李永平 朱光武 鄭曉亮 艾講趙 閆亞飛 周建華

(1. 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 天基空間環(huán)境探測北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190;2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心, 北京 100190;4. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所, 上海 201108)

超低軌道(very low Earth orbit, VLEO)一般指距地球表面150 ～400 km[1]。 航天器在該軌道上運(yùn)行時(shí),可獲得更高的分辨率,減小質(zhì)量和體積,改善地理空間定位精度,提高運(yùn)載火箭的載重能力[2],同時(shí)具有較低的碎片碰撞風(fēng)險(xiǎn)和輻射風(fēng)險(xiǎn);但超低軌道具有大通量原子氧和較為稠密的大氣密度,使得航天器表面敏感材料加速剝蝕和污染,衛(wèi)星加速隕落,增大軌道預(yù)報(bào)的不確定性。原子氧是超低軌道熱層大氣中最為豐富的元素,也是對超低軌道航天器影響最嚴(yán)重的因素之一[3],其相對航天器飛行速度快,化學(xué)性質(zhì)活潑,能量較高,對航天器表面材料有明顯的剝蝕效應(yīng)[4-5]。 超低軌道大氣密度較大,大氣密度引起的大氣阻力對于航天器的發(fā)射和再入、壽命、軌道預(yù)報(bào)等也具有重要的影響[2,6]。 而現(xiàn)有的大氣模型誤差較大,截止到21 世紀(jì)初精度依然沒有突破15%[7]。

超低軌道對于氣球探測來說太高,對于低軌道衛(wèi)星來說比較低,無法長時(shí)間駐留,且該區(qū)域輻射光譜特征少,遙感探測相對困難,因此超低軌道大氣密度探測較少,實(shí)測數(shù)據(jù)較為缺乏且覆蓋不足,使得該高度上的大氣模型誤差較大,圈層之間的能量動(dòng)量耦合規(guī)律尚未厘清,科學(xué)家們經(jīng)常稱該區(qū)域?yàn)椤拔粗獙印盵2,8]。 結(jié)合超低軌道大氣密度原位探測的發(fā)展歷程,本文對超低軌道大氣密度原位探測手段及中國探測結(jié)果進(jìn)行分析和討論,區(qū)別于以往圓軌道衛(wèi)星的同一高度探測,橢圓軌道衛(wèi)星可以探測不同高度上大氣密度變化,比較不同高度、不同緯度和地方時(shí)的大氣密度變化特征,為后續(xù)數(shù)據(jù)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 國內(nèi)外超低軌道衛(wèi)星大氣密度原位探測計(jì)劃

1.1 美國超低軌道衛(wèi)星大氣密度原位探測

NASA 研制的AE-C、D、E 系列衛(wèi)星發(fā)射于20世紀(jì)70 年代[9-10],其目的是探測和研究全球中性大氣和電離層的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)過程。 在該衛(wèi)星上裝載了中性大氣溫度探測儀(neutral atmosphere temperature instrument,NATE),初步獲得了220 ～400 km 高度的軌道大氣參數(shù)。 AE-C 衛(wèi)星實(shí)物圖如圖1 所示(https://en. wikipedia. org/wiki/Explorer_51)。

圖1 AE-C 衛(wèi)星Fig.1 AE-C satellite

NASA 研制的 DE-2 衛(wèi)星發(fā)射于 1981年[11-13],其目的是為研究電離層、熱層、磁層的耦合規(guī)律。 在該衛(wèi)星上裝載了中性大氣成分探測器,用于測量軌道的大氣環(huán)境,獲得了該時(shí)期空間環(huán)境條件下200 ～600 km 高度的大氣參數(shù)。 DE-2衛(wèi)星實(shí)物圖如圖2 所示(https://en. wikipedia.org/wiki/Dynamics_Explorer_2)。

圖2 DE-2 衛(wèi)星Fig.2 DE-2 satellite

美國科羅拉多大學(xué)研制的DANDE 衛(wèi)星發(fā)射于2013 年[14],其目的是為研究衛(wèi)星阻力,軌道為200 ～1 200 km。 主要儀器有大氣密度探測儀,用于測量近地點(diǎn)附近的大氣參數(shù),大氣密度測量精度為2 × 10-13kg/m3。 DANDE 衛(wèi)星外形如圖3所示(https://directory. eoportal. org/web/eoportal/satellite-missions/d/dande)。

