低轨遥感卫星平台长寿命制约因素研究

李 潭，沈 娟，陈塞崎，唐梦辉

(1.中国航天科技集团公司，北京100048;2.北京控制工程研究所，北京100080;3.国家航天局对地观测工程中心，北京10000)

一、前 言

制约我国低轨遥感卫星寿命的主要因素包括平台和有效载荷两个部分，其中卫星平台产品化水平高，可以重点突破以提高系统。本文将重点分析我国遥感卫星平台系统、关键单机、核心基础建设等方面，全面梳理遥感卫星在寿命可靠性方面的薄弱环节，重点开展系统级延寿与可靠性增长、长寿命短板的核心产品的延寿、关键产品的成熟度提升、卫星全生命周期运行管理、核心基础能力建设等工作，全面提升遥感卫星寿命和可靠性，以及长寿命高可靠研制能力。

二、国内外低轨遥感卫星寿命现状

国外遥感卫星设计寿命经历了从3～5年，再到当前的7～8年的发展历程(见表1)。

对于低轨光学成像卫星，美国当前商业光学遥感卫星主要包括:Ball Aerospace＆Technologies公司开发的BCP平台，设计寿命7年，如WorldView系列卫星、QuickBird-2等;美国轨道成像公司的通用中小型卫星平台LEOStar，如Obview系列和Geo Eye系列卫星;洛马公司研制的Landsat-7设计寿命7年，开发的小卫星平台LM-900设计寿命7年。法国低轨光学遥感卫星主要采用MK系列平台，设计寿命5年。法国CNES最新开发的敏捷型遥感卫星Pleiades设计寿命5年。英国Surrey大学的遥感卫星设计寿命7年。印度2010年发射的Cartosat-2B卫星设计寿命5年。日本2006年发射的ALOS-1卫星设计寿命3～5年。以色列2006年发射的EROS-2B设计寿命6年。

表1 2000年以来各国遥感卫星平均设计寿命统计表 a

对于低轨高光谱卫星，设计寿命均不超过5年，如德国的高光谱卫星ENMAP设计寿命5年，美国下一代陆地探测卫星LDCM设计寿命3年，美国用于全球二氧化碳精细监测的OCO卫星设计寿命3年，日本用于监测大气中温室气体含量的GOSAT卫星设计寿命5年，加拿大用于监测大气臭氧层的SCISAT卫星设计寿命5年。

对于低轨SAR成像卫星，如美国2005年发射的Lacrosse5、意大利2007年发射的Cosmo-Skymed、以色列2008年发射的TecSAR、加拿大2007年发射的RadarSAT系列等，设计寿命均为5年，只有德国2006—2008年间发射的SAR-lupe系列卫星，设计寿命10年。

目前遥感卫星在轨实际运行寿命大多为7～8年，部分卫星寿命超过了10年。法国1998年发射的SPOT 4卫星和美国1999年发射的IKONOS-2卫星，实际寿命均超过了10年，且仍在轨运行。美国2001年发射的QuickBird-2卫星在轨运行超过10年，也仍在运行。实际寿命最长的是Landsat-5，自1984年发射以来，已在轨工作超过29年，直至2013年1月实施离轨操作。

与国外先进遥感卫星相比，国内遥感卫星在寿命和可靠性方面存在明显的差距和不足［1］。目前国内遥感卫星设计寿命3～5年，在轨实际运行寿命一般也为3～5年，只有个别卫星超期服役到5年以上。20世纪90年代发射的资源一号卫星、风云一号卫星设计寿命均为2年。2000年以后，卫星设计寿命提高到3年，其中采用零动量控制方式的卫星在轨实际寿命在3～5年(最长的资源一号02星在轨寿命5年2个月)［2］，采用偏置动量控制方式的小卫星实际寿命最长的超过了7年。2005年以后，基于“十五”、“十一五”可靠性增长项目的支持和产品化工程，资源三号等卫星设计寿命提高到4年。2010年后，高分重大专项民用部分卫星设计寿命提高到5～8年。

三、制约我国卫星长寿命设计产品的分类

为了能够系统地梳理影响我国低轨遥感卫星平台寿命的主要制约因素，对我国卫星平台现有产品进行了分类，筛选出了影响卫星寿命的短板。为了重点解决制约平台寿命短板，需重点解决第三、四类共性单机产品。

1)第一类产品:现有产品，长寿命设计，可满足寿命要求，如数字太阳敏感器、模拟太阳敏感器等。

2)第二类产品:采用成熟技术、工艺设计的新研产品，或预期可达长寿命要求的现有产品，可满足8年寿命要求，如控制计算机、直流/直流变换器等。为了适应长寿命要求，这些产品可结合型号研制同步通过适应性改进，部分产品需要补充鉴定，技术成熟，可结合型号研制同步开展。

