超低軌道距離地球表面一般在400 km以下，在該軌道運行的衛星稱(chēng)為超低軌衛星。由于運行軌道高度低，超低軌衛星常用于軍事偵察以及科學(xué)探測，是最具威脅和殺傷力的超級“間諜”，與一般航天器相比，超低軌衛星成像質(zhì)量高、探測數據精確，是美國、俄羅斯等航天大國關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文重點(diǎn)關(guān)注超低軌衛星空間環(huán)境效應方面的研究進(jìn)展，以期對我國超低軌衛星的研制及環(huán)境適應性評估提供參考。

超低軌衛星環(huán)境效應研究

超低軌空間環(huán)境效應的研究。一方面，超低軌道環(huán)境的特殊勢必造成衛星材料及器件的新效應，在衛星總體設計時(shí)需考慮到新的環(huán)境效應的種類(lèi)及影響程度，必須通過(guò)地面試驗或空間搭載試驗對材料及器件的超低軌環(huán)境效應適應性進(jìn)行驗證。另一方面，目前，我國還沒(méi)有超低軌環(huán)境的實(shí)測數據，借助于超低軌衛星可以開(kāi)展相關(guān)環(huán)境探測工作，為環(huán)境模型建立積累數據。

1、超低軌環(huán)境

眾所周知，低地球軌道氣體主要成分是原子氧，占地軌道氣體總數的80%以上，而超低軌氣體環(huán)境與低軌有很大不同，其成分主要是分子氮（N）和原子氧（O）。表1給出了不同軌道高度下大氣組分密度的變化，從表中明顯看出，在400 km軌道，原子氧（O）的密度為1.0E＋8 cm-3，比分子氮（N）密度高兩個(gè)數量級4.99E＋6 cm-3；而在00 km軌道，原子氧（O）的密度為4.E＋9 cm-3，分子氮（N）密度與其在同一數量級3.05E＋9 cm-3。

2、空間搭載試驗

日本計劃在SLATS衛星上搭載環(huán)境效應探測器，進(jìn)行空間環(huán)境的監測及材料暴露試驗，這是首次在50 km軌道上開(kāi)展材料暴露試驗。該暴露試驗通過(guò)兩個(gè)搭載模塊實(shí)施，分別為MDM-S和MDM-C（MDM為MateriasDegradation Monitor的縮寫(xiě)），其中MDM-S是一個(gè)包含9種材料被動(dòng)暴露試驗的樣品盒，而MDM-C是CCD，用于對暴露試驗中樣品的退化情況進(jìn)行拍照。

表1不同軌道高度下大氣組分密度（MSISE-90計算）

2.1原子氧通量探測器

通過(guò)AOFS（Atomic Oxygen Fluence Sensor）監測原子氧通量。AOFS由8個(gè)覆蓋有聚酰亞胺薄膜的熱電石英晶體微量天平TQCMs(Thermoelectric Quartz Crystal Microbalances)組成。TQCMs熱電石英晶體微量天平安裝在SLATS結構外部，通過(guò)測試聚酰亞胺薄膜的質(zhì)量損失計算原子氧通量。

2.2.材料降解監視器

材料降解監視器（MDM，Material Degradation Monitor）由材料樣品及光學(xué)相機組成，其中材料樣品包括常規衛星外部材料及未來(lái)抗原子氧新型材料組成。監視器定位在SLATS飛行方向上的底面，光學(xué)相機用于對樣品進(jìn)行拍照。

SLATS衛星的軌道任務(wù)如下：

1）68～430 km變軌（時(shí)間較短）；

圖1 SLATS衛星探測載荷位置

圖1 MDM-S和MDM-C結構圖

）430～50 km緩慢變軌（450天）；

3）50～0 km變軌（速度約10 km/周）；

4）0 km運行50天；

5）0～180 km變軌（速度約10 km/周）。

根據上述輸入，采用MSISE 90模型計算了O與N的積分通量，478天任務(wù)時(shí)，原子氧積分通量為1.3E＋/cm；348天任務(wù)時(shí)，N的積分通量為8.9E＋0/cm。依據MISSE-中FEP原子氧侵蝕率的結果可以推算超低軌N對FEP的侵蝕率為.8E-4 cm3/atom，大于O對FEP的侵蝕率為1.9E-5 cm3/atom。

