超低轨道卫星轨道维持新思

郭美婧

摘 要：目前，超低轨道卫星受到了各航天大国的高度重视，由于轨道高度低，在进行高分辨率对地观测侦察时，可显著降低有效载荷的重量和功耗，甚至采用普通观测设备就能实现高分辨率观测，并且卫星研制成本能够降低到传统卫星的三分之一到五分之一。因此，超低轨道卫星的研制，具有很大的经济效益和工程应用价值。但是由于其轨道高度较低，相比传统低轨卫星受到的气动阻力高出几个数量级，导致超低轨道卫星的轨道维持与传统卫星相比具有显著的不同之处。如何充分利用超低轨道大气特点，解决轨道维持维持问题，是一个值得研究的课题。本文主要针对超低轨道卫星所在高度大气层气动力学及电离特性进行分析，提出了使用加速电场加速大气离子作为轨道维持推进介质的新思路。

关键词：超低轨道卫星； 轨道维持； 大气电离层 ； 加速电场

一 、超低轨道卫星的优势及面临的难题

超低轨道卫星一般指轨道高度处于120～300km之间的卫星。由于轨道高度低，能够快速、频繁到达目标上空获取信息，而且由于离地面更近，甚至采用普通观测设备就能实现高分辨率观测，同时卫星研制成本能够降低到传统卫星的三分之一到五分之一，发射成本也显著降低。因此，超低轨道卫星的研制具有很大的经济效益和工程应用价值。

但是，由于高度在300km以下的外层空间属于热层与外层大气的范围，相比传统低轨卫星，超低轨道卫星受到的气动力阻力要高出几个到几十个数量级，如果按照传统卫星的轨道控制方式，利用喷气装置作为动力，则会由于频繁喷射消耗大量能源和燃料，迅速缩短卫星使用寿命，而正在研制中的等离子推进器，其推力仅有几个mN，远不能提供足够的推力。所以必须寻找一种新的途径来解决超低轨道卫星轨道维持的问题。

二 、超低轨道所处大气层特点

习惯上，将卫星按轨道高度分为高轨、中轨、和低轨卫星，其中，低轨道卫星主要指运行在100～1000km高度的卫星，目前工程上实用的甚低地球轨道高度约为200～400km。本文讨论的超低轨道卫星主要运行高度在100～200km。在这个高度上，大气密度可达到106 ～109kg/m3量级，作用在卫星上的气动力能够达到几十到几百mN，对卫星轨道衰减影响十分巨大。

另外，该轨道高度正处于地球大气电离层的范围，其中F1层高度一般在140～200公里之间，电子密度为1010～1011/m3（图1）。是被大气强烈吸收的那部分远紫外辐射所产生的。这些辐射产生离子O2+、N2+、O+、H2+和N+。由于随后的一系列反应，最终产物以NO+和O+为主。随着高度上升，主要离子成分由分子逐渐过渡为原子离子。负离子和双电荷正离子很少，正离子密度与电子密度相等。

三、超低轨道卫星轨道维持方案新思路

设想推进器结构如图2、图3。卫星以每秒约7.8Km的速度运行在超低轨道上，稀薄大气以相对卫星每秒7.8Km的速度通过卫星后部的网格栅正极板冲入加速电场，其中的正离子如NO+和O+进入电场被加速后以更高的速度向后抛出，对卫星产生反作用的推力。而负离子主要是电子，和卫星的相对动能比正离子低得多（具有1ev动能的电子，速度大约每秒600Km），其中一部分被带正电的卫星表面俘获，剩余的进入电场后，由于初始速度低而电场强度是如此之大，以至于电子冲入电场不深就被弹出，可以看做是完全弹性碰撞，电子获得的能量远远低于正离子。由此产生的阻力也远低于正离子产生的推力，可以忽略不计。

根据电场对带电粒子做功公式W=qU=qEd=Fd得出电场中带电粒子对电场的反作用力为F推=qE=qU/d。式中q为电场中正离子总电量，与电场的体积以及离子密度相关，q=Sdρ，式中S为网格栅加速电极板面积，d为正负电极板间距，ρ为大气离子密度，则可进一步推导出推力公式为F推=SUρ。可以看出推力大小只与三个因素相关：推进器加速电极面积、加速电压、稀薄大气中电子密度。

我们以200km高度轨道为例，该高度电子密度为1011/m3，相当于每立方米体积含有电量约为1.602×10-8库伦的正离子。然后我们取电极面积为10m2，加速电压为5000Kv，则可以推算出推力为800mN，这个推力足以抵消超低轨道上稀薄大气对卫星产生的气动阻力。

为解决由于加速电场对稀薄大气中等离子体的分离作用导致的次生电场干扰，在加速电场尾部设置电子发生器，中和喷出的正离子，同时使卫星本体表面带正电荷，可以吸附大气中的电子以及被加速电场反弹回来的电子，保持卫星周围电场平衡。

超低轨道卫星运行周期大约为90分钟。在一个周期内，受地影影响，有大约60分钟有阳光照射，可以直接利用太阳能电池的电力为加速电场提供能量，采用间歇推进的方案，降低对卫星电源系统的要求。经计算，推进器所需功率大约为6Kw左右，太陽能电池的功率可以满足要求。

四、结语

推进剂和燃料消耗是影响卫星在轨寿命的主要因素。由于超低轨道卫星所在轨道高度含有稀薄大气并且具有等离子特性，使得超低轨道卫星有了利用环境物质作为推进介质的条件，变超低轨道卫星轨道衰减快的劣势为优势，只需要提供推进所需的能量，卫星就可以长期在轨飞行，而对卫星而言能量的获得远比推进剂和燃料的获得要容易的多。通过前面理论论证和模拟计算，可以看到，采用这种方案，推动力完全能够满足超低轨道卫星轨道维持的要求，因此值得进一步深入研究试验。

参考文献：

[1]曾其鋆—— 气动力矩在超低轨道卫星姿态控制方面的应用研究

[2]陈明——超低轨道卫星气动力辅助轨道保持的应用研究

[3]温生林 闫野 易腾 ——超低轨道卫星摄动特性分析及轨道维持方法--《国防科技大学学报》2015年02期

[4]赵九章等编著：《高空大气物理学》，上册，科学出版社，北京，1965。