卫星和人一样，有寿命，也会生老病死！

朋友们知道吗？卫星其实和人一样，也有寿命，也有生老病死，那么卫星的寿命是什么，又和哪些因素相关呢？

人造地球卫星通常运行在距离地球表面几百到几万公里的轨道上。那里空气稀薄，温差极大，空间辐照剧烈。直至卫星寿命末期，恶劣的空间环境都在逐渐磨损卫星的每一个元器件。

但我们也不用如此悲观，事实上，卫星的寿命是可以设计的，在特殊情况下我们还可以采取一些手段延长卫星的使用寿命。这就涉及到卫星工程中的特殊环节——卫星寿命设计。

什么是卫星寿命？

一般来说，卫星寿命的定义可以分为狭义和广义两种。

狭义的卫星寿命是指卫星在其运行轨道上正常工作的时间。具体又可以分为工作寿命和轨道寿命两类。工作寿命是指卫星在轨道上有效工作的时间，而轨道寿命则是指卫星可在轨道上生存的时间。

广义的卫星寿命是指卫星整个生命周期。一般而言，卫星的一生大致可以分为以下几个阶段：设计、制造、发射、运行、返回和退役。

1）设计阶段是卫星生命周期的起点，可以将其对应为人类的婴幼儿阶段，这也是至关重要的阶段。这个阶段的主要任务是确定卫星的功能、性能和外观，并制定出完整的设计方案。设计师们需要考虑各种因素，如卫星的任务需求、技术限制、成本预算等，从而确保设计的可行性和优越性。在这个阶段，还需要进行各种仿真和计算，以验证设计的可行性和可靠性。

2）制造阶段是继设计阶段之后的重要阶段，这个阶段就像人类的青少年阶段。在这个时期，卫星将被建造出来，从各个零部件的制造到整星的组装，都需要精密的工艺和严格的质量控制。除此之外，还需开展各类测试和试验，以确保卫星的性能并使其质量满足设计要求。

3）发射阶段是卫星进入太空的关键阶段，就像刚迈入社会的青年，在这个时候卫星将被装载至运载火箭上并发射升空进入预定轨道。我们需要在这个阶段中开展精确的计划与操作，从而确保卫星能够安全地被送入预定轨道。

4）运行阶段是卫星在太空中的工作阶段。此时的卫星就像一位身强力壮的中年人，它在太空中发光发热，独当一面。它将根据设计要求执行各种任务，包括遥感、通信、导航等。这个阶段需要地面进行持续的监控和管理，以确保卫星能够正常运行并产生预期的结果。

5）返回阶段是返回式卫星特有的阶段，是该类卫星生命周期的终点。返回式卫星在轨道上完成任务后，将再入大气层，把在轨实验品带回地面。这里涉及到一系列复杂的操作，包括卫星调姿、制动、防热、软着陆、标位及寻找等。

6）退役阶段是大部分卫星生命周期的终点。“垂垂老矣”的卫星将会因为寿命耗尽或任务完成而停止工作。为了保护太空环境，退役的卫星需要进行适当的处理，从而避免成为太空垃圾。因此，我们需要在这一阶段周密计划、合理操作，以确保卫星安全、顺利退役。

为什么说卫星的寿命很重要？

因为卫星的寿命决定了它能为我们服务多久。

我们知道，制造并发射一颗卫星的成本是很高的，除了卫星本身的研制成本之外，还有运载火箭、地面发射系统和测控指挥系统的成本等。如果一颗卫星在轨只能工作几天或几个月，它创造的价值不足以抵扣研制卫星所花销的成本，整个工程就难以长期维持下去。“亏钱的买卖不长久”，这个道理在卫星工程界也是一样。因此，尽量延长卫星的在轨寿命，是非常重要的一件事。

影响卫星寿命的主要因素有哪些？

根据多年工程经验总结，影响卫星寿命的主要因素有以下几点。

1.复杂空间力学环境的影响

除了地心引力之外，人造卫星在轨道运动过程中会受到空间中各种干扰力的作用，主要为太阳辐射压和大气阻力的影响，此外还有天体引力摄动、地球非球形引力摄动等复杂力学环境因素。在这些外力的共同作用下，卫星会逐渐偏离预定轨道（也称作轨道衰减），直至失去在预定轨道执行任务的能力。