3)第三类产品:采用新技术、新工艺的新研产品或寿命设计数据不全的现有产品，但是长寿命验证不足，如部分陀螺、大力矩飞轮、APS星敏感器等。为了适应长寿命要求，这些产品可进一步投产子样，进行长寿命试验验证，针对试验中暴露出的问题进行再设计、再验证，从而达到长寿命要求。

4)第四类产品:无法确认是否满足长寿命的产品，如红外地球敏感器、中等/甚高精度星敏、控制力矩陀螺、锂离子电池等。针对寿命薄弱环节，这些产品需重新设计攻关，进行8年寿命试验验证。

四、提升我国卫星产品寿命的建议

通过上述分析，建议选取以下6种单机产品重点突破，统筹进行长寿命攻关和验证，尽快开展可靠性增长工作。

1.太阳帆板驱动机构

目前齿轮减速器和导电环设计寿命较短，地面寿命试验证明齿轮减速器和导电环磨损严重，组件材料和润滑系统寿命不满足长寿命要求。因此，需要对减速器、润滑系统和导电环重新选择材料，通过提高轴承组件的刚度，重新选择润滑系统材料，攻克减速器和导电环设计技术难关，并开展试验验证，重点解决齿轮减速器和导电环材料和润滑不足导致的磨损问题。

热控涂层材料在8年寿命末期性能退化［3］，导致太阳帆板驱动机构热控性能下降，降低寿命周期内可靠性，需要开展寿命试验、热平衡试验和温度梯度试验等多子样多工况的试验验证。通过空间环境试验，进一步摸清性能衰减规律，对热控设计参数进行修正，重点解决热控涂层材料性能退化引起的寿命末期转动机构的热控性能下降导致的加速磨损问题［4］。

2.红外地球敏感器

根据目前在轨数据，空间紫外辐照累积效应会导致红外地球敏感器5年末期光学系统效率下约降11%，预计8年寿命光学系统效率下降超过15%。需要开展技术攻关，使光学系统效率在8年寿命期间下降幅度小于10%，并进行光学零件紫外辐照试验等专项验证。

受长期空间环境影响，转动部件润滑系统性能衰退，导致电机阻力矩平均值增大80%以上，大大增加了在轨堵转概率。需重新研制转动装置，提高电机和电路性能，并对新研制的转动装置进行寿命试验验证。

3.中等精度和甚高精度星敏感器

目前采用的CCD等关键器件存在性能退化的问题，不满足长寿命性能指标要求，需要通过CCD器件辐照试验，开展新研制产品关键指标试验验证，提高CCD及驱动芯片器件等级等手段，重点解决CCD器件等关键元器件性能衰退引起的精度下降问题。

4.控制力矩陀螺

根据目前陀螺设计，高速轴承和润滑系统需要承受超过10 N·m的陀螺力矩载荷，达不到长寿命内长期稳定运行的要求;同时，在地面寿命试验中，低速框架用导电环磨损工况严酷，不能满足长寿命要求。高速轴承需要重新选择材料研制，轴系润滑系统需开展技术攻关突破，针对新材料和技术攻关开展多子样的长期跑合和框架摆动试验。

5.锂离子电池

锂离子电池在寿命中后期，随着电池组阻抗的增加，放电电压降低。通过在锂离子充电控制技术、均衡处理技术和过充过放电保护技术等方面开展研究，确定锂离子电池在正常工作模式下的充放电管理策略，提出减少电池离散性的补偿方法，以及过充过放电的保护策略。重点解决锂离子电池在寿命中后期，随着电池组阻抗的增加，放电电压降低引起的性能下降问题。

6.三结砷化镓太阳电池阵

通过改进电池片的布片和焊接工艺及相关试验验证，重点解决低轨的原子氧环境稠密、互连片受到原子氧侵蚀，进而导致电池断路问题。

五、结束语

提升卫星寿命是一项系统工程［4］，在深入研究在轨卫星长期健康运行使用的前提下，需要全面提升元器件、部件、单机和系统的固有可靠性和寿命特性，涉及卫星研制中的各个方面。全部解决这些问题需要大量的投入，目前只能按照“分步实施、重点突破”的原则，以重点解决太阳帆板驱动机构等单机产品的长寿命为切入点，突破遥感卫星长寿命高可靠瓶颈技术，并在今后型号研制过程中不断提升产品可靠性和寿命指标，尽快实现我国卫星平台寿命的提升。

［1］谭强，范燕平.我国卫星长寿命技术发展需求及组织与管理探讨［J］.航天器工程，2011，20(5):111-115.

［2］刘胜忠.卫星飞轮产品长寿命地面验证与评估［J］.导航与控制，2012，11(1):15-21.

［3］马伟，宣益民，韩玉阁，等.长寿命卫星热控涂层性能退化及其对卫星热特性的影响［J］.宇航学报，2010，31(2):568-572.

［4］杨亦可，陈塞崎，李潭.低轨遥感卫星长寿命研究进展［J］.中国航天，2013(8):26-27.