LEO轨道卫星原子氧环境SPENVIS软件仿真

SPENVIS Software Simulates of Atomic Oxygen Environment of LEO Satellites

摘要: 原子氧(AO)是影响低地球轨道(LEO)卫星在轨性能的重要空间环境因素之一，其氧化性会对卫星表面材料及舱外组件造成损伤，严重影响卫星在轨寿命，有必要对LEO轨道上的AO环境进行比较，做好AO防护工作。本文使用SPENVIS仿真软件，计算并分析了LEO轨道卫星的AO环境，考虑了轨道高度、轨道倾角、太阳活动指数与地磁活动指数等因素的影响。本仿真计算结果可以用于低轨卫星AO防护设计，为后续卫星设计选材时提供数据参考。

Abstract: Atomic oxygen (AO) is one of the important space environmental factors that affects the on-orbit performance of satellites in the Low Earth Orbit (LEO). The oxidation caused by AO can damage the surface materials and components of satellites, hence significantly reduce the on-orbit life-time of the satellites. It is necessary to compare the environment of AO in LEOs and do well in AO protection. In this paper, we use the SPENVIS software to calculate and analyze the AO environment in LEOs. The effects of orbital altitude, orbital inclination, solar activity intensity, and earth’s magnetic field intensity are considered. These results offer useful references for the selection of materials used in satellite design and can be used to create an efficient AO protection for LEO spacecrafts.

1. 引言

在低地球轨道(LEO, 200 km~1000 km)环境下，AO是空间环境中含量最丰富的元素 [1] [2] [3] [4] 。AO具有高的化学活性和高的碰撞动能，能够与多种材料发生氧化剥蚀作用，会造成聚合物材料不断被侵蚀，甚至完全剥蚀，造成纤维复合材料力学性能下降等，严重影响卫星寿命。以NASA而言，从1981年到2008年，进行了一系列原子氧在轨监测测试，其中包括LDEF长期暴露试验、STS航天飞机短期暴露试验、Mir国际空间站OPM，POSA试验等。对于需要长期在LEO上运行和工作的卫星，例如：空间站卫星、极地卫星、遥感卫星等，AO环境带来的这种负面效应是不能忽略的 [5] [6] [7] 。

本文利用SPENVIS仿真软件，选择ESA (欧洲航天局)空间环境标准(ECSS-E-04A) [8] 中的NRLMSISE-00参照大气模式计算空间中AO的数密度和注量，分析了轨道高度、轨道倾角、太阳活动强度和地球磁场强度对AO数密度和注量的影响。仿真结果可作为试验依据，为后续防护设计及其他卫星提供参考。

2. 原子氧环境仿真分析

AO是LEO环境的主要组成部分之一。它是由氧分子在紫外线(UV)辐射下的光解离过程形成的 [9] 。AO在撞击卫星表面时可能发生弹性镜面反射，或者其能量和动能发生变化而产生漫射散射。入射AO可能与附着在卫星表面的其他物质发生反应。AO的有害影响主要表现在与卫星表面物质的直接反应生成挥发性氧化产物，产生剥蚀效应 [10] 。随着材料的逐渐侵蚀，材料的质量丧失，表面性能恶化，引起部件结构失效、热控制损失或污染。从而成为影响LEO卫星在轨寿命与可靠性的重要因素。在分析AO与LEO卫星相互作用时，为了合理并且有效地对卫星进行AO防护设计，需预先做好卫星表面AO平均密度相应仿真。

2.1. 仿真分析原理

AO仿真分析的目的是评估LEO大气环境中AO对航天器外部材料的影响，其结果是导致表面材料成比例侵蚀。这种影响被定义为穿过航天器表面材料的AO通量对时间的积分。下面是空间AO环境参数的计算方法：

