超低軌道衛星軌道維持新思

郭美婧

摘 要：目前，超低軌道衛星受到了各航天大國的高度重視，由于軌道高度低，在進行高分辨率對地觀測偵察時，可顯著降低有效載荷的重量和功耗，甚至采用普通觀測設備就能實現高分辨率觀測，并且衛星研制成本能夠降低到傳統衛星的三分之一到五分之一。因此，超低軌道衛星的研制，具有很大的經濟效益和工程應用價值。但是由于其軌道高度較低，相比傳統低軌衛星受到的氣動阻力高出幾個數量級，導致超低軌道衛星的軌道維持與傳統衛星相比具有顯著的不同之處。如何充分利用超低軌道大氣特點，解決軌道維持維持問題，是一個值得研究的課題。本文主要針對超低軌道衛星所在高度大氣層氣動力學及電離特性進行分析，提出了使用加速電場加速大氣離子作為軌道維持推進介質的新思路。

關鍵詞：超低軌道衛星； 軌道維持； 大氣電離層 ； 加速電場

一 、超低軌道衛星的優勢及面臨的難題

超低軌道衛星一般指軌道高度處于120～300km之間的衛星。由于軌道高度低，能夠快速、頻繁到達目標上空獲取信息，而且由于離地面更近，甚至采用普通觀測設備就能實現高分辨率觀測，同時衛星研制成本能夠降低到傳統衛星的三分之一到五分之一，發射成本也顯著降低。因此，超低軌道衛星的研制具有很大的經濟效益和工程應用價值。

但是，由于高度在300km以下的外層空間屬于熱層與外層大氣的范圍，相比傳統低軌衛星，超低軌道衛星受到的氣動力阻力要高出幾個到幾十個數量級，如果按照傳統衛星的軌道控制方式，利用噴氣裝置作為動力，則會由于頻繁噴射消耗大量能源和燃料，迅速縮短衛星使用壽命，而正在研制中的等離子推進器，其推力僅有幾個mN，遠不能提供足夠的推力。所以必須尋找一種新的途徑來解決超低軌道衛星軌道維持的問題。

二 、超低軌道所處大氣層特點

習慣上，將衛星按軌道高度分為高軌、中軌、和低軌衛星，其中，低軌道衛星主要指運行在100～1000km高度的衛星，目前工程上實用的甚低地球軌道高度約為200～400km。本文討論的超低軌道衛星主要運行高度在100～200km。在這個高度上，大氣密度可達到106 ～109kg/m3量級，作用在衛星上的氣動力能夠達到幾十到幾百mN，對衛星軌道衰減影響十分巨大。

另外，該軌道高度正處于地球大氣電離層的范圍，其中F1層高度一般在140～200公里之間，電子密度為1010～1011/m3（圖1）。是被大氣強烈吸收的那部分遠紫外輻射所產生的。這些輻射產生離子O2+、N2+、O+、H2+和N+。由于隨后的一系列反應，最終產物以NO+和O+為主。隨著高度上升，主要離子成分由分子逐漸過渡為原子離子。負離子和雙電荷正離子很少，正離子密度與電子密度相等。

三、超低軌道衛星軌道維持方案新思路

設想推進器結構如圖2、圖3。衛星以每秒約7.8Km的速度運行在超低軌道上，稀薄大氣以相對衛星每秒7.8Km的速度通過衛星后部的網格柵正極板沖入加速電場，其中的正離子如NO+和O+進入電場被加速后以更高的速度向后拋出，對衛星產生反作用的推力。而負離子主要是電子，和衛星的相對動能比正離子低得多（具有1ev動能的電子，速度大約每秒600Km），其中一部分被帶正電的衛星表面俘獲，剩余的進入電場后，由于初始速度低而電場強度是如此之大，以至于電子沖入電場不深就被彈出，可以看做是完全彈性碰撞，電子獲得的能量遠遠低于正離子。由此產生的阻力也遠低于正離子產生的推力，可以忽略不計。

根據電場對帶電粒子做功公式W=qU=qEd=Fd得出電場中帶電粒子對電場的反作用力為F推=qE=qU/d。式中q為電場中正離子總電量，與電場的體積以及離子密度相關，q=Sdρ，式中S為網格柵加速電極板面積，d為正負電極板間距，ρ為大氣離子密度，則可進一步推導出推力公式為F推=SUρ。可以看出推力大小只與三個因素相關：推進器加速電極面積、加速電壓、稀薄大氣中電子密度。

我們以200km高度軌道為例，該高度電子密度為1011/m3，相當于每立方米體積含有電量約為1.602×10-8庫倫的正離子。然后我們取電極面積為10m2，加速電壓為5000Kv，則可以推算出推力為800mN，這個推力足以抵消超低軌道上稀薄大氣對衛星產生的氣動阻力。

為解決由于加速電場對稀薄大氣中等離子體的分離作用導致的次生電場干擾，在加速電場尾部設置電子發生器，中和噴出的正離子，同時使衛星本體表面帶正電荷，可以吸附大氣中的電子以及被加速電場反彈回來的電子，保持衛星周圍電場平衡。

超低軌道衛星運行周期大約為90分鐘。在一個周期內，受地影影響，有大約60分鐘有陽光照射，可以直接利用太陽能電池的電力為加速電場提供能量，采用間歇推進的方案，降低對衛星電源系統的要求。經計算，推進器所需功率大約為6Kw左右，太陽能電池的功率可以滿足要求。

四、結語

推進劑和燃料消耗是影響衛星在軌壽命的主要因素。由于超低軌道衛星所在軌道高度含有稀薄大氣并且具有等離子特性，使得超低軌道衛星有了利用環境物質作為推進介質的條件，變超低軌道衛星軌道衰減快的劣勢為優勢，只需要提供推進所需的能量，衛星就可以長期在軌飛行，而對衛星而言能量的獲得遠比推進劑和燃料的獲得要容易的多。通過前面理論論證和模擬計算，可以看到，采用這種方案，推動力完全能夠滿足超低軌道衛星軌道維持的要求，因此值得進一步深入研究試驗。

參考文獻：

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