高边疆之谋㉑|日本研究超低轨道卫星,“黑科技”有军用潜力

何慧东/北京空间科技信息研究院

2020-01-20 07:42 来源:澎湃新闻

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2017年12月23日,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)研制的“超低轨道技术试验卫星”(SLATS)由H-2A运载火箭发射成功,该卫星是世界首颗具有变轨能力的超低轨道卫星,将在轨验证超低轨道高度保持,高分辨率对地观测等一系列关键技术。超低轨道技术能够迅速增强战场信息获取能力,军事应用潜力巨大。
耗资三千余万美元研究航天“黑科技”
日本宇宙航空研究开发机构于2017年12月23日发射了SLATS卫星,该卫星将部署高180-268千米的轨道,用于验证超低轨道高度保持技术,并利用小型光学遥感器开展高分辨率对地观测,同时开展大气地热层探测,获取大气密度、原子氧密度等数据,研究原子氧材料性能恶化的影响,为未来发展超低轨道卫星系统提供工程验证。
该卫星由日本宇宙航空研究开发机构研制、发射和运管,三菱电机公司是卫星主承包商,负责与设计机构和供货商沟通和协调。卫星项目总经费约合3138万美元,其中研制经费约2389万美元。
“超低轨道技术试验卫星”(SLATS)在轨运行想象图
SLATS卫星由平台和有效载荷两大部分组成,卫星展开尺寸2.5米×5,2米×0.9米,星体呈长方形,有利于减少超低轨道运行阶段的阻力,同时使用了大太阳电池翼,通过调整姿态可改变横截面积,调节飞行阻力,辅助进行轨道转移。该卫星重400千克,设计寿命2年,采用三轴稳定控制,推进系统采用化学推进分系统执行编队任务,使用氙离子发动机执行超低轨道保持任务。
SLATS卫星搭载了3套有效载荷,氙离子发动机用于轨道机动和轨道保持,小型高分辨率光学遥感器用于对地成像,原子氧监控系统用于包括原子氧测量遥感和材料性能恶性监控器,分别用于在轨实时实时测量原子氧分布,以及监控原子氧作用下13种材料的性能变化。
SLATS卫星由H-2A发射入轨
任务基本情况
SLATS卫星任务期2年,包括以下5个实施阶段。
发射阶段 利用H-2A运载火箭执行“一箭双星”发射任务,首先将“全球变化观测任务-碳循环”卫星送入太阳同步轨道,随后火箭再次点火降低轨道,将SLATS卫星送入高530千米的太阳同步轨道。
初始轨道控制阶段 SLATS卫星入轨后进行初始轨道高度控制,利用化学推进系统在约1个月时间内将卫星高度降至408千米.
轨道转移阶段 通过调整卫星姿态增加大气阻力,利用约1年时间将卫星缓慢转移至268千米的超低轨道。
超低轨道运行阶段 卫星利用氙离子发动机进行超低轨道保持,分别在268千米高度运行31天,250千米运行7天,240千米运行7天,230千米运行7天,220千米运行31天和180千米运行7天,在验证超低轨道高度保持技术的同时展开对地观测、空间环境探测和材料性能研究等一系列活动。
后期应用阶段 超低轨道稳定运行阶段结束后,卫星将进行为期180天的后期应用,根据燃料剩余情况进一步开展降轨或升轨试验。
SLATS卫星利用氙离子发动机进行超低轨道保持
预期实现以下三大目标
一是验证超低轨道保持技术 。200千米轨道附近的大气密度是600-800千米太阳同步轨道附近的1000倍,大气阻力显著增大,卫星运行轨道保持将难以保持。SLATS卫星利用高比冲氙离子发动机持续提供小推力,抵消大气阻力的作用,并根据大气阻力的变化持续调节推力,保证卫星在超低轨道长期稳定运行,轨道高度保持精度优于1千米。