3、地面模擬試驗

超低軌空間環(huán)境主要是中性大氣環(huán)境，主要成分是分子氮（N）和原子氧（O）。目前，關(guān)于原子氧地面模擬試驗方面的研究較多，而分子氮及其它環(huán)境效應方面的研究較少。

3.1原子氧效應

原子氧是00～700 km的軌道大氣的主要成分，原子氧不僅具有很強的氧化性，而且當航天器以7～8 km/s的速度在軌運行時(shí)，原子氧相對于航天器具有4～5 eV的平均動(dòng)能，因此當原子氧撞擊到航天器外表面時(shí)，會(huì )造成表面材料的質(zhì)量和厚度損失、表面形貌的變化，力學(xué)、熱光學(xué)性能也會(huì )受到不同程度的影響。此外原子氧剝蝕產(chǎn)物還會(huì )對光學(xué)器件、熱控涂層、太陽(yáng)電池陣等部件表面帶來(lái)污染，這些都會(huì )影響到航天器的正常運行并縮短其使用壽命。美國、俄羅斯、歐空局、加拿大、日本等國家建立了多個(gè)地面模擬試驗設備，并對大量空間材料開(kāi)展了原子氧效應試驗研究，獲取的豐富的原子氧效應數據，為國外航天器的研制做出了重要的貢獻[,3]。

3.2分子氮效應

為研究分子氮（N）對超低軌衛星表面材料及組件性能的影響，必須借助地面模擬試驗系統，日本及美國的研究者均利用激光解離原理建立了分子氮氣體撞擊地面模擬設備[4,5]。同時(shí)由于分子氮和惰性氣體與材料表面的作用均以物理濺射為主，因此，國外學(xué)者主要關(guān)注惰性氣體對材料性能的影響。日本的M.Tagawa利用激光解離設備研究了Ar對材料性能的影響，研究對象為聚酰亞胺薄膜和氟化聚合物薄膜，材料的質(zhì)量損失由石英晶體微量天平原位測量。研究結果表明，Ar中性束的撞擊對聚酰亞胺薄膜質(zhì)量的影響不大，而對氟化聚合物薄膜的影響較大，由于A(yíng)r的撞擊能低于超低軌道中N的撞擊能，因此筆者認為N的撞擊會(huì )導致超低軌衛星表面氟化聚合物薄膜的嚴重侵蝕[6]。

3.3激波等離子體效應

當飛行器高速運行時(shí)，一般速度達到5～16 Ma之間，與大氣強烈作用，在頭部形成弓形脫體激波，波后氣體壓強、溫度急劇升高，使大氣解離、電離，在飛行器周?chē)纬傻入x子體包覆流場(chǎng)，稱(chēng)為激波等離子體。等離子體會(huì )和大氣中的N、O共同作用，對飛行器表面材料產(chǎn)生影響。同時(shí)，等離子體的產(chǎn)生還會(huì )附帶輝光效應，降低航天器上光學(xué)設備的觀(guān)測能力。目前，超低軌激波等離子體及其附帶環(huán)境影響較為復雜，國內外在這方面研究較少，亟需開(kāi)展系統深入研究。

結論

1）超低軌衛星由于其在偵察方面的優(yōu)勢，在軍事及科學(xué)領(lǐng)域應用前景廣闊，美國、俄羅斯、日本等國先后均研制了超低軌衛星。

）超低軌衛星的空間環(huán)境效應方面國外主要關(guān)注的焦點(diǎn)在于原子氧（O）與分子氮（N）的影響。日本通過(guò)SLATS衛星已經(jīng)開(kāi)始超低軌環(huán)境效應搭載試驗研究。我國超低軌衛星的空間環(huán)境防護設計也需關(guān)注原子氧（O）與分子氮（N）的效應。

3）對于超低軌衛星來(lái)說(shuō)，激波等離子體環(huán)境也是由于稠密大氣誘發(fā)的一種次生環(huán)境，激波等離子體和原子氧（O）、分子氮（N）的共同作用會(huì )對超低軌衛星外露材料及組件產(chǎn)生更加復雜的影響，需要進(jìn)一步深入研究。