高轨卫星平台在轨顽存技术体系

李文龙,孔祥龙,马 伟,杨丽丽

(上海卫星工程研究所,上海 201109)

0 引 言

航天技术在国家战略中的地位日益提升,高轨(geostationary earth orbit,GEO)卫星因其定点持续观测和覆盖范围广阔的优势,成为各航天大国发展重点。GEO卫星普遍规模大(美国全球宽带通信卫星)、研制发射成本高(几十亿至上百亿)、战略地位突出(美国的军事通信和预警卫星大多为GEO卫星),一旦受损将带来巨大损失。

GEO卫星平台既要经历恶劣的空间环境(包括辐照环境、空间碎片等),同时随着太空战场化趋势凸显,未来还将面临各类主动威胁,亟需提高卫星在轨顽存能力。美国洛马公司推出的A2100M平台[1]设计中已考虑平台强生存能力,该平台具有半年以上自主运行能力,同时具备强抗干扰和激光告警防护能力,平台采取了抗辐射加固设计,轨道机动性能高。

马骁兵等人[2]对GEO卫星平台被动防护体系和相关技术开展了研究,归纳了不同类型威胁源及其特点,提出了GEO卫星平台的被动防护需求以及被动防护体系总体框架和相关的关键技术,但是仅限于被动防护。刘必鎏等人[3]提出了卫星系统防护,从顶层设计出发提出了卫星系统防护思路,但只考虑了主动威胁,不够全面。李发泉等人[4]论证了激光告警系统技术指标。闫军等人[5]针对天空一号开展了空间碎片防护设计。段敏等人[6-7]在新型结构材料防护技术方面开展了碎片防护结构损伤和防护特性分析,设计了碎片防护结构。Aleksandr等人[8]研究分析了分层陶瓷-铝合金缓冲结构在空间碎片防护中的潜力,指出该结构具有更好的将空间碎片进一步破碎的能力,有望取代全铝合金缓冲结构。Yunho等人[9]分析了基于剪切增稠液体填充的新型功能材料对中低速撞击目标的防护特性。该团队还提出一种“龙鳞”柔性金属缓冲结构,用于防御空间碎片的超高速撞击,并分析了其撞击特性[10]。张旺勋等人[11]考虑了卫星导航系统安全防护。Deborah[12]分析了网络安全对卫星通信的威胁和发展趋势。熊玉卿[13]讨论了星载光学遥感仪器的激光防护技术。但这些研究主要关注平台局部防护能力,未考虑卫星平台系统级防护能力。

本文将针对GEO高价值卫星平台的防护技术开展系统性研究,首先提出在轨顽存技术体系(technology system of on-orbit strong survivability,TSO2S2),然后分别对威胁源及损伤效应进行综述,并给出综合告警和综合防护技术手段,支撑高价值卫星平台的后续发展。

1 TSO2S2

本文定义GEO卫星平台TSO2S2的内涵是:通过梳理影响平台在轨生存能力的威胁源,分析威胁源损伤机理和损伤效应,提出威胁发现、告警以及有效降低对平台破坏的技术手段,从而有效提升平台在轨生存能力。平台TSO2S2架构如图1所示。

图1 TSO2S2架构Fig.1 TSO2S2 architecture

2 平台威胁源及损伤效应分析

GEO高价值卫星在轨运行期间面临的威胁源可分为被动威胁源和主动威胁源。

2.1 平台被动威胁源及损伤效应

空间被动威胁源主要来源于空间环境。GEO空间环境威胁主要来源于高能带电粒子、空间等离子体、空间碎片等。据统计,75%的GEO卫星异常与空间环境有关[14]。其中，空间粒子辐射环境是造成航天器故障的最主要的空间环境要素,Koons等人[15]通过统计航天器故障,认为其中的326个疑似由空间环境效应诱发,299个得到了确认。

此外,随着太空变得越发拥挤,空间碎片对卫星威胁与日俱增。美国空间监视网2018年6月1日公布的数据显示,GEO区域存在850个可探测的空间目标和大量无法探测到的空间碎片,且有大量空间目标以大椭圆轨道穿越GEO区域[16]。

