明，Ar中性束的撞擊對聚酰亞胺薄膜質(zhì)量的影響不大，而對氟化聚合物薄膜的影響較大，由于Ar的撞擊能低于超低軌道中N的撞擊能，因此筆者認(rèn)為N的撞擊會導(dǎo)致超低軌衛(wèi)星表面氟化聚合物薄膜的嚴(yán)重侵蝕[6]。

3.3激波等離子體效應(yīng)

當(dāng)飛行器高速運行時，一般速度達(dá)到5～16 Ma之間，與大氣強烈作用，在頭部形成弓形脫體激波，波后氣體壓強、溫度急劇升高，使大氣解離、電離，在飛行器周圍形成等離子體包覆流場，稱為激波等離子體。等離子體會和大氣中的N、O共同作用，對飛行器表面材料產(chǎn)生影響。同時，等離子體的產(chǎn)生還會附帶輝光效應(yīng)，降低航天器上光學(xué)設(shè)備的觀測能力。目前，超低軌激波等離子體及其附帶環(huán)境影響較為復(fù)雜，國內(nèi)外在這方面研究較少，亟需開展系統(tǒng)深入研究。

結(jié)論

1）超低軌衛(wèi)星由于其在偵察方面的優(yōu)勢，在軍事及科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，美國、俄羅斯、日本等國先后均研制了超低軌衛(wèi)星。

）超低軌衛(wèi)星的空間環(huán)境效應(yīng)方面國外主要關(guān)注的焦點在于原子氧（O）與分子氮（N）的影響。日本通過SLATS衛(wèi)星已經(jīng)開始超低軌環(huán)境效應(yīng)搭載試驗研究。我國超低軌衛(wèi)星的空間環(huán)境防護(hù)設(shè)計也需關(guān)注原子氧（O）與分子氮（N）的效應(yīng)。

3）對于超低軌衛(wèi)星來說，激波等離子體環(huán)境也是由于稠密大氣誘發(fā)的一種次生環(huán)境，激波等離子體和原子氧（O）、分子氮（N）的共同作用會對超低軌衛(wèi)星外露材料及組件產(chǎn)生更加復(fù)雜的影響，需要進(jìn)一步深入研究。