超低轨道距离地球表面一般在400 km以下，在该轨道运行的卫星称为超低轨卫星。由于运行轨道高度低，超低轨卫星常用于军事侦察以及科学探测，是最具威胁和杀伤力的超级“间谍”，与一般航天器相比，超低轨卫星成像质量高、探测数据精确，是美国、俄罗斯等航天大国关注的焦点。

本文重点关注超低轨卫星空间环境效应方面的研究进展，以期对我国超低轨卫星的研制及环境适应性评估提供参考。

超低轨卫星环境效应研究

超低轨空间环境效应的研究。一方面，超低轨道环境的特殊势必造成卫星材料及器件的新效应，在卫星总体设计时需考虑到新的环境效应的种类及影响程度，必须通过地面试验或空间搭载试验对材料及器件的超低轨环境效应适应性进行验证。另一方面，目前，我国还没有超低轨环境的实测数据，借助于超低轨卫星可以开展相关环境探测工作，为环境模型建立积累数据。

1、超低轨环境

众所周知，低地球轨道气体主要成分是原子氧，占地轨道气体总数的80%以上，而超低轨气体环境与低轨有很大不同，其成分主要是分子氮（N）和原子氧（O）。表1给出了不同轨道高度下大气组分密度的变化，从表中明显看出，在400 km轨道，原子氧（O）的密度为1.0E＋8 cm-3，比分子氮（N）密度高两个数量级4.99E＋6 cm-3；而在00 km轨道，原子氧（O）的密度为4.E＋9 cm-3，分子氮（N）密度与其在同一数量级3.05E＋9 cm-3。

2、空间搭载试验

日本计划在SLATS卫星上搭载环境效应探测器，进行空间环境的监测及材料暴露试验，这是首次在50 km轨道上开展材料暴露试验。该暴露试验通过两个搭载模块实施，分别为MDM-S和MDM-C（MDM为MateriasDegradation Monitor的缩写），其中MDM-S是一个包含9种材料被动暴露试验的样品盒，而MDM-C是CCD，用于对暴露试验中样品的退化情况进行拍照。

表1不同轨道高度下大气组分密度（MSISE-90计算）

2.1原子氧通量探测器

通过AOFS（Atomic Oxygen Fluence Sensor）监测原子氧通量。AOFS由8个覆盖有聚酰亚胺薄膜的热电石英晶体微量天平TQCMs(Thermoelectric Quartz Crystal Microbalances)组成。TQCMs热电石英晶体微量天平安装在SLATS结构外部，通过测试聚酰亚胺薄膜的质量损失计算原子氧通量。

2.2.材料降解监视器

材料降解监视器（MDM，Material Degradation Monitor）由材料样品及光学相机组成，其中材料样品包括常规卫星外部材料及未来抗原子氧新型材料组成。监视器定位在SLATS飞行方向上的底面，光学相机用于对样品进行拍照。

SLATS卫星的轨道任务如下：

1）68～430 km变轨（时间较短）；

图1 SLATS卫星探测载荷位置

图1 MDM-S和MDM-C结构图

）430～50 km缓慢变轨（450天）；

3）50～0 km变轨（速度约10 km/周）；

4）0 km运行50天；

5）0～180 km变轨（速度约10 km/周）。

根据上述输入，采用MSISE 90模型计算了O与N的积分通量，478天任务时，原子氧积分通量为1.3E＋/cm；348天任务时，N的积分通量为8.9E＋0/cm。依据MISSE-中FEP原子氧侵蚀率的结果可以推算超低轨N对FEP的侵蚀率为.8E-4 cm3/atom，大于O对FEP的侵蚀率为1.9E-5 cm3/atom。

3、地面模拟试验

超低轨空间环境主要是中性大气环境，主要成分是分子氮（N）和原子氧（O）。目前，关于原子氧地面模拟试验方面的研究较多，而分子氮及其它环境效应方面的研究较少。

3.1原子氧效应

原子氧是00～700 km的轨道大气的主要成分，原子氧不仅具有很强的氧化性，而且当航天器以7～8 km/s的速度在轨运行时，原子氧相对于航天器具有4～5 eV的平均动能，因此当原子氧撞击到航天器外表面时，会造成表面材料的质量和厚度损失、表面形貌的变化，力学、热光学性能也会受到不同程度的影响。此外原子氧剥蚀产物还会对光学器件、热控涂层、太阳电池阵等部件表面带来污染，这些都会影响到航天器的正常运行并缩短其使用寿命。美国、俄罗斯、欧空局、加拿大、日本等国家建立了多个地面模拟试验设备，并对大量空间材料开展了原子氧效应试验研究，获取的丰富的原子氧效应数据，为国外航天器的研制做出了重要的贡献[,3]。

3.2分子氮效应

为研究分子氮（N）对超低轨卫星表面材料及组件性能的影响，必须借助地面模拟试验系统，日本及美国的研究者均利用激光解离原理建立了分子氮气体撞击地面模拟设备[4,5]。同时由于分子氮和惰性气体与材料表面的作用均以物理溅射为主，因此，国外学者主要关注惰性气体对材料性能的影响。日本的M.Tagawa利用激光解离设备研究了Ar对材料性能的影响，研究对象为聚酰亚胺薄膜和氟化聚合物薄膜，材料的质量损失由石英晶体微量天平原位测量。研究结果表明，Ar中性束的撞击对聚酰亚胺薄膜质量的影响不大，而对氟化聚合物薄膜的影响较大，由于Ar的撞击能低于超低轨道中N的撞击能，因此笔者认为N的撞击会导致超低轨卫星表面氟化聚合物薄膜的严重侵蚀[6]。

3.3激波等离子体效应

当飞行器高速运行时，一般速度达到5～16 Ma之间，与大气强烈作用，在头部形成弓形脱体激波，波后气体压强、温度急剧升高，使大气解离、电离，在飞行器周围形成等离子体包覆流场，称为激波等离子体。等离子体会和大气中的N、O共同作用，对飞行器表面材料产生影响。同时，等离子体的产生还会附带辉光效应，降低航天器上光学设备的观测能力。目前，超低轨激波等离子体及其附带环境影响较为复杂，国内外在这方面研究较少，亟需开展系统深入研究。

结论

1）超低轨卫星由于其在侦察方面的优势，在军事及科学领域应用前景广阔，美国、俄罗斯、日本等国先后均研制了超低轨卫星。

）超低轨卫星的空间环境效应方面国外主要关注的焦点在于原子氧（O）与分子氮（N）的影响。日本通过SLATS卫星已经开始超低轨环境效应搭载试验研究。我国超低轨卫星的空间环境防护设计也需关注原子氧（O）与分子氮（N）的效应。

3）对于超低轨卫星来说，激波等离子体环境也是由于稠密大气诱发的一种次生环境，激波等离子体和原子氧（O）、分子氮（N）的共同作用会对超低轨卫星外露材料及组件产生更加复杂的影响，需要进一步深入研究。