高能带电粒子对平台的影响主要表现为总剂量效应和单粒子事件(包括单粒子翻转、锁定和烧毁)。空间等离子体对平台的影响主要包括表面充放电效应、高压电池阵漏电等。空间碎片则主要是对平台造成严重的结构损伤和热控系统损伤。对卫星结构的破坏主要体现在:① 蜂窝面板的穿透和蜂窝芯单元结构的失效将产生局部应力集中,使得已产生的裂纹进一步扩展,尤其是当结构板暴露在温度交变的环境中时,蜂窝面板可能局部起泡;② 随机分布的蜂窝单元破裂穿孔可以导致蜂窝结构的局部失稳,影响设备的指向精度;③ 蜂窝芯的爆裂损伤可能导致金属埋件附近的环氧灌注混合物解体,从而造成设备脱落;④ 碎片穿透蜂窝结构而产生的碎片云喷溅物能够对航天器内部的有效载荷造成较大毁伤,尤其对易损面上或靠近易损面的设备,毁伤效应更明显,甚至可能引起飞行任务的灾难性终止;⑤ 碎片撞击压力容器会造成容器壁穿孔、撕裂甚至整个容器发生裂纹失稳,穿孔将产生泄露,裂纹失稳扩展将产生新的空间碎片,高速飞溅的二次碎片将会进一步威胁航天器的安全。空间碎片撞击铝蜂窝板和撞击铝板后的效果[7]如图2所示。

图2 空间碎片撞击效果Fig.2 Impact effect of space debris

对热控系统的破坏主要表现在:① 损伤热控涂层,导致涂层退化;② 损伤热控包覆,导致隔热能力下降;③ 破坏流体管路,影响热量传递。

2.2 平台主动威胁源及损伤效应

GEO卫星平台面临的主动威胁源包括动能撞击、激光照射、高功率微波(high power microwave,HPW)打击、电子干扰与对抗以及空间操控等。由于电子干扰与对抗通常以降低航天器性能为主要目的,不产生致命毁伤,故本文仅讨论其他4类威胁源。

2.2.1 动能撞击

动能撞击与空间碎片对平台车的毁伤机理和毁伤效应基本相同[17],主要区别在于前者是可控的而后者不可控,故此处不再赘述。

2.2.2 激光照射

激光对卫星的破坏主要是对卫星光学敏感器件的破坏,具有有限能量的低能激光器即可对其产生损伤,而当激光的能量提高到一定程度时还可对卫星结构材料产生破坏,具体情况如表1所示。激光对卫星结构材料的杀伤过程主要是热作用破坏,将沉积的激光能量转化为热能,使卫星舱体或要害部件的温度升高到熔点而烧蚀或达到结构的失效温度。

表1 激光照射下平台的典型易损部件Table 1 Typical valnerable components of platform under laser irradiation

卫星的结构材料主要包括以下几种:聚酰亚胺、砷化镓、碳纤维、2024铝蜂窝板以及玻璃钢,而光学敏感器件材料为Si与HgCdTe。表2给出了材料能量密度阀值估算值以及一定时间内破坏的功率密度阀值。

表2 不同材料能量密度阀值估算值以及功率密度阀值Table 2 Estimation value of energy density threshold and power density threshold for different materials

若考虑增益,两种光学敏感器件材料破坏阀值将明显降低。给定不同增益系数,同样条件下光学敏感器件材料破坏阈值如表3所示。

表3 考虑增益后30 s破坏的功率密度阀值Table 3 Threshold value of power density considering 30 s damage afte gain W/cm2

假设地基激光器功率为P,口径为D,基于激光传输模型,分析不同功率和口径激光器到达GEO卫星时的功率密度,结果如表4所示。结合表2～表4分析结果可以看出,GEO轨道上,对于平台结构材料而言,无需对地基激光进行防护设计。对于光学敏感器材料,需综合考虑激光器能量、口径和光学增益,例如,对Hg0.8Cd0.2Te而言,若增益最大为106倍,则仅仅当P0=1 MW,λ=3.8 μm,D0=10 cm时,不需防护。因此,在系统设计中必须对光学敏感器材料进行激光防护。

表4 地基激光到达GEO功率密度估算值Table 4 Estimation value of GEO power density of ground-based laser W/cm2

2.2.3 HPM

HPM利用大功率的脉冲微波,通过天线、帆板、电子设备等耦合进入,干扰电子系统、烧毁电子元器件、扰乱系统的正常工作,甚至直接摧毁设备,使整个卫星系统暂时或者永久失去能力[18]。高强度电磁辐射对电子、电气设备的损坏效应主要有以下几个方面:① 高压击穿;② 器件烧毁;③ 微波加温;④ 电涌冲击;⑤ 瞬时干扰。因此,根据卫星收发设备的特点,利用HPM攻击卫星主要从3个方面着手:即干扰、损毁卫星本体,信息传输的通道和信息接收设备。