1) AO通量计算方法：

$\phi =N_0\cdot \overline{V_x}=N_0\cdot \sqrt{\frac{RT}{2\pi M}}\left\{\exp \left(-s^2\right)+\sqrt{\pi }s\left[1+erf\left(s\right)\right]\right\}$ (1)

式中：N₀为AO数密度，atoms/cm³； $\overline{V_x}$ 为入射AO平均法向速度分量， $\overline{V_x}={\left(\frac{RT}{2\pi M}\right)}^{\frac{1}{2}}\left\{\exp \left(-s^2\right)+{\pi }^{\frac{1}{2}}\cdot s\left[1+erf\left(s\right)\right]\right\}$ ； $erf$ 为标准偏差函数， $erf\left(s\right)=\frac{2}{\sqrt{\pi }}{\displaystyle \underset{0}{\overset{s}{\int }}{e}^{-x^2}}\cdot dx$ ；s为AO的速度比， $s=\left(V_{\text{aero}}\cdot x\right)/u_m$ ； $V_{\text{aero}}$ 为气体动力学速度； $u_m$ 为AO粒子的平均热运动速度；

2) AO注量计算方法：

${\Phi }_a=\Phi \cdot t$ (2)

式中： ${\Phi }_a$ 为AO累计总量(atoms/cm²)； $\Phi$ 为AO通量(atoms/cm²∙s)；t为卫星飞行时间。

2.2. 分析流程

本文使用国外研究者根据航天器在轨飞行试验和地面模拟试验的结果研发的SPENVIS软件针对航天器表面AO累积注量进行分析的技术流程如图1所示，具体步骤如下：首先，设置一个简单的航天器与AO相互作用模型。其次，在模型的基础上设定具体的航天器运行轨道参数以及空间环境参数，本文选择NRLMSISE-00参照大气模式，设置航天器表面材料为Kapton。最后，根据设定的参数进行航天器表面AO累积注量仿真分析。

Figure 1. SPENVIS software analysis flow chart

图1. SPENVIS软件分析流程图

3. 不同LEO卫星的原子氧环境分析

AO的密度会随轨道高度、轨道倾角、太阳活动周期、地球磁场强度、时间及季节的变化而变化。下面我们主要讨论轨道高度、轨道倾角、太阳活动强度及地球磁场强度等因素对LEO卫星AO平均密度和注量的影响。本文选定NRLMSISE-00参照大气模式，选定航天器表面材料为Kapton，在不考虑其他因素影响的情况下深入研究AO环境，确定每次任务时长为86,340 s。

3.1. 轨道高度的影响

以空间站卫星轨道参数(轨道高度400 km，轨道倾角51.5˚)为基准，设置轨道倾角分别为6˚、51.5˚、98˚，轨道高度由100 km升高至1400 km高度范围，比较轨道高度变化对AO平均密度和注量的影响。

Figure 2. For different orbital inclinations, the average density and fluence of AO as functions of orbital altitude

图2. 不同轨道倾角下，AO平均密度与注量随轨道高度的变化

如图2仿真结果显示，当轨道倾角一定时，随着轨道高度的升高，AO平均密度和注量呈下降趋势。轨道倾角为51.5˚时，400 km高度AO平均密度约为1.2 × 10⁸ cm⁻³，与800 km高度相比高3个数量级；轨道倾角为51.5˚时，400 km高度AO注量约为8.7 × 10¹⁸ atoms/(cm²·s)，与800 km高度相比高2个数量级。

3.2. 轨道倾角的影响

以极地卫星轨道参数(轨道高度800 km，轨道倾角70˚)为基准，设置轨道高度分别为300 km、400 km、800 km、1200 km，选取轨道倾角依次为0˚、25˚、50˚、70˚、90˚、98˚，比较轨道倾角变化对AO平均密度和注量的影响。

Figure 3. For different orbital altitudes, the average density and fluence of AO as functions of orbital inclination

