问题描述

极低轨道（Very Low Earth Orbit，VLEO）介于临近空间与传统航天低轨道之间，属于稀薄大气区，具有轨道周期短、距离地面近及紧邻大气资源等独特地域特点。一些研究调查了在VLEO运行小型飞行器的可行性，得出了一些公认的优势，包括可以增加轨道有效载荷质量、提高光学分辨率和辐射性能、更好地遵守空间碎片减缓政策、提高响应能力，降低任务成本等。长期以来极低轨道飞行域未得到广泛开发主要源于大气阻力效应，在该轨道上稀薄空气动力（mN~N）持续作用引起的轨道衰减限制了飞行器的飞行时间，一般200km高度飞行器无动力仅可维持7天，为了实现稀薄大气高效率飞行，可采用直接动力轨道衰减补能的方式，但长时间飞行燃料消耗增加了发射成本，也极大限制了载荷的携带能力。除此之外，极低轨道利用也受限于依靠推进剂轨道机动特征，携带额外推进剂量增大了发射成本，限制了飞行器机动性能。因此，对于极低轨道飞行域的有效利用要重点解决长时间稳定运行及机动能力实现的问题。

极低轨道作为轨道动力与空气动力强耦合作用域，紧邻临近空气稠密大气资源，基于临近空间与天地往返飞行技术基础在极低轨道发展升力式高效飞行具有重要价值。目前在极低轨道飞行的包含快速穿越的火箭、导弹、空天飞机、亚轨道飞行器等，以及仍处于试验阶段的极低轨道卫星平台，长时间升力式飞行尚属空白。本研究旨在创新极低轨道升力式飞行技术扩展，充分利用紧临大气资源优势，研究极低轨道高效升力式飞行机动模式，探索极低轨道稀薄空气动力学与轨道动力学耦合机理，迫切需要开展以下三方面研究：（1）开展极低轨道稀薄大气模型研究，获得该区域大气密度、温度和组分受相对轨道位置、太阳辐射和地磁活动等准确特性及飞行效能影响；（2）开展极低轨气动特性精确预示模型及特性研究，研究超低密度环境的稀薄气动效应，发展高精度的表征模型，揭示该飞行域气动特性规律与飞行动力学影响效应；（3）研究稀薄大气气动力与极低轨道动力学耦合建模方法，探究稀薄大气耦合轨道动力学演化作用机理，最终扩展极低轨道高效升力式飞行技术能力，提升我国实施航天工程的技术水平。

问题背景

关于极低地球轨道概念，目前世界范围内尚未达成一致。欧洲航天局（ESA）在一份描述文件中指出：推动最新研究的技术成果与主动空气动力学概念相结合，将产生运行在极低地球轨道飞行器的概念，尽管存在气动阻力，但卫星仍可在不到200km（即低于常规低轨）的轨道上停留较长时间。

此外，不少国内外学者在具体研究中对极低地球轨道的范围有着不同的定义：

AETHER项目中指出：极低地球轨道是传统近地轨道以下，160至250km的轨道高度区域；Berthoud等人则在研究中指出：极低地球轨道描述的是低于300km轨道高度，在这一区域运行通信卫星有许多好处；

国内吕久明、徐福祥等人却认为：极低轨道的高度界定在120~300km，高于大气层且低于传统飞行器的轨道高度。极低轨道卫星技术则是指部署在120~300km的轨道高度上的卫星平台，能够克服受低轨大气阻力、低空环境恶劣和轨道控制等因素引起的卫星姿态扰动影响，使其搭载的有效载荷正常工作的轨道应用技术；

温生林等则定义：超低轨道卫星一般是指运行在轨道高度300km以下150km以上的卫星，在此轨道部署卫星，可大幅缩短载荷与地面的作用距离，从而提升载荷工作效能，降低卫星研制和发射成本；

此外还有Mirko等学者认为：在极低地球轨道运行的飞行器，通常归类高度大约在 250公里到500公里之间的轨道。

国外关于150km-400km甚低轨道卫星技术及应用开展了研究，部分成果广泛应用于民用和军事领域，但100-150km轨道飞行器研究公开报道较少。国内公开报道了轨道高度为100~150km“力星一号”稀薄大气科学实验卫星的相关研究工作。极低轨道研究日益受到各国关注，国内外目前正在加快研究步伐，抢占极低轨道区域。