圖3 DANDE 衛(wèi)星Fig.3 DANDE satellite

1.2 歐盟超低軌道衛(wèi)星大氣密度原位探測

歐盟主導(dǎo)的QB50 計(jì)劃在2017 年后陸續(xù)分批次發(fā)射,運(yùn)行在200 ～380 km 高度范圍,部分衛(wèi)星裝載大氣探測器對軌道中性大氣進(jìn)行原位探測,衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為3 個(gè)月。 圖4 為探測衛(wèi)星示意圖[15]。

圖4 QB50 衛(wèi)星[15]Fig.4 QB50 satellite[15]

1.3 日本超低軌道衛(wèi)星大氣密度原位探測

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)設(shè)計(jì)研制的一顆超低軌道衛(wèi)星于2017 年12 月發(fā)射,該衛(wèi)星軌道高度180 ～250 km,簡稱SLATS(super low altitude satellite)[16]。 該衛(wèi)星的主要目的是驗(yàn)證超低軌衛(wèi)星系統(tǒng),測量原位大氣密度,在軌監(jiān)測原子氧,研究超低軌道大氣環(huán)境對衛(wèi)星的影響。圖5 為SLATS 衛(wèi)星模型(https://directory. eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/s/slats)。

圖5 SLATS 衛(wèi)星Fig.5 SLATS satellite

1.4 中國超低軌道衛(wèi)星大氣密度原位探測

從20 世紀(jì)90 年代開始,在中國載人航天工程重大任務(wù)的支持下,由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制的星載質(zhì)譜儀及大氣密度探測器分別在“神舟二號(hào)”、“神舟三號(hào)”和“神舟四號(hào)”飛船軌道艙上開展了連續(xù)在軌大氣環(huán)境監(jiān)測,獲得了在地磁寧靜期與磁暴期、太陽活動(dòng)期大氣密度的長期變化特性[17-21]。 后期在天宮實(shí)驗(yàn)室及其他應(yīng)用衛(wèi)星上裝載質(zhì)譜儀獲得了熱層大氣成分和大氣密度實(shí)測數(shù)據(jù),保障載人飛船安全運(yùn)行。 上述航天器均運(yùn)行于低軌道,目前中國長期運(yùn)行在超低軌道的衛(wèi)星還在論證之中,但也有橢圓軌道衛(wèi)星運(yùn)行在250 ～700 km,在該衛(wèi)星上搭載了大氣密度探測器,進(jìn)行大氣環(huán)境探測。

超低軌道大氣密度探測數(shù)據(jù)取自中國星載大氣密度探測器在軌原位探測結(jié)果,探測器搭載在橢圓形軌道運(yùn)行的中國衛(wèi)星上,衛(wèi)星運(yùn)行軌道高度為250 ～700 km,傾角為92°。 探測器采用測量傳感器內(nèi)氣體壓力和溫度的方法,并由氣體分子動(dòng)力學(xué)理論所建立的基本方程,結(jié)合衛(wèi)星運(yùn)行的姿態(tài)和速度來獲得自由大氣密度[18,21-22]。 圖6 為大氣密度探測器工作原理示意圖,表1 為探測器的主要性能參數(shù)。

圖6 大氣密度探測器原理示意Fig.6 Schematic diagram of atmospheric density detector

表1 中國原位大氣密度探測器的主要性能Table 1 Performance of Chinese in-situ atmospheric density detector

探測器獲取的原始數(shù)據(jù)與衛(wèi)星平臺(tái)數(shù)據(jù)經(jīng)過地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)處理后,最終得到3 級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,包括北京時(shí)、世界時(shí)、地方時(shí)、經(jīng)度、緯度、高度及大氣密度信息。 該探測器已實(shí)現(xiàn)多次在軌探測,也發(fā)布了相關(guān)的探測成果[18],分析了不同高度和不同地磁擾動(dòng)期間模式值與在軌實(shí)測值的差異。

1.5 分 析

國外雖早在20 世紀(jì)70 年代利用衛(wèi)星開展了超低軌道大氣密度原位探測,但截止到現(xiàn)今探測次數(shù)少,持續(xù)時(shí)間短,覆蓋有限,基于實(shí)測數(shù)據(jù)所建立的模型在該高度范圍誤差較大。 而國內(nèi)起步晚,在借鑒國外超低軌道大氣探測經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了初步探測。

2 超低軌道大氣密度原位探測手段

超低軌道大氣密度原位探測手段主要包括質(zhì)譜儀、微量天平及密度計(jì)。 質(zhì)譜儀既可測大氣成分,也可以測大氣密度,同時(shí)還可獲取原子氧信息;微量天平用于測量原子氧通量信息;密度計(jì)用于測量大氣密度。