HPM几乎对所有利用电子设备工作的系统有效,前门耦合和后门耦合是HPM能量进入电子系统的两种途径。前门耦合是通过发射或接收系统的天线进入,后门耦合是通过缝隙、引线、电缆、窗口甚至纤维玻璃、环氧树脂等进入。通过分析,卫星平台受到的强电磁辐射敏感环节主要为测控、数传接收机、半导体器件、互补金属氧化物半导体器件(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)、星载计算机、数字集成电路、内存、A/D转换器等。表5给出了脉冲微波对主要半导体器件的损伤情况,可以看出能量较低的脉冲微波也会引起电子系统发生瞬时干扰。

表5 电子器件的脉冲微波损伤情况Table 5 Pulse microwave damage of electronic device

当HPM对目标照射的功率密度为0.01～1μ W/cm2时,能使相应频段上的雷达和通信系统受到干扰,无法正常工作;当功率密度为0.01～1 W/cm2时,可干扰传感器电子设备使其性能降低;当功率密度为10～100 W/cm2时,能使传感器电子设备失效;当以103～104W/cm2功率密度照射目标时,能通过热效应瞬间摧毁目标[18]。

对于GEO而言,目标处功率密度与目标距离平方成反比。因此,地基HPM由于作用距离远,能量衰减严重,对GEO平台影响较小。因此,对GEO卫星平台产生威胁的主要是天基的HPM。假设天基HPM脉冲功率为100 MW,频率为10 GHz,天线直径为3 m,在各距离上的杀伤半径及功率密度如表6所示。

表6 HPM传输效能Table 6 Transition effect of HPM

从表6中可以看出,作用距离为1 km时平台内电路中的元器件会烧毁导致失效；作用距离为10 km时,平台测控数传、导航等电子设备元器件的性能将降低或失效；作用距离大于50 km时,测控数传和导航系统受到干扰,无法正常工作。

2.2.4 空间操控

目前,国外正在大力发展GEO在轨服务与维护[19-20]和空间碎片主动移除技术,此类技术可以直接转变为对当前在轨正常工作航天器的主动操控。空间操控手段包括基于空间机械臂的抓捕[21-22]、飞网捕获[23]、飞爪捕获[24]、绳系机器人[25],寄生粘附[26]等。

表7给出了主要的空间操控手段作用距离分析,其中机械臂捕获、寄生粘附手段需要对目标交会逼近,属于接触式操作;飞网和飞爪则可在数十米距离外完成捕获；绳系机器人作用距离则为几十米至几千米范围[27-28]。空间操控飞行器的基本工作流程[29]通常包括:①目标搜索发现;②远距离交会;③近距离交会。对于接触式操作航天器还需设置多个停泊点,因此总的来说,空间操控飞行器一般要求较小的作用距离,且作用时效性比较差。

表7 不同操控手段有效距离Table 7 Effective range of different operation means

3 平台在轨顽存手段分析

为了提高平台在轨生存能力,针对不同的威胁源,需采用不同的顽存手段。

目前关于提高复杂空间环境下平台生存能力的技术相对成熟,本文重点考虑存在主动威胁源时平台如何提高生存能力,如表8所示。从表8可以看出,主要依赖告警技术和防护技术。

表8 不同威胁对抗手段Table 8 Counter measures against different threats

3.1 平台威胁综合告警技术

卫星平台的告警依赖于天地一体的告警系统,一方面通过空间目标监视网(包括地基、空间和天基手段)形成对地面目标的定位,对天基目标编目、跟踪、监视和预报;另一方面依靠平台自身的安全告警。

针对上述主要主动威胁源,设计平台综合威胁告警系统,包括运动目标告警(可兼顾空间碎片和操控飞行器)、激光告警和微波告警。

按照功能模块划分,平台综合威胁告警系统由激光威胁信号检测分系统、微波威胁信号检测分系统、运动目标信号检测分系统、综合处理控制分系统、电源分系统等组成。

卫星综合威胁告警设备组成如图3所示。

图3 平台综合威胁告警设备组成Fig.3 Composition of platform integrated threat warning device

3.2 平台在轨综合防护技术

3.2.1 撞击防护

卫星平台的撞击防护手段主要包括:① 轨道机动和姿态机动躲避目标;② 调整飞行姿态、构型布局以及选用防护性能强的结构材料[30]。前者属于主动防护,后者属于被动防护。