美国的“KH-12”光学侦查卫星，于1992年发射升空，最低轨道高度318km，轨道倾角为97.8度，轨道周期97.5分钟，其低轨道带来的优势就是可见光相机可以提供高达0.1m的超高分辨率。俄罗斯的“琥珀-4KS2-Cobalt”照相侦察卫星轨道高度为170~350km，能够进行高分辨率成像。由于此轨道高度相较于传统卫星气动阻力高两到三个数量级，气动力的长期影响对卫星轨道有强力的衰减作用，因此极低轨卫星的寿命通常很短，“琥珀-4KS2-Cobalt”卫星寿命仅为60天。GOCE卫星是欧洲宇航局（ESA）和俄罗斯联邦航天局（RKA）联合研制的一颗重力场与海洋环流探测的极低轨道卫星，入轨时的轨道高度为283km，为减小大气阻力、延长在轨工作时间，采用八角形细长棱柱体的构型设计，迎风面积为1.1m2，总长度为4.8m，采用英国Kaufman型的离子推力器，其比冲高达3000s，推力调节范围为0.6-20mN，能够根据在轨运行过程中大气阻力的变化实时调节推力的大小，从而使得GOCE卫星处于轨道能量保持的飞行状态。NanoEye卫星是美国Microcosm公司正在研发的一颗对地观测小卫星，其轨道采用超低近圆轨道，近地点高度200km、远地点高度300km，预计飞行时间为6个月至1年。NanoEye卫星净重约20.6kg，搭载有光学侦察载荷和推进系统，可携带数倍于自身重量的推进剂，能使其在更低的轨道上（如160km）长时间执行对地侦察任务。

尽管VLEO在光学、微波、地球物理场、电离层等方面具有明显应用优势，但也为飞行器的稳定运行同时也带来许多挑战，主要原因是随着轨道降低，大气密度急剧增大，轨道环境受大气层影响越发明显，大气阻力摄动、高浓度原子氧环境对卫星影响突出，带来气动阻力、空气动力姿态扰动、原子氧侵蚀以及飞行器的充电等问题。

近年来随着天地往返以及临近空间飞行技术的新兴发展，升力式飞行的空域、速域范围有了极大地提升，极低轨道作为紧邻临近空间新兴飞行域，有可供利用便捷的空气动力资源，是拓展升力式飞行的高价值飞行域，通过重点利用极低轨道空间显著大气特性及明显气动作用区域，可实现长时间稳定飞行并提升飞行机动性能。利用临近空间气动力实现轨道机动性能自上世纪六十年代提出来后国内外开展了大量研究，飞行试验及理论计算均表明了其在提升轨道器机动性能方面的优势。在新的空间攻防作战背景下，美国提出了空间机动飞行器概念，进而研发的X-37B可以改变轨道参数以完成大量的空间任务。美国空军研究实验室的Kenneth V.及NASA Dryden、飞行研究中心的Pienkowski J.对X-37B利用气动力辅助降低远地点高度能力和改变轨道倾角能力进行了分析，仿真结果表明其具备依靠气动力实现改变轨道倾角12°能力。

极低轨道作为一个近年来被关注的飞行区域，科学界对其环境效应、飞行效应等研究较少，存在需要进一步深入探索的系列科学问题，尤其研究极低轨道稀薄大气特性及轨道动力学作用机制，对实现极低轨高效升力式飞行至关重要。