1) 質(zhì)譜儀

質(zhì)譜儀可用于測量軌道空間的各氣體成分及其含量,獲得大氣成分和大氣密度。 其是把中性氣體粒子電離,通過質(zhì)量分析器把不同質(zhì)荷比的離子在電磁場中加以分類計(jì)數(shù)的一種儀器,既可以測量氣體成分,又可以測量分壓強(qiáng),獲得總壓強(qiáng),國際上將其廣泛地應(yīng)用于空間探測中。

按傳感器特性,可以將質(zhì)譜儀分為四極桿質(zhì)譜儀、飛行時(shí)間質(zhì)譜儀、磁質(zhì)譜儀等。 四極桿質(zhì)譜儀質(zhì)量輕、分辨率好,可在較惡劣的真空條件下工作,且無漏磁現(xiàn)象,可適應(yīng)超低軌道較低的真空度,在星載原位探測中應(yīng)用最多。

2) 微量天平

微量天平可用于測量軌道空間的原子氧通量。 主要原理是:以壓電石英晶體(quartz crystal microbalance,QCM)作為敏感傳感器,利用石英晶體傳感器的壓電特性,當(dāng)石英晶體敏感表面沉積微小物質(zhì)質(zhì)量或表面質(zhì)量被剝蝕減小時(shí),其諧振頻率就會(huì)發(fā)生變化,并由此獲得敏感晶體上沉積或者剝蝕質(zhì)量的變化。

在敏感石英晶片表面上涂覆Kapton 薄膜,Kapton 的原子氧剝蝕率已經(jīng)過多次飛行試驗(yàn)及地面試驗(yàn)驗(yàn)證,剝蝕率較為穩(wěn)定。 通過監(jiān)測敏感石英晶片表面質(zhì)量損失,根據(jù)材料已知的原子氧反應(yīng)系數(shù),即可推算軌道上原子氧通量。

3) 密度計(jì)

密度計(jì)可用于測量軌道空間的大氣密度。 探測器采用測量傳感器內(nèi)氣體壓力和溫度的方法,并由氣體分子動(dòng)力學(xué)理論所建立的基本方程,結(jié)合衛(wèi)星運(yùn)行的姿態(tài)和速度來獲得自由大氣密度。

上述3 種超低軌道大氣密度原位探測手段在國內(nèi)外均有運(yùn)用,中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制的軌道大氣綜合探測器,具有質(zhì)譜儀、壓力計(jì)及微量天平的綜合功能,在天宮實(shí)驗(yàn)室及應(yīng)用衛(wèi)星上獲得成功運(yùn)用。

3 中國超低軌道大氣密度原位探測結(jié)果

3.1 地磁指數(shù)和太陽活動(dòng)指數(shù)數(shù)據(jù)

采用美國國家海洋和大氣管理局空間環(huán)境中心發(fā)布的地磁指數(shù)Kp、Ap日均值和太陽輻射通量F10.7日均值數(shù)據(jù),地磁活動(dòng)指數(shù)Ap是表征地磁擾動(dòng)強(qiáng)度的分級(jí)指標(biāo),地磁活動(dòng)指數(shù)Kp表征國際3 h磁情指數(shù),每天8 個(gè)值。 太陽活動(dòng)指數(shù)F10.7是表征太陽活動(dòng)水平的重要參數(shù)。

3.2 模式數(shù)據(jù)

選用NRLMSISE00 模式數(shù)據(jù)(簡稱MSIS00)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。 MSIS 系列模式基于衛(wèi)星質(zhì)譜儀資料和非相干散射雷達(dá)測量溫度的結(jié)果建立[23-25]。 MSIS00 模式是美國海軍實(shí)驗(yàn)室(Navy Research Laboratory,NRL)以MSISE90 和Jacchia70為基礎(chǔ)開發(fā)改進(jìn)而來,包含衛(wèi)星加速度計(jì)和衛(wèi)星軌道反演得到的大氣總質(zhì)量密度數(shù)據(jù)、氧分子數(shù)密度數(shù)據(jù)及非相干散射雷達(dá)的溫度數(shù)據(jù)。 該模式描述了從地面到熱層(0 ～1 000 km)的中性大氣密度和溫度等大氣物理性質(zhì),可以反映熱層大氣密度的基本變化特征。

