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多颗卫星同时变轨搜救可能性小

2014-03-23 21:40:49 来源: 网易探索
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3月11日,国防部针对马航事件迅速启动卫星测控应急预案,对在轨运行卫星测控计划进行调整。紧急调动海洋、风云、高分、遥感等4个型号近10颗卫星为地面搜救行动提供技术支持。卫星调整不等于卫星变轨,从成本和技术上来讲,在短时间内同时改变多颗卫星轨道可能性微乎其微。

多颗卫星同时变轨搜救可能性小

图为高分一号人造卫星

什么是卫星变轨?

常规情况下,卫星变轨为规避“太空垃圾”及保证卫星运行寿命

卫星在轨期间自主改变运行轨道的过程称为变轨。

在无特殊情况下,卫星变轨主要为了规避“太空垃圾”和保证其运行寿命。由于受地球引力影响,人造卫星运行轨道会以每天100米左右的速度下降。这样将会影响人造卫星的正常工作,常此以久将使得其轨道越来越低,最终将会坠落大气层。因此需要时常对其进行变轨。

如果临时需要持续对固定区域观测 可能需要变轨

卫星也可能因一些特殊情况变轨,比如,原本每个卫星都有其特定的任务,按照一定的周期扫描特定的区域,如果突然要持续对一个固定地点观测,变轨是一个解决方式:在卫星飞偏到其他位置时,及时改变轨道,使其继续扫描指定位置。这里就需要改变飞行方向了,而发动机本身推力非常小,卫星携带的燃料也很少,直接“倒车”是不可能的,只能对其轨道稍微进行修正,使其在尽量短的时间里回到特定区域上空来。


卫星调动不等于卫星变轨

卫星调动除了变轨还包括改变观测计划 

调动卫星包括两层含义。一种是不对卫星进行变轨,在卫星经过事故上空时,改变卫星原来的观测计划。遥感卫星为了实现对热点区域的快速访问和重访,在不变轨的前提下,已经发展出一些行之有效的方案,其中最关键的就是卫星侧摆机动,即通过卫星的态势摆动带动相机指向的变化,针对目标区域进行成像。

卫星姿态摆动是一种较有效的调动方式 同样可以缩短访问周期

卫星姿态摆动一般是使用动量轮来控制的,不需要消耗卫星燃料。很多卫星都可以做到30度、45度甚至更高角度的侧摆角。高分一号卫星可以做到正负35度的侧摆角,以实现对热点区域的快速访问。遥感卫星应用了侧摆等技术后,重复拍摄访问热点区域的重访周期就大大缩短了。如高分一号卫星重访周期就只有4天,而美国先进的WorldView-1卫星对北纬40度地区的重访周期,更是缩短到1.7/1米分辨率。

指定区域上空无卫星或已有探测设备分辨率不够时,需要对卫星进行变轨

另一种情况就是如果卫星当前的轨道不能满足该空域的观测要求,比如在指定区域上空没有卫星覆盖、已有探测设备分辨率不够等情况下,就要对卫星进行变轨,如果要尽可能缩短访问周期,最合适的角度是接近极地轨道(轨道平面与赤道面夹角为90°的人造地球卫星轨道的角度,因极地轨道接近圆形,速度一定时,卫星绕圆形轨道的时间最短,这意味着卫星能以相对最快的时间重复访问同一区域。但大部分卫星并非在此轨道上,或是虽然轨道吻合但是已经运行到其他位置,这时候如果要达到搜索的最佳效果就必须对卫星进行机动,使其进入该轨道

 

变轨成本巨大

变轨消耗卫星燃料 直接缩短卫星寿命

一般来说,只要燃料充足,所有的卫星在技术上都能实现变轨。但变轨意味着直接减少卫星寿命。卫星携带一定燃料上天,但中途无法加注,燃料耗尽就意味着卫星寿命结束。改变卫星轨道是需要燃料的,调到特殊模式后再调回原模式,至少需要变轨两次。卫星轨道处于真空中,即使太阳能电池板冲满电,也不能依靠螺旋桨推动空气而动一般采用变轨发动机,通过喷嘴喷射内置燃料,利用反作用力来改变轨迹的

卫星寿命减少可能导致卫星原本任务无法完成

卫星本身也承载着既定的任务,在常规运行过程中,由于受其他星体的引力影响,其轨道会逐渐变化,需要燃料进行轨道调整,如果无法调整,卫星就慢慢靠近地球,最终烧毁在大气中。有些卫星设计的寿命本身不长,比如这次参与搜寻的高分卫星,即高空间分辨率遥感资源一号星,2013年投入使用,预计寿命只有3-5,如果在卫星既定的工作任务没有完成之前,因为无法调整轨道而寿终正寝,会带来很大损失,

卫星变轨还需要花费火箭发射的成本地面配套支持成本等

就算这些卫星竭尽所能进行了轨道机动,且不说变轨量很小能否应急,单是轨道参数改变后需要重新设计对地成像的方案,代价也不小除去卫星本身的成本外,还有火箭发射的成本、地面配套支持成本等。如果确定要变轨,需要多方同时配合。首先根据事发地经纬度计算变轨后轨道,然后根据现有轨道计算变轨的点火时间、点火长度、姿态调整时间、反推点火时间、点火长度等等,此外,变轨需要在国能够遥测的地方进行,基本就是国国土范围。有的时候计算出来的变轨窗口非常严格,实现起来难度不小

 

变轨在技术上难度不小

卫星的有效载荷能力有限 即便耗尽燃料也仅能提供较小变轨能量

即便不考虑成本因素,变轨在技术上难度也不小。以此次投入搜救的高分一号卫星为例,高分一号卫星使用了中国空间技术研究院的CAST-2000小卫星平台。根据中国空间技术研究院网站提供的信息:CAST-2000小卫星平台质量200400千克,有效载荷能力300600千克。通俗来说,就是包括卫星燃料质量在内的平台本身最多只有400千克,而包括相机在内的载荷质量可达300千克以上。即使高分一号卫星为机动变轨携带了高达200千克的燃料(事实上这是不可能的),假设发动机比冲315这些燃料全部耗尽也仅能提供不到1040/秒的速度变量。这个机动能力看似乎不少,但要用于灵活机动变轨还远远不够。

较小的倾角改变高分一号卫星都很难承担

高分一号卫星运行在距离地面650千米高度的圆轨道上,轨道速度约为7535/秒,如果轨道倾角改变30度的话,需要的速度变量约为3900/秒,即使是倾角改变10度,都需要约1300/秒的速度变量

倾角不变旋转轨道平面需要的速度变量也不小

如果倾角不变,同时旋转轨道平面,虽然也可能更快地访问搜救区海域,但所需的速度变量同样很大。如卫星轨道倾角为90度,轨道平面旋转45度时需要的速度变量高达5800/秒。

改变卫星轨道高度成效不大且操作麻烦

改变卫星轨道高度所需的速度变量虽然小得多,高度变化不大时,轨道周期变化也不大,对比卫星不变轨,所能缩短的首次访问时间并不长。而且一般来说,遥感卫星的轨道高度是与相机等载荷的参数相匹配的,升轨降轨会带来更多的麻烦。

 

综合以上常识,在短时间内同时改变多颗卫星的轨道并非一定不可能,但可能性微乎其微。


 (本文部分资料参考果壳网)

 

 

 

顾纯 本文来源:网易探索 作者:顾纯 责任编辑:王晓易_NE0011
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