超低軌道熱層大氣密度原位探測

李永平 朱光武 鄭曉亮 艾講趙 閆亞飛 周建華

(1. 中國科學院國家空間科學中心 天基空間環境探測北京市重點實驗室, 北京 100190;2. 中國科學院大學, 北京 100049; 3. 中國科學院文獻情報中心, 北京 100190;4. 上海宇航系統工程研究所, 上海 201108)

超低軌道(very low Earth orbit, VLEO)一般指距地球表面150 ～400 km[1]。 航天器在該軌道上運行時,可獲得更高的分辨率,減小質量和體積,改善地理空間定位精度,提高運載火箭的載重能力[2],同時具有較低的碎片碰撞風險和輻射風險;但超低軌道具有大通量原子氧和較為稠密的大氣密度,使得航天器表面敏感材料加速剝蝕和污染,衛星加速隕落,增大軌道預報的不確定性。原子氧是超低軌道熱層大氣中最為豐富的元素,也是對超低軌道航天器影響最嚴重的因素之一[3],其相對航天器飛行速度快,化學性質活潑,能量較高,對航天器表面材料有明顯的剝蝕效應[4-5]。 超低軌道大氣密度較大,大氣密度引起的大氣阻力對于航天器的發射和再入、壽命、軌道預報等也具有重要的影響[2,6]。 而現有的大氣模型誤差較大,截止到21 世紀初精度依然沒有突破15%[7]。

超低軌道對于氣球探測來說太高,對于低軌道衛星來說比較低,無法長時間駐留,且該區域輻射光譜特征少,遙感探測相對困難,因此超低軌道大氣密度探測較少,實測數據較為缺乏且覆蓋不足,使得該高度上的大氣模型誤差較大,圈層之間的能量動量耦合規律尚未厘清,科學家們經常稱該區域為“未知層”[2,8]。 結合超低軌道大氣密度原位探測的發展歷程,本文對超低軌道大氣密度原位探測手段及中國探測結果進行分析和討論,區別于以往圓軌道衛星的同一高度探測,橢圓軌道衛星可以探測不同高度上大氣密度變化,比較不同高度、不同緯度和地方時的大氣密度變化特征,為后續數據應用打下基礎。

1 國內外超低軌道衛星大氣密度原位探測計劃

1.1 美國超低軌道衛星大氣密度原位探測

NASA 研制的AE-C、D、E 系列衛星發射于20世紀70 年代[9-10],其目的是探測和研究全球中性大氣和電離層的結構和動力學過程。 在該衛星上裝載了中性大氣溫度探測儀(neutral atmosphere temperature instrument,NATE),初步獲得了220 ～400 km 高度的軌道大氣參數。 AE-C 衛星實物圖如圖1 所示(https://en. wikipedia. org/wiki/Explorer_51)。

圖1 AE-C 衛星Fig.1 AE-C satellite

NASA 研制的 DE-2 衛星發射于 1981年[11-13],其目的是為研究電離層、熱層、磁層的耦合規律。 在該衛星上裝載了中性大氣成分探測器,用于測量軌道的大氣環境,獲得了該時期空間環境條件下200 ～600 km 高度的大氣參數。 DE-2衛星實物圖如圖2 所示(https://en. wikipedia.org/wiki/Dynamics_Explorer_2)。

圖2 DE-2 衛星Fig.2 DE-2 satellite

美國科羅拉多大學研制的DANDE 衛星發射于2013 年[14],其目的是為研究衛星阻力,軌道為200 ～1 200 km。 主要儀器有大氣密度探測儀,用于測量近地點附近的大氣參數,大氣密度測量精度為2 × 10-13kg/m3。 DANDE 衛星外形如圖3所示(https://directory. eoportal. org/web/eoportal/satellite-missions/d/dande)。

圖3 DANDE 衛星Fig.3 DANDE satellite

1.2 歐盟超低軌道衛星大氣密度原位探測

歐盟主導的QB50 計劃在2017 年后陸續分批次發射,運行在200 ～380 km 高度范圍,部分衛星裝載大氣探測器對軌道中性大氣進行原位探測,衛星設計壽命為3 個月。 圖4 為探測衛星示意圖[15]。

圖4 QB50 衛星[15]Fig.4 QB50 satellite[15]

1.3 日本超低軌道衛星大氣密度原位探測

日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)設計研制的一顆超低軌道衛星于2017 年12 月發射,該衛星軌道高度180 ～250 km,簡稱SLATS(super low altitude satellite)[16]。 該衛星的主要目的是驗證超低軌衛星系統,測量原位大氣密度,在軌監測原子氧,研究超低軌道大氣環境對衛星的影響。圖5 為SLATS 衛星模型(https://directory. eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/slats)。