二是开展超低轨道卫星高边分辨率成像。超低轨道的大气阻力和离子发动机的推力将引起卫星姿态的扰动,造成相机成像模糊,对地观测性能下降。SLATS卫星采用了高精度姿态控制系统,提升卫星指向精度和稳定度,降低扰动因素对成像效果的负面影响。同时,由于卫星运行在超低轨道,成像分辨率显著提高。
三是获取环境数据,积累超低轨道卫星工程经验。超低轨道卫星目前仍存在诸多基础性问题尚未解决,大气环境数据匮乏为任务带来不确定性,轨道附近的原子氧容易与卫星表面的抗辐射、耐高温、耐低温的隔热材料发生反应,引起材料受损、性能恶化,导致卫星故障率增大。SLATS卫星在轨实时测量大气密度、原子氧密度等数据,修正大气预测模型,能够支持后续超低轨道卫星设计和轨道控制。此外,开展抗原子氧材料研究和工程试验,可有效延长任务寿命,为未来超低轨道卫星实际应用积累基础数据和工程经验。
电推是卫星的新型推进技术
军事应用潜力不小
超低轨道卫星可以实现以低成本方式实现高性能侦察。超低轨道通常是指临近空间以上,且低于300千米高度的轨道。在超低轨道部署卫星,能够大幅缩短成像距离,提供光学和雷达性能,利用小卫星搭载成像载荷即可达到目前世界领先的成像能力,卫星研制和发射成本也将大幅降低。对于光学成像系统,随着轨道高度降低,卫星分辨率提升,当卫星使用相同光学遥感器,运行在180千米高度轨道分辨率是在900千米轨道的5倍。对于雷达成像系统,采用超低轨道设计方案可显著降低雷达功耗,提高成像分辨率和综合观测能力,实现成像载荷小型化和轻型化。
超低轨道卫星变轨能力可以实现“平时普查”与“战时详查”应用。为满足全球覆盖和每日目标重访的侦察需求,侦察卫星大多采用三星一组的方式部署,同时要求具备大角度侧摆能力。在单星部署的情况下,卫星回归周期从数天至数十天不等,主要执行全球普查任务、268千米的太阳同步轨道是一条特殊的骨雕,可实现卫星每天过顶特定地区,开展热点地图高频度详查任务,军用应用潜力巨大。以具备多次灵活变轨能力的SLATS卫星为例,平时可以运行在高320千米的太阳同步轨道,重访周期5天,执行全球观测任务,战时利用大推力化学推进分系统将卫星快速变轨至268千米的太阳同步轨道,开展热点地区每日定点侦察任务,以“平战结合”的方式实现天基资产高效率利用。
SLATS卫星重400千克,属于小卫星
超低轨道卫星可灵活部署,实现快速响应战术支持。尽管超低轨道卫星具备成像分辨率高、回归轨道可定点侦察的优势,但由于大气阻力,卫星设计寿命通常不到半年,大规模应用受到限制。国外大多数超低轨道卫星在1970年前部署,开展短期对地观测、空间科学等任务,此后长期发展缓慢。2000年以后,超低轨道卫星的代表是俄罗斯超低轨道光学侦察卫星、欧洲“重力场和稳定洋流探测器”等。随着技术的进步,航天大国重视发展快速响应空间能力,超低轨道卫星快响潜力巨大,可组批研制卫星并地面封存,在紧急情况下快速发射部署,开展短期战术支持任务。对于具备轨道保持能力的卫星,则可在超低轨道开展长期业务运行,进一步提升响应毒素和实战应用能力。
降低卫星高度是除了研发先进成像载荷之外,提升卫星成像能力的一个重要途径。目前,超低轨道卫星技术尚未成熟,超低轨道小卫星平台、电推进、防务材料等关键技术有待突破,提前进行技术储备,对实现超低轨道卫星长期在轨飞行,成倍提升成像能力具有积极意义。
(本文原题为《日本“超低轨道技术试验卫星”任务及应用》,原载于《国际太空》杂志,澎湃新闻经授权转发,措辞略有变动)
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责任编辑:谢瑞强
澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 超低轨道卫星,高边疆,日本航天

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