輸入如表2 所示的參數(shù),可求出與原位探測數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)的模式值。 該模式不僅能輸出不同地磁擾動(dòng)和不同太陽活動(dòng)水平條件下熱層大氣密度數(shù)據(jù),還可以輸出主要大氣成分的數(shù)據(jù)。

表2 MSIS00 模式的輸入和輸出參數(shù)Table 2 Input and output parameters of MSlS00 model

3.3 探測結(jié)果

衛(wèi)星運(yùn)行在250 ～700 km 軌道高度,對250 ～400 km 超低軌道大氣密度實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,獲得其隨時(shí)間和空間變化特征,并與MSIS00 模式進(jìn)行比較。

3.3.1 250 km、350 km 大氣密度實(shí)測值隨時(shí)間變化特征

圖7(a)為2020 年10 月7 日至11 日之間250 km、350 km 大氣密度實(shí)測值,圖7(b)、(c)分別為F10.7和Kp變化,F10.7為73.4,Kp最大值為2。這段時(shí)間太陽活動(dòng)及地磁活動(dòng)處于平靜狀態(tài),大氣密度整體處于較低值,250 km 實(shí)測平均值為1.923 × 10-11kg/m3, 350 km 實(shí) 測 平 均 值 為2.014 ×10-12kg/m3,兩者高度相差100 km,大氣密度相差近一個(gè)量級(jí)。

圖7 大氣密度實(shí)測值、太陽活動(dòng)指數(shù)和地磁活動(dòng)指數(shù)隨時(shí)間的演化Fig.7 Changes of observed results of atmospheric density,solar radiation index and geomagnetic index

3.3.2 實(shí)測大氣密度隨高度、緯度、地方時(shí)變化特征

導(dǎo)致大氣密度變化的因素除了太陽活動(dòng)及地磁擾動(dòng)之外,地方時(shí)、高度、緯度也是影響實(shí)測密度值變化的因素。 因此,對大氣密度隨高度、緯度和地方時(shí)的變化特征進(jìn)行分析和討論。

1) 升軌、降軌期間超低軌道不同高度大氣密度變化特征

圖8 為不同地方時(shí)13:00LT(LT 指地方時(shí))前后(降軌)和01:00LT 前后(升軌)大氣密度實(shí)測值隨高度的變化情況,高度范圍為250 ～400 km。

圖8 表明,大氣密度值隨著高度的升高而減小。 其中, 降軌階段衛(wèi)星從300 km 上升到400 km,大氣密度從5.2×10-12kg/m3下降到1.1 ×10-12kg/m3,每千米密度值平均下降0. 041 ×10-12kg/m3;同時(shí),模式值從1.0 ×10-11kg/m3下降到1.3 ×10-12kg/m3。 對降軌階段實(shí)測值進(jìn)行3 次多項(xiàng)式擬合,實(shí)測值和擬合值的相關(guān)系數(shù)r為-0.805 33, 殘差均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.526 5 ×10-13kg/m3和6.658 5×10-12kg/m3。 在升軌期間,軌道高度從400 km 下降到250 km,大氣密度從5×10-13kg/m3上升到1.8 ×10-11kg/m3,在300 km 時(shí),大氣密度為3 ×10-12kg/m3,每千米密度值平均下降0. 025 ×10-12kg/m3,約為降軌階段的0.6 倍。 模式值從5 ×10-13kg/m3上升到2.8 ×10-11kg/m3,300 km 時(shí)為7 ×10-12kg/m3。如表3 所示。

表3 大氣密度每千米下降值Table 3 Decrease of atmospheric density per kilometer kg/m3

圖8 大氣密度實(shí)測值隨高度的變化Fig.8 Changes of observed value of atmospheric density with altitude

以上分析表明,相比于升軌階段,降軌階段的大氣密度隨高度的升高下降得更快。 該現(xiàn)象可能是由于降軌、升軌階段處于13:00/01:00 地方時(shí),升軌時(shí)陰影區(qū)大氣密度整體處于較低水平,使得高度變化引起的密度變化偏小。 升軌時(shí)實(shí)測值下降值與模式值下降值比值為0.385,在降軌時(shí)兩者比值為0.471,該現(xiàn)象可能是由于模式為基于物理模型建立,代表統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果,誤差較大所致。

