柔性气阻球帆主动离轨装置及其在轨飞行验证

曹生珠，王虎，张凯锋*，张晓敏，李学磊，邢振华，李林，吴敢，周超，李坤，王健

(1.真空技术与物理重点实验室，兰州空间技术物理研究所，兰州 730000； 2.北京理工大学，北京 100081)

1 引言

空间碎片是人类在太空活动中产生的废弃物及其衍生物，主要包括废弃航天器、运载火箭上面级、执行任务过程中的抛弃物、火箭爆炸物、空间飞行器解体及碎片之间相互碰撞产生的碎片等[1]。截至2019年，发射入轨的航天器已近万颗，其中约90%分布在近地轨道(LEO)[2]。随着美国“星链”等近地轨道巨型星座的部署，近地轨道航天器数量将急剧增加，这意味着即使没有更多的卫星进入近地轨道，空间碎片数量也将持续上升，从而引发凯斯勒综合症[3]的出现，对在轨卫星运行安全造成严重威胁。由于空间碎片自然衰减离轨过程周期很长，为了维持一个可持续、安全的轨道环境，采取主动离轨装置在卫星寿命末期控制其主动离轨来减缓空间碎片的增长迫在眉睫。

目前，主动离轨装置主要有姿轨控系统主动控制离轨、气阻离轨[4-9]和电动力绳离轨[10-14]三种。其中，气阻离轨主要采用在轨展开薄膜结构以增大气阻截面，从而利用大气阻力实现主动离轨。气阻离轨根据帆面形状主要分为平面帆和球帆两种类型。柔性气阻球帆是一种以柔性球状薄膜结构为主体，利用其可收展、质量轻、收纳比高等优点，在轨展开后形成具有较大截面积的球帆，通过与低轨大气作用获得阻力，进而实现对低轨微纳卫星快速离轨的功能，在碎片清除领域具有广阔的应用前景。

2 柔性气阻球帆方案设计

2.1 总体方案设计

柔性气阻球帆采用Kapton薄膜作为主体结构，采用分片拼接的方式形成球形结构。柔性薄膜球体表面集成柔性太阳电池，采用电加热碳酸氢钠产生气体实现球帆充气展开，球帆可使卫星在15天内离轨。柔性薄膜球帆底部与BP-1b卫星结构连接，然后折叠存储在长方体收纳结构中。收纳结构顶部与BP-1b卫星结构采用爆炸螺栓和分离弹簧连接，收纳结构底部与火箭接口连接。当火箭将BP-1b卫星送入预定轨道后，地面控制中心发送指令控制爆炸螺栓起爆，使卫星在分离弹簧的作用下脱离火箭进入轨道，卫星分离过程中带动折叠收纳在收纳盒中的球帆释放，然后卫星控制系统启动加热器加热产气，球帆逐渐展开，当压力达到预定值后，控制系统关闭加热器，球帆完全展开，如图1所示。通过展开后太阳电池片的电流监控和轨道监测，确定球帆的展开状态和离轨性能。

图1 BP-1b卫星球帆展开状态效果图Fig.1 Rendering of the unfolding state of the BP-1b satellite sail

2.2 离轨任务设计

柔性气阻球帆离轨目标为BP-1b卫星。卫星外包络尺寸(不含天线)为263mm×140mm×243.5mm，轨道高度300 km，重量3.2kg。根据前期试验结果，初步设计的球帆直径0.5m，重量0.76kg。建立了轨道受力模型用于计算卫星轨道寿命，BP-1b卫星受力分析和轨道三维仿真模型模型如图1所示，其中，F1为卫星绕地球轨道运转的惯性力，F2为卫星受到的地球向心力，F3为卫星受到轨道大气产生的阻力，卫星轨道受三个合力的作用，离轨的关键因素是F3，如图2所示。

图2 BP-1b卫星受力分析和轨道三维仿真模型Fig.2 Force analysis and orbital 3D simulation model of BP-1b satellite

BP-1b卫星发射时间为2019年7月25日13 ∶00，轨道高度300km，轨道倾角为42.7°，重量4kg，离轨过程仿真分析参数设置如表1所示。太阳辐射反射系数根据文献经验公式选择1.0，大气密度模型选择精度最高的NRLMSISE2000，阻力系数根据文献选择2.2，太阳辐射通量模型选择SolFlx_Schatten.dat，离轨高度选择系统默认的65km，即表示该高度下卫星进入轨道寿命末期。BP-1b卫星轨道数据如表2所示。

表1 离轨过程仿真分析参数设置Table 1 De-orbit process simulation analysis parameter setting

表2 BP-1b卫星参数Table 2 BP-1b satellite parameters

根据计算结果，如果不增加阻力帆，BP-1b卫星轨道寿命为546个轨道周期，在轨飞行33天后于2019年8月27日22 ∶59进入大气层。增加阻力离轨帆后由于气阻截面大幅增加，BP-1b卫星的轨道寿命为12天，满足不长于15天的离轨周期技术要求。飞行197个周期后，于2019年8月6日05 ∶42 ∶58坠入大气层，如图3所示。