主动型防护依赖于精确的碰撞告警,对于空间碎片而言,可通过建立更精确的空间碎片环境模型,评估碰撞风险与损害程度,为卫星平台防护设计提供参考依据。目前国际上的空间碎片环境模型有十余种,大多适用于低轨近地轨道,适用于GEO的模型主要有欧空局的MASTER模型、SDM/STAT模型和德国布伦瑞克大学的LUCA模型,其中形成应用软件的只有MASTER模型[31]。基于空间碎片环境模型,可对碎片碰撞风险进行评估,目前国外主要的风险评估软件有美国国家航天局的BUMPER模型,欧洲航天局的ESABASE/ESABASE2模型、德国的MDPANTO模型等,国内主要有MODAOST、ARMOR/ARMORII模型等,且上述模型也在不断优化更新[32-34]。

被动型防护中,由于平台姿态和构型布局与任务相关,故主要还是采用基于防护材料等手段的防护结构来加强平台对撞击目标的防护能力。

目前航天器针对撞击目标的防护结构主要有Whipple防护结构(单层、多层、填充式)、网状防护结构、泡沫铝防护结构、梯度复合防护结构[35]等。目前应用最多的是填充式Whipple防护结构,相关试验表明,填充式Whipple防护结构对于小的防护间距是非常有效的(即防护板与填充层的间距对射弹直径的比S/d<15)。在防护材料的选取上,主要有Nextel、碳纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、Kevlar纤维、Polybenzimidazole (PBI)材料[36]等,具有不同的性能特征[6,35]。填充式Whipple防护结构中,最早采用的填充层主要由Nextel陶瓷纤维和Kevlar纤维组合,其碰撞极限方程可参考文献[6,37]。在此基础上,众多学者研究了多种防护结构组合的防护方式[38-41],如Nextel/Kevlar与铝网组合,Nextel/ Kevlar-epoxy纤维等,相比双铝板防护结构具有更好的防护性能。通过开展地面弹丸高速撞击试验,分析不同撞击角度、撞击速度、弹丸密度、弹丸形状、弹丸尺寸、靶板厚度等对靶板成坑的影响,同时综合考虑结构质量及空间环境适应性,设计合适的平台防护结构。

因此,对于GEO卫星平台,首先通过高精度的碰撞概率评估模型,确定平台部组件防护,包括平台碰撞风险较高区域的局部结构加强以及平台器件的结构防护等。

3.2.2 激光防护

激光对平台的损伤主要是对光学器件的损伤和对结构材料的毁伤,对光学器件的防护主要有3种:通过机动避免激光入瞳、采用激光防护薄膜和增加眼睑装置。而对结构材料的防护则采用激光防护材料。

(1) 基于薄膜的光学器件激光防护

激光防护薄膜有波长防护型和光强防护型两类。波长防护型激光防护薄膜基于光学线性原理,针对特定波长具有防护效果,对光强不敏感,采用多层介质膜可有效防护多个特定波长激光。其缺点是难以兼顾传感器正常工作需求和防护需求,且随着自由电子激光的发展,激光武器朝着波长可调节的方向发展,此时波长防护型薄膜无法适用。光强防护型激光防护薄膜有基于非线性光学原理和相变原理的防护薄膜。

基于非线性光学原理的激光防护薄膜利用三阶非线性光学效应,通过限制器件损伤阈值内激光透射后的光强,保护光学器件免受损伤,具有防护动态范围大、响应波段宽、响应速度快、可见光透射率高的优点,目前较为成熟的光限幅材料有C60,其他还有碳纳米管、卟啉、金属酞菁和聚炔等。刘星等人[42]开展了基于碳纳米粒子的非线性散射激光防护技术研究。非线性薄膜存在损伤阈值较低的缺点,有待于进一步研究。

基于相变原理的防护薄膜利用材料吸收能量发生相变来达到阻止激光的目的,能够兼顾信号接收和防护功能。目前研究较多的相变材料有VO2薄膜以及TiO2/SiO2复合薄膜。VO2薄膜对于λ<1.8 μm的入射激光吸收率高,相变响应速度快,当激光λ>1.8 μm时,能量输入门限高,响应时间长,易导致还未相变时探测器已损坏的情况,因此常将其与C60等非线性光学材料结合,互相弥补缺陷,提升防护能力。VO2激光防护膜如图4所示。

图4 VO2激光防护薄膜Fig.4 VO2 thin film against laser

光强型激光防护薄膜虽然能够有效衰减激光到达光学器件的能量,但是当激光功率到达一定程度时,会对防护薄膜造成损伤,故激光防护薄膜研制目标之一是进一步提升其损伤阈值以应对未来更高功率的激光。