2) 相同緯度不同高度和地方時(shí)大氣密度變化特征

在相同緯度下,衛(wèi)星可處于不同的高度和經(jīng)度,從而研究大氣密度隨高度和經(jīng)度的變化,也就是大氣密度隨高度和地方時(shí)的變化。 圖9(a)、(b)分別為北緯40°升軌和降軌階段大氣密度變化。 可以看出,低高度(245 ～265 km)的大氣密度相比于較高高度(390 ～450 km)高出近一個(gè)量級(jí),圖9(a)平均密度為1.56 ×10-11kg/m3,地方時(shí)處于午夜01:00,圖9(b)平均密度為1. 36 ×10-12kg/m3,地方時(shí)處于中午13:00。 大氣密度受太陽極紫外輻射的影響,午夜和中午時(shí)分分別對應(yīng)大氣密度一天中的極小值和極大值,但午夜時(shí)運(yùn)行軌道更低。 因此,綜合高度和地方時(shí)的影響,顯然高度的影響大于地方時(shí)的影響,即使升軌段地方時(shí)處于午夜時(shí)分,而降軌段處于正午,升軌段大氣密度依然是降軌階段的11.2 倍。

圖9 相同緯度(北緯40°)下升軌和降軌期間大氣密度實(shí)測值隨高度的變化Fig.9 Changes of observed atmospheric density with altitude during orbit ascent and descent at the same latitude (40°N)

3) 不同緯度條件下大氣密度實(shí)測值與MSIS00 模式值的比較

由圖10 所示,在不同緯度下,實(shí)測日均值和模式日均值均隨高度的升高而下降,且實(shí)測值與模式值變化趨勢保持一致。 圖10(a)大氣密度實(shí)測值和模式值分別從1.35 ×10-11kg/m3、2.57 ×10-11kg/m3下 降 到4. 07 × 10-12kg/m3、8. 43 ×10-12kg/m3;兩者日均值比值維持在0.49 附近。由于衛(wèi)星在經(jīng)過北緯50°時(shí)處于升軌或降軌階段,時(shí)間較短,實(shí)測值數(shù)據(jù)量較少,如圖10(b)所示,但是也可看出隨高度下降的趨勢。 圖10(c)在268 ～290 km 范圍內(nèi)實(shí)測值下降較快,兩者比值下降到0.39。

圖10 不同緯度下大氣密度實(shí)測值與MSIS00 模式值及比值隨高度的變化Fig.10 Changes of observed result, MSIS00 model, and ratio of observed to model values with altitude at different latitudes

綜上所述,在高中低緯度地區(qū)上空,大氣密度均隨高度上升而下降,且隨著緯度的減小實(shí)測值與模式值的比值也減小,表明兩者的相對誤差增大,可能與模式在該高度缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)有關(guān)。

4 結(jié) 論

本文分析了中國首次獲得的橢圓超低軌道原位大氣密度探測數(shù)據(jù),獲得了大氣密度隨緯度、高度、地方時(shí)的初步變化特征,并與大氣模式進(jìn)行了比較。 主要結(jié)論如下:

1) 高度相差100 km,大氣密度相差近一個(gè)量級(jí)。

2) 獲得了升降軌期間超低軌道的大氣密度變化特征,降軌階段的大氣密度隨高度的升高下降更快,每千米分別下降0. 025 × 10-12kg/m3、0.041 ×10-12kg/m3。 該現(xiàn)象是由于降軌、升軌階段處于13:00/01:00 地方時(shí),升軌時(shí)陰影區(qū)大氣密度整體處于較低水平,使得高度變化引起的密度變化偏小。

3) 分析了相同緯度下大氣密度隨高度和地方時(shí)的變化,升軌段地方時(shí)處于午夜時(shí)分,而降軌段處于正午,升軌段(低高度)大氣密度是降軌階段的11.2 倍,高度對大氣密度的影響大于地方時(shí)的影響。

4) 在北半球高中低緯度地區(qū)上空,大氣密度日均值均隨高度上升而下降,且隨著緯度的減小,實(shí)測日均值與模式日均值的比值也減小,表明兩者的相對誤差增大,實(shí)測數(shù)據(jù)可為模式修正提供支持。

中國利用橢圓軌道衛(wèi)星,開展了超低軌道大氣密度原位探測,其分布符合空間環(huán)境規(guī)律變化,后續(xù)將開展數(shù)據(jù)應(yīng)用工作。 隨著航天技術(shù)和應(yīng)用需求的發(fā)展,未來在超低軌道上長期駐留的衛(wèi)星將逐步增多,對該軌道的環(huán)境認(rèn)識(shí)也應(yīng)逐步加深,進(jìn)行更多的原位探測。