低轨遥感卫星长寿命研究进展 杨亦可 陈塞崎 李潭1．前言自1999年10月14日发射第一颗传输型遥感卫星资源一号至今，我国已发射多颗低轨遥感卫星，形成了资源（含测绘）、海洋、环境减灾等多个系列的卫星和卫星星座，并得到广泛应用但与国外先进同类卫星相比，国内低轨遥感卫星在寿命和可靠性方面存在明显的差距和不足为进一步提升遥感卫星研制水平和遥感卫星使用效能，达到国际先进水平，还需进一步分析国内外卫星寿命差距，定位我国低轨遥感卫星寿命短板，从而使得低轨遥感卫星寿命提升，以适应我国遥感应用的迫切需求2．国内外低轨遥感卫星寿命现状国外遥感卫星设计寿命经历了逐步从3年到5年，再到当前的7～8年的发展历程例如法国的“斯波特”系列卫星以及后续的“昴宿星”卫星，由3年设计寿命逐步提升至5年，美国的“世界观察”、 “伊克诺斯”等遥感卫星设计寿命大约为7年，以色列的“地球资源观测卫星”B的设计寿命为8年目前遥感卫星在轨实际运行寿命大多达到了7～8年，部分卫星寿命超过了10年，法国1998年发射的“斯波特”4卫星和美国1999年发射的“伊克诺斯”2卫星，实际寿命均超过了10年，且仍在轨运行，美国2001年发射的“快鸟”2卫星在轨运行超过10年，也仍在运行。
实际寿命最长的是“陆地卫星”5，自1984年发射以来，已在轨工作超过29年，直至2013年1月实施离轨操作与国外先进遥感卫星相比，国内遥感卫星在寿命和可靠性方面存在明显的差距和不足目前国内遥感卫星设计寿命为3～5年，在轨实际运行寿命一般也为3～5年，只有个别卫星超期服役到5年以上上世纪90年代发射的资源一号卫星和风云一号卫星设计寿命均为2年2000年以后，卫星设计寿命提高到3年，其中采用零动量控制方式的卫星在轨实际寿命为3～5年（最长的资源一号02星在轨寿命为5年2个月），采用偏置动量控制方式的小卫星实际寿命最长的超过了7年2005年以后，基于“十五”、 “十一五”可靠性增长项目的支持和产品化工程，资源三号等卫星设计寿命提高到4年2000年后，高分重大专项民用部分卫星设计寿命提高到5～8年3．影响寿命的主要制约因素影响低轨遥感卫星长寿命的主要因素包括环境因素和使用因素等方面环境因素决定了从元器件到部件、到单机、到系统的固有可靠性和寿命特性，使用因素决定了在轨长期健康运行使用保证的有效性环境因素主要包括空间辐射环境和热学环境影响其中，空间辐射环境中．太阳紫外辐射总量、原子氧总量、电离总剂量对卫星上部分元器件和原材料影响较大。
热学环境主要为地影期冷热交变效应，低轨遥感卫星每天15圈左右积累的循环交变工作应力，对卫星部分原材料影响较为严重使用因素主要包括因寿命延长所导致的退化性器件和材料的性能退化、消耗性原料的资源消耗和设备工作时间或次数的增长所带来的损耗其中，受使用因素影响最严重的包括卫星上的微波器件、机电活动部件和能源系统综合考虑环境因素和使用因素，影响低轨遥感卫星设计寿命的主要薄弱环节大多集中在机电活动部件、能源系统、元器件和原材料等4个方面机电活动部件短板主要为：太阳帆板驱动机构、红外地球敏感器、中等精度／甚高精度星敏、控制力矩陀螺例如：太阳帆板驱动机构是单点失效单机产品，其齿轮减速器和导电环目前按在轨5年转动2.5万次设计，地面寿命试验表明寿命末期齿轮减速器和导电环磨损严重，需要进一步优化设计满足更长寿命需求同样的，驱动机构需要重新选择润滑系统材料，攻克减速器和导电环设计技术难关，并开展试验验证能源系统短板主要为：锂离子电池、太阳电池阵锂离子电池由于频繁充放电导致性能衰退问题，以及太阳电池阵互连片及焊点受低轨原子氧环境侵蚀问题等均需进一步攻关并进行试验验证元器件方面，目前遥感卫星平台及载荷器件只能满足5年寿命要求，需进一步采取冗余、抗辐照加固等措施提升寿命。
原材料方面，部分材料受寿命末期性能下降影响，需要进一步开展寿命性能试验验证4．提升我国低轨遥感卫星寿命的重点措施及建议综上所述，将低轨遥感卫星寿命提升至8年，能够在目前技术基础上较好满足遥感业务需求，也是符合目前国际低轨遥感卫星发展的趋势提升卫星寿命是一项系统工程，在深入研究在轨长期健康运行使用的前提下，需要全面提升元器件、部件、单机和系统的固有可靠性和寿命特性，涉及卫星研制中的各个方面，全部解决这些问题需要大量的投入目前只能按照“分步实施、重点突破”的原则，重点解决制约卫星寿命的短板通过梳理卫星数百种平台部分单机产品，有以下4种单机产品为共性产品，需要统筹进行长寿命攻关和验证，建议尽快开展可靠性增长工作1)太阳帆板驱动机构：通过提高轴承组件的刚度，重新选择润滑系统材料，攻克减速器和导电环设计技术难关，并开展试验验证，重点解决齿轮减速器和导电环材料和润滑不足导致的磨损问题；通过空间环境试验，进一步摸清性能衰减规律，对热控设计参数进行修正，重点解决热控涂层材料性能退化引起的寿命末期转动机构的热控性能下降导致的加速磨损问题2)中等精度和甚高精度星敏感器：通过CCD器件辐照试验，提高CCD及驱动芯片器件等级等手段，重点解决CCD器件等关键元器件的性能衰退引起的精度下降问题。
3)锂离子电池：通过在锂离子充电控制技术、均衡处理技术和过充过放电保护技术等方面开展研究，确定锂离子电池在正常工作模式下的充放电管理策略，提出减少电池离散性的补偿方法，以及过充过放电的保护策略重点解决锂离子电池在寿命中后期，随着电池组阻抗的增加，放电电压降低引起的性能下降问题4)三结砷化镓太阳电池阵：通过改进电池片的布片以及焊接工艺及相关试验验证，重点解决低轨的原子氧环境稠密，互连片受到原子氧侵蚀，会导致电池断路的问题5．总结低轨遥感卫星寿命提升至8年，需开展系统级延寿与可靠性增长、8年寿命短板的核心产品的延寿、关键产品的成熟度提升、卫星全生命周期运行管理、核心基础能力建设等工作，其中要从解决太阳帆板驱动机构等单机产品的长寿命为切入点，突破遥感卫星长寿命高可靠瓶颈技术，并持续在今后型号研制过程中不断提升产品可靠性和寿命指标，满足遥感卫星长寿命运行的迫切需求 -全文完-。