圖5 SLATS 衛星Fig.5 SLATS satellite

1.4 中國超低軌道衛星大氣密度原位探測

從20 世紀90 年代開始,在中國載人航天工程重大任務的支持下,由中國科學院國家空間科學中心研制的星載質譜儀及大氣密度探測器分別在“神舟二號”、“神舟三號”和“神舟四號”飛船軌道艙上開展了連續在軌大氣環境監測,獲得了在地磁寧靜期與磁暴期、太陽活動期大氣密度的長期變化特性[17-21]。 后期在天宮實驗室及其他應用衛星上裝載質譜儀獲得了熱層大氣成分和大氣密度實測數據,保障載人飛船安全運行。 上述航天器均運行于低軌道,目前中國長期運行在超低軌道的衛星還在論證之中,但也有橢圓軌道衛星運行在250 ～700 km,在該衛星上搭載了大氣密度探測器,進行大氣環境探測。

超低軌道大氣密度探測數據取自中國星載大氣密度探測器在軌原位探測結果,探測器搭載在橢圓形軌道運行的中國衛星上,衛星運行軌道高度為250 ～700 km,傾角為92°。 探測器采用測量傳感器內氣體壓力和溫度的方法,并由氣體分子動力學理論所建立的基本方程,結合衛星運行的姿態和速度來獲得自由大氣密度[18,21-22]。 圖6 為大氣密度探測器工作原理示意圖,表1 為探測器的主要性能參數。

圖6 大氣密度探測器原理示意Fig.6 Schematic diagram of atmospheric density detector

表1 中國原位大氣密度探測器的主要性能Table 1 Performance of Chinese in-situ atmospheric density detector

探測器獲取的原始數據與衛星平臺數據經過地面數據系統處理后,最終得到3 級數據產品,包括北京時、世界時、地方時、經度、緯度、高度及大氣密度信息。 該探測器已實現多次在軌探測,也發布了相關的探測成果[18],分析了不同高度和不同地磁擾動期間模式值與在軌實測值的差異。

1.5 分 析

國外雖早在20 世紀70 年代利用衛星開展了超低軌道大氣密度原位探測,但截止到現今探測次數少,持續時間短,覆蓋有限,基于實測數據所建立的模型在該高度范圍誤差較大。 而國內起步晚,在借鑒國外超低軌道大氣探測經驗的基礎上進行了初步探測。

2 超低軌道大氣密度原位探測手段

超低軌道大氣密度原位探測手段主要包括質譜儀、微量天平及密度計。 質譜儀既可測大氣成分,也可以測大氣密度,同時還可獲取原子氧信息;微量天平用于測量原子氧通量信息;密度計用于測量大氣密度。

1) 質譜儀

質譜儀可用于測量軌道空間的各氣體成分及其含量,獲得大氣成分和大氣密度。 其是把中性氣體粒子電離,通過質量分析器把不同質荷比的離子在電磁場中加以分類計數的一種儀器,既可以測量氣體成分,又可以測量分壓強,獲得總壓強,國際上將其廣泛地應用于空間探測中。

按傳感器特性,可以將質譜儀分為四極桿質譜儀、飛行時間質譜儀、磁質譜儀等。 四極桿質譜儀質量輕、分辨率好,可在較惡劣的真空條件下工作,且無漏磁現象,可適應超低軌道較低的真空度,在星載原位探測中應用最多。

2) 微量天平

微量天平可用于測量軌道空間的原子氧通量。 主要原理是:以壓電石英晶體(quartz crystal microbalance,QCM)作為敏感傳感器,利用石英晶體傳感器的壓電特性,當石英晶體敏感表面沉積微小物質質量或表面質量被剝蝕減小時,其諧振頻率就會發生變化,并由此獲得敏感晶體上沉積或者剝蝕質量的變化。

在敏感石英晶片表面上涂覆Kapton 薄膜,Kapton 的原子氧剝蝕率已經過多次飛行試驗及地面試驗驗證,剝蝕率較為穩定。 通過監測敏感石英晶片表面質量損失,根據材料已知的原子氧反應系數,即可推算軌道上原子氧通量。

3) 密度計

密度計可用于測量軌道空間的大氣密度。 探測器采用測量傳感器內氣體壓力和溫度的方法,并由氣體分子動力學理論所建立的基本方程,結合衛星運行的姿態和速度來獲得自由大氣密度。

