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超低轨道卫星:低成本航天新宠儿
作者: 发布时间:2018-06-07 阅读次数:

  日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)从种子岛宇宙中心,成功将色彩号气候变化观测卫星和燕号超低轨道技术试验卫星送入预定轨道。 

  通常地球观测卫星的飞行高度为600~800公里,而此次日本发射的燕号卫星的运行高度则只有180~270公里,一时间引起了航天界的广泛关注。那么,超低轨道卫星有什么特点?它与中低轨道卫星相比又有何优势呢? 

  需持续高效的动力系统 

  人造卫星的轨道就高度而言可分为低轨、中轨和高轨三种,但对于它们之间的分界高度并没有一个很清楚的定义,大致可以用1000公里当作低轨道和中轨道的分界线,用两万公里当中轨道和高轨道的分界线。那么,极端条件下无动力的卫星不会坠落到地球上的最低轨道高度是多少呢?答案是160公里,而日本发射的这颗卫星已经接近于轨道高度的下限。 

  截至目前,在超低轨道上飞行的卫星还很稀少,只有欧空局用来详细观测地球重力的科学卫星,在大约260公里的高度上运行试验过。在实用的超低轨道卫星方面,日本此次发射的燕号卫星将是首次尝试。 

  从一般意义上讲,100公里以上的空间就属于太空,但该区域依然存在稀薄空气,轨道高度越低空气密度越大。180~270公里高度下的大气浓度是普通地球观测卫星轨道的近1000倍,如果不采取措施,卫星会很快耗尽燃料坠入大气层烧毁。因此,在超低轨道上运行的卫星必须要有持续高效的动力推进系统,而日本此次发射的燕号卫星,其首要任务就是验证卫星的动力推进装置。 

   

  此次日本发射燕号超低轨道技术试验卫星模拟图 

  那么,燕号卫星靠什么动力推进呢?答案是离子发动机。这种发动机的工作原理是先将气体电离,然后用电磁力将带电离子加速后喷出,利用反作用力作为动力推进。 

  离子发动机的特点是加速度很低,一般只有几厘米/秒甚至更低,有人形容这种推力只能“吹动一张纸”,但与采用化学燃料推进的发动机相比,离子发动机提供的加速时间更长,发动机比冲更大。 

  对于卫星在太空的调姿和变轨,微小推力往往就足够了。JAXA计划让燕号卫星在481公里高度进入椭圆形轨道,约1年零3个月后从270公里的高度逐渐下降,每次下降10公里。JAXA让离子发动机在不同的高度喷射离子束,确认最长能否在1个月内保持高度,1年零9个月后让卫星在180公里的高度飞行7天,之后将确认在不使用发动机的情况下能够维持多久不坠入大气层。 

  对地观测能力更强 

  日本此次发射超低轨道卫星,除了要验证等离子发动机外,另外一个重要目的就是验证超低轨道卫星的对地观测技术。 

  由于卫星在超低轨道飞行,且距离地表更近,因此不需要搭配高性能、高价格的照相机和雷达,就能够达到中低轨道上卫星的探测能力。 

  相比较而言,同样一个直径30厘米的照相机,在600公里高度的近地轨道上,只能够拍摄到地表1米左右的物体,而飞到200公里的超低轨道,却能看清楚不到50厘米的物体。 

  此外,在超低轨道上运行卫星的机体也能实现更加小型化,从而减少研制成本和耗电量。所以,超低轨道卫星就是专门为小成本、小卫星而设计研制的。 

  未来太空产业的主流一定是低成本、小型化、广泛性。可以说,日本JAXA盯准的就是这块巨型蛋糕。该卫星被期待推动低成本小型卫星的研制、开拓新需求。对于商业前景,JAXA设想让几颗超低轨道卫星绕地球飞行,在发生灾害时让轨道高度最低的卫星拍摄受灾地的情况。 

  另外,超低轨道卫星还有望用于侦察等安全保障领域。 

  多种措施防坠入大气层 

  虽然,超低轨道卫星有着低成本优势,但同时也对卫星本身的技术提出了较高要求。为减轻维持轨道的负担,超低轨道卫星的重量很轻。此次日本发射的燕号卫星,其太阳能电池板的体积为2.5米×5.2米×0.9米,但重量只有400克,因而材料的耐用性需要经受住恶劣环境的考验。 

  卫星在超低轨道上运行,稀薄大气因宇宙射线和强烈紫外线照射,存在呈离子状态的氧。这些氧容易与金属和化学物质发生反应,导致卫星表面的隔热材料劣化。 

  为解决这一问题,JAXA将尝试使用对射线和紫外线耐受性更好的聚酰亚胺树脂、氟代乙烯树脂和银质材料等材料。 

  另外,从超低轨道卫星的关键部件——离子发动机角度衡量,这种卫星能否成功的关键在于离子发动机长期运行的可靠性。因为卫星轨道很低,一旦离子发动机失效,卫星将迅速坠入大气层烧毁。 

  从上述情况来看,日本低轨道卫星的技术储备还是很深厚的。例如,日本2003年发射、2005年抵达小行星251432010年返回地球的隼鸟号小行星探测器,在整个任务期间,采用的就是离子发动机。时隔多年,对于日本来说,离子发动机技术只会日臻完善,更加成熟。 

  总体来说,超低轨道卫星绝非一个概念,在地球探测、救灾减灾、安全侦察等领域有着广泛的应用前景。日本在这一领域的探索走在了世界前列,对于新技术应用的眼光值得世界关注。 

  《飞天科普周刊》

 
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