图3 BP-1b卫星轨道寿命计算结果Fig.3 Calculation results of BP-1b satellite orbit life

根据上述仿真分析，采用0.5m执行的柔性气阻球帆后，可将卫星在轨运行寿命从33天降低到12天，缩短近1/3，实现自主加速离轨。

2.3 柔性气阻球帆结构设计

柔性气阻球帆展开后的直径为0.5m，体积为0.0654m3，收纳状态下尺寸为230mm×200mm×120mm。球帆采用25μm厚聚酰亚胺薄膜材料拼接制成，包括20片六边形和12片五边形(如图4)。聚酰亚胺薄膜表面镀铝膜提高反射率；利用具有良好空间环境适应性的专用胶进行拼接。充气展开后尺寸误差不大于5%。针对柔性气阻球帆展开方式，系统研究了利用残余气体、电加热产气、携带气瓶等多种措施的可行性，考虑到成本、可靠性、体积、重量等资源需求等多种因素，最终选择了采用电加热碳酸氢钠产生气体实现充气展开。理论研究结果表明，要满足直径0.5m球帆的展开需求，碳酸氢钠的质量需不小于300g。

图4 柔性阻力球帆设计模型Fig.4 Design model of membrane spherical sail

3 阻力球帆制造

球帆采用大面积激光加工系统裁剪Kapton薄膜，然后采用足球状拼接方式将薄膜平面拼接为球面。为保证拼接质量及精度，设计了专用工装。球帆表面集成了柔性太阳电池片，通过遥测太阳电池片电流间接验证展开状态。研制的球帆产品如图5所示。

图5 研制的球帆产品Fig.5 The developed spherical sail

球帆薄膜结构与卫星间采用耐空间环境用粘接剂固定后，整体折叠存储于星箭分离接口结构内部空腔中，采用爆炸螺栓和预紧弹簧组合的连接与释放结构连接。

星箭分离过程中，卫星将球帆薄膜从星箭分离接口结构中拉出，使得球帆薄膜除与卫星连接部分外，其它部位均处于无约束状态。接到地面展开指令后，卫星给加热器加电，碳酸氢钠被加热后释放出气体，随着气压的不断升高，原本处于折叠状态的球帆逐渐展开。

4 地面环境模拟试验验证

4.1 热真空环境展开试验

在真空室中，真空度优于6.65×10-3Pa，低温端-25℃，高温端60℃，温度保持时间1h，变温速率1℃/min，3.5次高低温循环后，开始充气展开试验，加热电压8V，加热电流300mA。测试结果表明，启动加热器370s后，内部气压约500Pa时球体即可完全展开，满足展开直径误差不大于5%的要求，如图6所示。

图6 球帆热真空环境试验及展开过程Fig.6 Thermal vacuum environment test and deployment process of membrane spherical sail

4.2 力学环境试验

力学试验主要包括低频正弦、高频随机振动和冲击，其中，低频正弦5-10Hz、振幅3mm，高频随机振动频率范围为20～150Hz、150～800Hz、800～2000Hz，对应的功率谱密度分别为3dB/oct g2/Hz、0.08 g2/Hz、-6dB/oct g2/Hz；冲击试验响应谱为6000g。力学试验结果表明，试验后卫星模拟件经拆解结构完好，固定结构解锁等测试均满足设计要求。

5.在轨飞行试验验证

柔性球航天器于2019年7月25日13 ∶00，在西昌卫星发射中心成功发射入轨。柔性球航天器在入轨运行2个周期后，在地面遥测指令下开始球帆展开，通过返回的集成在柔性球帆上的太阳电池信号可表明球帆已经展开。

根据BP-1B卫星测试轨道数据，如图7所示，BP-1B卫星在轨飞行12天、205个周期后，于2019年8月6日18 ∶00-20 ∶00坠入大气层。

图7 BP-1b卫星轨道变化过程图Fig.7 Diagram of BP-1b satellite orbit change process

6 结论

基于气阻球帆的主动离轨技术是目前最适合于低轨微纳卫星的主动离轨技术之一。本文针对BP-1b微纳卫星主动离轨需求，开展了主动离轨装置的设计、制造、集成、地面试验和在轨飞行试验验证，成功实现了气阻球帆离轨装置的研制和演示验证，为我国后续低轨微纳卫星寿命末期主动离轨奠定了技术和产品基础。后续将进一步开展离轨装置的模块化、单元化和轻小型化研究，持续提高集成度和技术成熟度，推动我国气阻球帆离轨装置的工程化应用。