上述3 種超低軌道大氣密度原位探測手段在國內外均有運用,中國科學院國家空間科學中心研制的軌道大氣綜合探測器,具有質譜儀、壓力計及微量天平的綜合功能,在天宮實驗室及應用衛星上獲得成功運用。

3 中國超低軌道大氣密度原位探測結果

3.1 地磁指數和太陽活動指數數據

采用美國國家海洋和大氣管理局空間環境中心發布的地磁指數Kp、Ap日均值和太陽輻射通量F10.7日均值數據,地磁活動指數Ap是表征地磁擾動強度的分級指標,地磁活動指數Kp表征國際3 h磁情指數,每天8 個值。 太陽活動指數F10.7是表征太陽活動水平的重要參數。

3.2 模式數據

選用NRLMSISE00 模式數據(簡稱MSIS00)與實測數據進行比較。 MSIS 系列模式基于衛星質譜儀資料和非相干散射雷達測量溫度的結果建立[23-25]。 MSIS00 模式是美國海軍實驗室(Navy Research Laboratory,NRL)以MSISE90 和Jacchia70為基礎開發改進而來,包含衛星加速度計和衛星軌道反演得到的大氣總質量密度數據、氧分子數密度數據及非相干散射雷達的溫度數據。 該模式描述了從地面到熱層(0 ～1 000 km)的中性大氣密度和溫度等大氣物理性質,可以反映熱層大氣密度的基本變化特征。

輸入如表2 所示的參數,可求出與原位探測數據點對應的模式值。 該模式不僅能輸出不同地磁擾動和不同太陽活動水平條件下熱層大氣密度數據,還可以輸出主要大氣成分的數據。

表2 MSIS00 模式的輸入和輸出參數Table 2 Input and output parameters of MSlS00 model

3.3 探測結果

衛星運行在250 ～700 km 軌道高度,對250 ～400 km 超低軌道大氣密度實測數據進行分析,獲得其隨時間和空間變化特征,并與MSIS00 模式進行比較。

3.3.1 250 km、350 km 大氣密度實測值隨時間變化特征

圖7(a)為2020 年10 月7 日至11 日之間250 km、350 km 大氣密度實測值,圖7(b)、(c)分別為F10.7和Kp變化,F10.7為73.4,Kp最大值為2。這段時間太陽活動及地磁活動處于平靜狀態,大氣密度整體處于較低值,250 km 實測平均值為1.923 × 10-11kg/m3, 350 km 實 測 平 均 值 為2.014 ×10-12kg/m3,兩者高度相差100 km,大氣密度相差近一個量級。

圖7 大氣密度實測值、太陽活動指數和地磁活動指數隨時間的演化Fig.7 Changes of observed results of atmospheric density,solar radiation index and geomagnetic index

3.3.2 實測大氣密度隨高度、緯度、地方時變化特征

導致大氣密度變化的因素除了太陽活動及地磁擾動之外,地方時、高度、緯度也是影響實測密度值變化的因素。 因此,對大氣密度隨高度、緯度和地方時的變化特征進行分析和討論。

1) 升軌、降軌期間超低軌道不同高度大氣密度變化特征

圖8 為不同地方時13:00LT(LT 指地方時)前后(降軌)和01:00LT 前后(升軌)大氣密度實測值隨高度的變化情況,高度范圍為250 ～400 km。

圖8 表明,大氣密度值隨著高度的升高而減小。 其中, 降軌階段衛星從300 km 上升到400 km,大氣密度從5.2×10-12kg/m3下降到1.1 ×10-12kg/m3,每千米密度值平均下降0. 041 ×10-12kg/m3;同時,模式值從1.0 ×10-11kg/m3下降到1.3 ×10-12kg/m3。 對降軌階段實測值進行3 次多項式擬合,實測值和擬合值的相關系數r為-0.805 33, 殘差均值和標準偏差分別為1.526 5 ×10-13kg/m3和6.658 5×10-12kg/m3。 在升軌期間,軌道高度從400 km 下降到250 km,大氣密度從5×10-13kg/m3上升到1.8 ×10-11kg/m3,在300 km 時,大氣密度為3 ×10-12kg/m3,每千米密度值平均下降0. 025 ×10-12kg/m3,約為降軌階段的0.6 倍。 模式值從5 ×10-13kg/m3上升到2.8 ×10-11kg/m3,300 km 時為7 ×10-12kg/m3。如表3 所示。