2.空间温度环境的影响

脱离了大气层的温控保障，空间温度环境就会变得非常恶劣。在同一时刻内，卫星的向阳面和背阳面之间的温差就可达到200℃！卫星从光照区转入阴影区，或者从阴影区转入光照区，卫星表面的温度交变也非常剧烈。这种温度交变可能导致卫星部件的热膨胀和热应力，材料可能会发生性能退化或损坏，进而影响其机械性能和稳定性。如金属部件可能会发生疲劳裂纹，复合材料可能会受到热损伤等。

此外，温度交变还可能影响卫星的电子设备和仪器的性能和稳定性。如温度变化可能会影响电子元件的参数和性能，从而导致设备故障或性能下降。

3.空间辐射的影响

空间辐射是卫星电子系统最大的威胁之一。太阳辐射和宇宙射线都会对卫星电子系统中的电子元件造成损害，导致系统故障或失效。

太阳辐射包括太阳耀斑和日冕物质抛射等，它们会产生大量高能带电粒子，这些粒子在撞击卫星的电子元件时，会导致元件性能下降、故障甚至失效。此外，宇宙射线等高能粒子也会对卫星的电子系统造成影响，导致数据错误、设备故障等问题，进而影响卫星寿命。

4.微流星体和太空碎片的影响

空间碎片和卫星的相对速度非常大，它们与卫星碰撞可能会导致卫星表面受损或造成更严重的损伤。如2009年美国铱-33卫星（Iridium-33）与俄罗斯宇宙-2251卫星（Kosmos-2251，已报废）发生了碰撞，导致铱-33卫星直接报废。

5.推进剂携带量的影响

为了让卫星始终在预定轨道上运行。卫星每隔一定时间需要开展相应轨道维持操作。就是通过调整卫星的运行速度以修正其轨道参数来使卫星运行轨道与标准轨道的偏离量保持在一个给定范围内。这个过程通常利用航天器携带的动力装置来完成，需要消耗一定的推进剂。当卫星携带的推进剂消耗殆尽时，其轨道维持的能力便达到极限了。

6.活动部件磨损的影响

太阳阵驱动机构、飞轮、控制力矩陀螺、天线指向机构等活动部件，是保障卫星在轨运作不可或缺的设备。这些活动部件具有运行周期长、圈次多、长期受交变载荷作用等特点。随着卫星在轨运行时间的增长，活动部件内部的齿轮、轴承等零件表面逐渐产生细微物理磨损。这些微磨损产生的磨屑逐渐积累，进而引发磨屑结块、温度升高、润滑不足等“副作用”，进一步加剧活动部件的磨损，直至活动部件失效。

7.光电器件性能衰退的影响

卫星配置大量光电器件，包括太阳电池片及各类光电传感元器件。光电器件性能衰减的机理非常复杂，是力学环境、热环境、空间辐射环境、电力环境综合作用的结果。当衰退达到一定程度，卫星便无法在轨开展工作。

如何延长卫星的寿命？

在了解影响卫星寿命的主要因素后，工程师们对症下药，从以下几个方面入手，延长卫星寿命：

首先，在设计阶段不仅要考虑卫星的功能，还需要充分考虑卫星在完整生命周期内所要经历的力学、温度和空间辐射环境，提高它的耐用性和可靠性。就像我们选择运动鞋一样，不仅要考虑它的外观，还要考虑舒适度与耐用性。

针对极端力学环境（主要是发射阶段的），开展结构强度、刚度设计，运用蜂窝板结构与复合材料，使卫星既轻巧又强壮。

针对空间温度环境，开展整星热设计。在向阳面包覆多层，防止阳光直射星体；在散热面喷涂白漆或者粘贴OSR片，助力星体热量对外辐射；在舱内喷涂黑漆，铺设扩热板和热管，保持星体温度平衡。

针对轨道衰减，开展推进和轨道维持策略设计，保证卫星寿命期内的轨道维持能力。

针对空间辐射环境，开展抗辐射加固设计，加固设计一般有两种形式：硬件加固与软件加固。硬件加固包括元器件级加固、部件级加固、组件级加固和系统级加固，从基础元器件到系统整体进行全方位的加固设计。在元器件选择上，要选用经过抗辐射加固的器件，如使用抗辐射加固的存储器件、采用双极电路、体硅CMOS技术、绝缘体上硅技术(SOI)等。

