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超低轨道卫星轨道维持新思
一、超低轨道卫星的优势及面临的难题
超低轨道卫星一般指轨道高度处于120~300km之间的卫
星。由于轨道高度低,能够快速、频繁到达目标上空获取信息,
而且由于离地面更近,甚至采用普通观测设备就能实现高分辨率
观测,同时卫星研制成本能够降低到传统卫星的三分之一到五分
之一,发射成本也显著降低。因此,超低轨道卫星的研制具有很
大的经济效益和应用价值。
但是,由于高度在300km以下的外层空间属于热层与外层
大气的范围,相比传统低轨卫星,超低轨道卫星受到的气动力阻
力要高出几个到几十个数量级,如果按照传统卫星的轨道控制方
式,利用喷气装置作为动力,则会由于频繁喷射消耗大量能源和
燃料,迅速缩短卫星使用寿命,而正在研制中的等离子推进器,
其推力仅有几个mN,远不能提供足够的推力。所以必须寻找一
种新的途径来解决超低轨道卫星轨道维持的问题。
二、超低轨道所处大气层特点
习惯上,将卫星按轨道高度分为高轨、中轨、和低轨卫星,
其中,低轨道卫星主要指运行在100~1000km高度的卫星,目
前工程上实用的甚低地球轨道高度约为200~400km。本文讨论
的超低轨道卫星主要运行高度在100~200km。在这个高度上,
大气密度可达到106~109kg/m3量级,作用在卫星上的气动力
能够达到几十到几百mN,对卫星轨道衰减影响十分巨大。
另外,该轨道高度正处于地球大气电离层的范围,其中F1层
高度一般在140~200公里之间,电子密度为1010~1011/m3
(图1)。是被大气强烈吸收的那部分远紫外辐射所产生的。这些
辐射产生离子O2+、N2+、O+、H2+和N+。由于随后的一系列
反应,最终产物以NO+和O+为主。随着高度上升,主要离子成
分由分子逐渐过渡为原子离子。负离子和双电荷正离子很少,正
离子密度与电子密度相等。
三、超低轨道卫星轨道维持方案新思路
设想推进器结构如图2、图3。卫星以每秒约7.8Km的速度
运行在超低轨道上,稀薄大气以相对卫星每秒7.8Km的速度通
过卫星后部的网格栅正极板冲入加速电场,其中的正离子如
NO+和O+进入电场被加速后以更高的速度向后抛出,对卫星产
生反作用的推力。而负离子主要是电子,和卫星的相对动能比正
离子低得多(具有1ev动能的电子,速度大约每秒600Km),其
中一部分被带正电的卫星表面俘获,剩余的进入电场后,由于初
始速度低而电场强度是如此之大,以至于电子冲入电场不深就被
弹出,可以看做是完全弹性碰撞,电子获得的能量远远低于正离
子。由此产生的阻力也远低于正离子产生的推力,可以忽略不计。
根据电场对带电粒子做功公式W=qU=qEd=Fd得出电场中
带电粒子对电场的反作用力为F推=qE=qU/d。式中q为电场中
正离子总电量,与电场的体积以及离子密度相关,q=Sdρ,式中
S为网格栅加速电极板面积,d为正负电极板间距,ρ为大气离
子密度,则可进一步推导出推力公式为F推=SUρ。可以看出推
力大小只与三个因素相关:推进器加速电极面积、加速电压、稀
薄大气中电子密度。
我们以200km高度轨道为例,该高度电子密度为1011/m3,
相当于每立方米体积含有电量约为1.602×10-8库伦的正离子。
然后我们取电极面积为10m2,加速电压为5000Kv,则可以推算
出推力为800mN,这个推力足以抵消超低轨道上稀薄大气对卫
星产生的气动阻力。
为解决由于加速电场对稀薄大气中等离子体的分离作用导
致的次生电场干扰,在加速电场尾部设置电子发生器,中和喷出
的正离子,同时使卫星本体表面带正电荷,可以吸附大气中的电
子以及被加速电场反弹回来的电子,保持卫星周围电场平衡。
超低轨道卫星运行周期大约为90分钟。在一个周期内,受
地影影响,有大约60分钟有阳光照射,可以直接利用太阳能电
池的电力为加速电场提供能量,采用间歇推进的方案,降低对卫
星电源系统的要求。经计算,推进器所需功率大约为6Kw左右,
太陽能电池的功率可以满足要求。
四、结语
推进剂和燃料消耗是影响卫星在轨寿命的主要因素。由于超
低轨道卫星所在轨道高度含有稀薄大气并且具有等离子特性
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