表3 大氣密度每千米下降值Table 3 Decrease of atmospheric density per kilometer kg/m3

圖8 大氣密度實測值隨高度的變化Fig.8 Changes of observed value of atmospheric density with altitude

以上分析表明,相比于升軌階段,降軌階段的大氣密度隨高度的升高下降得更快。 該現象可能是由于降軌、升軌階段處于13:00/01:00 地方時,升軌時陰影區大氣密度整體處于較低水平,使得高度變化引起的密度變化偏小。 升軌時實測值下降值與模式值下降值比值為0.385,在降軌時兩者比值為0.471,該現象可能是由于模式為基于物理模型建立,代表統計平均結果,誤差較大所致。

2) 相同緯度不同高度和地方時大氣密度變化特征

在相同緯度下,衛星可處于不同的高度和經度,從而研究大氣密度隨高度和經度的變化,也就是大氣密度隨高度和地方時的變化。 圖9(a)、(b)分別為北緯40°升軌和降軌階段大氣密度變化。 可以看出,低高度(245 ～265 km)的大氣密度相比于較高高度(390 ～450 km)高出近一個量級,圖9(a)平均密度為1.56 ×10-11kg/m3,地方時處于午夜01:00,圖9(b)平均密度為1. 36 ×10-12kg/m3,地方時處于中午13:00。 大氣密度受太陽極紫外輻射的影響,午夜和中午時分分別對應大氣密度一天中的極小值和極大值,但午夜時運行軌道更低。 因此,綜合高度和地方時的影響,顯然高度的影響大于地方時的影響,即使升軌段地方時處于午夜時分,而降軌段處于正午,升軌段大氣密度依然是降軌階段的11.2 倍。

圖9 相同緯度(北緯40°)下升軌和降軌期間大氣密度實測值隨高度的變化Fig.9 Changes of observed atmospheric density with altitude during orbit ascent and descent at the same latitude (40°N)

3) 不同緯度條件下大氣密度實測值與MSIS00 模式值的比較

由圖10 所示,在不同緯度下,實測日均值和模式日均值均隨高度的升高而下降,且實測值與模式值變化趨勢保持一致。 圖10(a)大氣密度實測值和模式值分別從1.35 ×10-11kg/m3、2.57 ×10-11kg/m3下 降 到4. 07 × 10-12kg/m3、8. 43 ×10-12kg/m3;兩者日均值比值維持在0.49 附近。由于衛星在經過北緯50°時處于升軌或降軌階段,時間較短,實測值數據量較少,如圖10(b)所示,但是也可看出隨高度下降的趨勢。 圖10(c)在268 ～290 km 范圍內實測值下降較快,兩者比值下降到0.39。

圖10 不同緯度下大氣密度實測值與MSIS00 模式值及比值隨高度的變化Fig.10 Changes of observed result, MSIS00 model, and ratio of observed to model values with altitude at different latitudes

綜上所述,在高中低緯度地區上空,大氣密度均隨高度上升而下降,且隨著緯度的減小實測值與模式值的比值也減小,表明兩者的相對誤差增大,可能與模式在該高度缺乏實測數據有關。

4 結 論

本文分析了中國首次獲得的橢圓超低軌道原位大氣密度探測數據,獲得了大氣密度隨緯度、高度、地方時的初步變化特征,并與大氣模式進行了比較。 主要結論如下:

1) 高度相差100 km,大氣密度相差近一個量級。

2) 獲得了升降軌期間超低軌道的大氣密度變化特征,降軌階段的大氣密度隨高度的升高下降更快,每千米分別下降0. 025 × 10-12kg/m3、0.041 ×10-12kg/m3。 該現象是由于降軌、升軌階段處于13:00/01:00 地方時,升軌時陰影區大氣密度整體處于較低水平,使得高度變化引起的密度變化偏小。

3) 分析了相同緯度下大氣密度隨高度和地方時的變化,升軌段地方時處于午夜時分,而降軌段處于正午,升軌段(低高度)大氣密度是降軌階段的11.2 倍,高度對大氣密度的影響大于地方時的影響。

4) 在北半球高中低緯度地區上空,大氣密度日均值均隨高度上升而下降,且隨著緯度的減小,實測日均值與模式日均值的比值也減小,表明兩者的相對誤差增大,實測數據可為模式修正提供支持。

中國利用橢圓軌道衛星,開展了超低軌道大氣密度原位探測,其分布符合空間環境規律變化,后續將開展數據應用工作。 隨著航天技術和應用需求的發展,未來在超低軌道上長期駐留的衛星將逐步增多,對該軌道的環境認識也應逐步加深,進行更多的原位探測。