此外，对宇航存储器件进行抗辐射加固还可以从存储器件加固、宇航壳体加固和综合加固三个方面入手。软件加固主要针对空间辐射环境中的单粒子翻转、总剂量效应和剂量增强效应等，采取相应的容错、避错和纠错等措施，以提高软件的可靠性。这些措施包括冗余设计、时间冗余、表决冗余、信息冗余等。

其次，在制造过程中，每一个零件都必须经过严格检测与测试，从而确保它们能够在严酷的宇宙环境中正常工作。其中，最重要的环节就是开展空间环境试验。空间环境试验是航天器在轨运行前的重要环节，主要包括以下几种：

热平衡试验：测试航天器在各种温度下的性能表现，以确保其热控系统正常工作。

热真空试验：模拟航天器在空间中经历的热环境，测试航天器的热性能和热稳定性。

电磁环境试验：测试航天器的电磁兼容性，确保其正常接收和发送信号，同时避免对其它电子设备产生干扰。

振动和冲击试验：模拟航天器在发射和着陆过程中所经历的振动和冲击环境，测试航天器的结构强度和可靠性。

原子氧试验：模拟空间中的原子氧环境，测试航天器的表面材料和涂层的耐久性。

辐射试验：测试航天器在空间中的辐射耐受能力，以确保其电子元件和材料不会受到辐射损伤。

微流星和空间碎片碰撞试验：测试航天器对微流星和空间碎片的抗击能力。

寿命评估试验：通过一系列的加速老化试验，预测航天器的寿命。

这些试验涵盖了航天器研制涉及的力学、热学、电磁学、可靠性等诸多学科，以确保航天器在轨运行时的稳定性和可靠性，最大限度保证卫星的在轨寿命。

发射和入轨的过程也对卫星寿命有一定的影响。卫星需要在正确的时机、以正确的速度、沿着正确的轨道发射，才能顺利进入预定轨道。这个过程需要极高的精确度，就像我们在高速公路开车一样，稍有差池就可能错过出口。如果卫星错过了最佳入轨时机，或者火箭运载能力不足以一次性将卫星送入预定轨道，它只能依靠自身的推进系统进行轨道调整。这个过程需要消耗大量推进剂，进而影响卫星在轨工作寿命。采取相应在轨维护措施，能够有效延长卫星寿命。保养之于生命，宛若暖阳之于寒冬，为生命注入无尽的活力与温暖，能使其绽放更绚烂的光彩。这句话对人造卫星来说，再适合不过了。那么卫星在轨保养措施有哪些呢？

优化轨道维持策略，减少推进剂损耗。

优化整星运行策略，如优化大型转动部件的运转策略，减少硬件损耗；在预测到高辐射事件时，调整卫星运行模式，降低敏感元器件直接暴露的风险。

在轨维修，卫星在轨道上运行一段时间后，可能会因为各种原因出现故障或者失效。针对贵重航天器，可采取在轨维修措施，从而达到延长寿命或者设备优化升级的目的。例如著名的哈勃望远镜，它于1990年4月发射，入轨后发现镜面工艺缺陷致使入射光线聚焦不足,成像模糊。这颗造价14亿美元的哈勃望远镜只能完成预期任务的一半。经过1993年的在轨维修任务之后，哈勃望远镜恢复了计划中的品质，成为当时天文学研究中最重要的工具。NASA后续又分别对哈勃望远镜进行了4次在轨维修/维护任务。2021年6月，原计划在轨服役寿命15年的哈勃望远镜终于停止了服役，在轨服役时长高达30年。

卫星寿命终结后的处理

当卫星寿命结束后，如何处理它们也是一个重要问题。如果任由其在轨道上成为太空垃圾，会增加空间碎片的数量，威胁其他在役卫星的安全。目前有一些处理方式，比如对于低轨道卫星，可以通过控制其轨道，让它在燃料耗尽前再入大气层烧毁。对于高轨道卫星，一些国家和组织也在研究安全的离轨方案，尽量减少它们对太空环境的影响。

了解卫星的寿命对于卫星的设计、使用和太空环境的保护都有着至关重要的作用。随着科技的不断发展，我们期待能够延长卫星的有效寿命，同时也能更好地解决卫星寿命终结后的问题，保障人类在太空探索和利用中的可持续发展。