此外,对于光学器件,如光学相机、星敏等,参照国外高价值光学卫星,可增加相机眼睑进行激光防护,当检测到激光信号后通过关闭眼睑将激光隔离。商业相机常用的眼睑分为两种,安装在焦平面的帘幕式眼睑和安装在镜间的由若干片顺次交错的金属叶片拼接而成的钢片式快门,如图5所示。

图5 两种激光防护眼睑Fig.5 Two types of laser protection eyelid

(2) 平台结构激光防护

平台结构激光防护主要采用:① 多层反射激光保护平台,降低激光照射处功率密度;② 关键部位采用高激光损伤阈值的材料,如金刚石材料等;③ 改善平台结构表面状态,如增强表面光滑度;④ 采用表面激光防护薄膜技术,为结构材料提供激光防护。朱锦鹏等人[43]研究了基于等离子喷涂的反射型激光防护涂层,指出金属涂层和陶瓷涂层在激光防护领域具有较好的应用前景。

3.2.3 高能微波防护

针对高能微波威胁,除了普通的电磁兼容措施之外,需对几种典型的卫星设备采取重点防护措施,针对耦和途径、传输路线和敏感部位,得出具体的防护措施。

在高能微波产生的强电磁环境下,平台主要从4个方面进行防护设计:① 综合防护;② 测控和数传接收机防护;③ 综合电子计算机防护;④ 电源系统和总体电路防护。

(1) 综合防护

在强电磁环境下,卫星平台除了要考虑常用的电磁兼容措施以外,还应注意考虑下列措施:① 尽量减小孔面积或增加导电透光膜;② 缩短机壳缝长度;③ 涂敷吸波材料降低壳体内的电磁场强度;④ 增加接地的屏蔽层以降低对电子系统的干扰作用;⑤ 各开口处采用合理的扼流措施;⑥ 导线穿过机壳进入电子设备内部时要设有合理的滤波措施,防止耦合信号进入到电子设备内部;⑦ 敏感元器件的输入输出和电源端都应接入钳位保护元件,防止敏感器件的栓锁和烧毁;⑧ 适当考虑系统的故障自回复能力,必要时采用重新上电的方法回复系统的正常运行。

(2) 测控和数传接收机防护

测控和数传接收机由于必须采用天线接受地面站的指令,因此方向一般都是近似于全向的。防护的方法应该从接收到强电磁辐射时在尽可能短时间内切断天线到接收机的通道来考虑,即在接收机的输入端设置钳位电路,防止接收机的饱和及损伤。

(3) 综合电子计算机防护

计算机受到干扰主要体现在数字电路的逻辑翻转和存储器的数据错误以及更严重的CMOS电路的栓锁和烧毁。从干扰的角度来讲,又可分为共模和差模两种情况来考虑。

针对共模干扰,应该重视降低共模干扰的对地阻抗,降低共模干扰的回路电平。这主要是针对供电电源和接地线的改进。具体的措施包括增设共模滤波器、加强接地等。针对差模干扰,由于干扰信号的频率很高,则应设置低通滤波器,降低差模干扰的回路电平。

(4)电源系统和总体电路防护

系统电路中,为避免过电压击穿电源开关,考虑加大开关触点的绝缘距离,另外还可以在开关触点的两个电极之间连接过压吸收和钳位电路,抑制过电压的幅度。为避免导线受电磁场干扰而形成干扰电流,考虑导线的接地屏蔽层,屏蔽电磁场对信号线和电源线的干扰作用。

电源电路一般采用开关方式工作。电源电路既要采用计算机系统的防护措施,还应考虑到电源电路的输出电压偏离额定值和开关管烧毁的措施。此外,在开关管回路上要设置限制dV/dt的电路和过压钳位保护电路,并且还要设置开关管过流保护电路,以确保开关管误导通时也能保护开关管不被烧毁。

4 结 论

未来,GEO高价值卫星的战略地位日益凸显,作为最重要的空间资产,平台在轨顽存性设计将成为卫星总体设计过程中不可或缺的环节。本文系统而全面地建立了GEO高价值卫星平台TSO2S2,建立的“告警+防护”综合防护体系对于几类最大的主被动威胁手段具有一定的普适性。本研究可为GEO卫星平台总体设计提供参考,推动顽存性设计在卫星平台中推广应用,为提升未来卫星在轨生存能力提供重要支撑。