图3. 在不同轨道高度下，AO平均密度与注量随轨道倾角的变化

如图3仿真结果显示，当轨道高度为300 km、400 km、800 km时，随着轨道倾角的升高，AO平均密度和注量变化趋势几乎不大，都保持一样的数量级。而当轨道高度为1200 km时，随着轨道倾角的升高，AO平均密度和注量呈上升趋势。即当轨道高度超过一定的范围，轨道倾角对AO平均密度和注量的影响才明显。

3.3. 活动指数的影响

将太阳活动强度和地球磁场强度分别用太阳活动指数(F_10.7)和地磁活动指数(AP)来表示，太阳活动指数(F_10.7)是指太阳发出的波长为10.7 cm的射电辐射强度，F_10.7A是81天平均太阳辐射强度，地磁活动指数(AP)是常用的表征一天地磁扰动平均变化的地磁指数，是由每天8个地磁指数AP值的平均值得到的。下面选择设置3种活动指数。A组参数设置为低活动指数F_10.7 = 65，F_10.7A = 65，AP = 0，B组参数设置为中活动指数F_10.7 = 150，F_10.7A = 150，AP = 4，C组参数设置为高活动指数F_10.7 = 250，F_10.7A = 250，AP = 45，以描述活动指数变化对LEO卫星AO平均密度和注量的影响。

1) 对于不同的轨道高度

以空间站卫星轨道参数(轨道高度400 km，轨道倾角51.5˚)为基准，保持轨道倾角是51.5˚，轨道高度设置由100 km升高至1400 km高度范围，研究轨道高度一定时，在低中高3种活动指数下，AO平均密度和注量的变化。

Figure 4. For different activity indices, the average density and fluence of AO as functions of orbital altitude

图4. 对于不同的活动指数，AO平均密度与注量随轨道高度的变化

如图4显示，在轨道高度相同的情况下，C组的AO平均密度和注量比B组和A组的AO平均密度和注量大。当轨道高度为600 km~1100 km时，活动指数对AO平均密度和注量影响较大。当轨道高度为800 km时，C组AO平均密度和注量比B组AO平均密度和注量高了10倍，比A组AO平均密度和注量高了1000倍。即当太阳活动高年时，原子氧平均密度与注量越大；当轨道高度越高时，太阳活动高年和低年的原子平均密度与注量相差越明显。

2) 对于不同的轨道倾角

以极地卫星轨道参数(轨道高度800 km，轨道倾角70˚)为基准，持轨道高度是800 km，轨道倾角设置为0˚、25˚、50˚、70˚、90˚、98˚时，研究轨道倾角一定时，在低中高3种活动指数下，AO平均密度和注量的变化。

Figure 5. For different activity indices, the average density and fluence of AO as functions of orbital inclination

图5. 对于不同活动指数，AO平均密度与注量随轨道倾角的变化

如图5仿真结果显示，在轨道倾角相同的情况下，C组的AO平均密度和注量比B组和A组的AO平均密度和注量更大。当轨道倾角为50˚时，C组AO平均密度和注量比B组AO平均密度和注量高了10倍，比A组AO平均密度和注量高了1000倍。即当太阳活动高年时，原子氧平均密度与注量越大；但当轨道倾角越大时，太阳活动高年和低年的原子平均密度与注量相差不大。

4. 结论

本文使用SPENVIS仿真软件对AO环境进行分析，研究发现轨道高度变化对LEO环境中的卫星AO数密度影响较大。从600 km到500 km，AO平均密度和注量提高了10倍。在一定高度范围内，轨道倾角变化对LEO环境的卫星AO数密度影响较大。当轨道高度在1000 km以下时，随着轨道倾角的升高，卫星表面AO平均密度和注量几乎没有变化。而当轨道高度为1200 km时，随着轨道倾角的升高，AO平均密度和注量呈现上升趋势。太阳活动强度及地球磁场强度变化对LEO环境中的卫星AO数密度影响较大。活动指数越大，卫星表面AO平均密度和注量越大。