最新进展（截止问题发布年度）

“超低轨道技术试验卫星”（SLATS）由日本宇宙航空研究开发机构设计、研制、发射和运管，该卫星是世界首颗具有变轨能力的超低轨道卫星，于2017年12月搭乘H-2A运载火箭成功发射入轨，部署在高180～268km的轨道。通过测试发射和在轨运行等全过程的验证，证实了其具有较强的变轨机动能力，获取了实际飞行和低轨道空间环境数据，测试验证了对地面目标的高分辨率成像观测、超低轨道高度保持、轨道转移控制、耐蚀耐高温材料等一系列关键技术，为未来发展超低轨道卫星系统提供工程验证。2016年8月由中国科学院微小卫星创新研究院与中国科学院力学研究所共同研制的力学一号稀薄大气科学实验卫星(LX-1)(图9)成功发射。该卫星飞行的轨道高度为100~150km，是迄今为止轨道高度最低的人造地球卫星。该卫星在轨连续飞行，采集了全球范围100km高度附近稀薄大气原位温度和密度数据，用于建立精确大气模型。力星一号飞行试验的圆满成功，为稀薄大气科学探索奠定重要基础。2022年7月，中科院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室和中科院上海微小卫星创新研究院联合研制的轨道大气密度探测试验卫星由力箭一号运载火箭送入预定轨道。卫星搭载了两台全球导航卫星系统（GNSS）接收机，并装有激光角反射器，可用于精密定轨及大气密度反演，可有效提升反演精度，为航天飞行器轨道预报、碰撞预警等提供有效技术支持。轨道大气密度探测试验卫星为一颗36千克、直径60厘米的轻质球星卫星。球星卫星构型简洁。具有确定的面质比，不仅可以显著降低各项参数变化对大气密度反演的影响，而且可以不必进行频繁的姿态调整，可以显著降低卫星制造的成本。

2022年8月6日，清华大学航天航空学院的重力与大气科学卫星在酒泉卫星发射中心成功发射，此为我国首个专用于重力与大气科学测量的卫星，主要进行低轨大气密度和重力场联合测量。卫星可获取厘米级精密定轨数据，实现高精度大气密度与重力场测量，建立我国自主的空间力学环境模型。此外，该卫星也将在轨验证我国重力卫星技术数十年来的理论研究成果。卫星采取纯球形构型，可以保证大气阻力与卫星姿态无关，从而大大提升大气密度测量精度。为保证卫星供电充足，卫星采取球面太阳电池阵列，并攻克了小曲率球面贴装工艺技术难题。此外，针对极低轨道卫星长时间在轨飞行的轨道维持问题，国防科技大学航天科学与工程学院的学者分析了超低轨道平均偏心率矢量变化特性，提出了一种极低轨道维持的控制方法。研究分析了J2、J3摄动以及大气阻力摄动作用下超低轨道卫星偏心率矢量的变化特性，基于能量守恒原理设计了超低轨道高度维持的控制策略，最后以轨道高度200km、质量500kg的超低轨道卫星为例进行了仿真分析。分析结果表明，若不进行轨道维持，在半个轨道周期内大气阻力可使轨道衰减约1.2km；在一个轨道周期内施加两次速度脉冲进行轨道衰减的补偿控制，在整个在轨飞行时间内，轨道高度偏差的平均值为626.5m，轨道高度偏差不超过1871.2m。由于初始偏心率矢量不同，在地球引力、大气阻力和速度脉冲共同作用下，偏心率矢量最终将收敛至原点附近。而在轨飞行50天所需总速度脉冲为1247.7m/s，轨道维持所消耗的燃料质量为172.9kg，用于轨道维持的燃料消耗占卫星总质量的34.6%，验证了控制策略的有效性。因此，在地球非球形引力摄动、大气阻力摄动和速度脉冲作用下超低轨道平均偏心率的变化是稳定的，所设计的轨道维持方法不仅能够实现超低轨道高度维持，确保平均偏心率矢量收敛至平衡位置，且用于轨道维持的燃料消耗合理，能够满足长时间的超低轨道飞行要求。

综上所述，围绕极低轨道空间利用，国内外的许多机构、公司、高校均积极开展了超低轨道飞行器的相关技术研究，探索了极低轨道的侦查潜力、轨道性能、飞行特点、大气环境、轨道维持方法、离子电推技术应用等，取得了不少丰硕的成果，但在该轨道上正式投入应用的升力式飞行器仍尚未见相关报道，瞄着扩展极低轨道升力式飞行技术应用，亟需开展极低轨道稀薄空气动力学与轨道动力学耦合作用机制基础问题研究，本课题研究关键难点和挑战主要体现在以下四个方面：

（1）高精度稀薄大气模型研究，对于极低轨飞行高度，其阻力的预测主要归结到阻力系数和大气参数的计算，该区域大气参数与太阳活动密切相关，大气密度、温度和组分受相对轨道位置、太阳辐射和地磁活动等因素影响显著，这给飞行阻力预测带来严重的不确定性，深入研究各种大气模型对于极低轨道大气参数表征适应性以及对于阻力预测描述研究显得更为迫切；

（2）稀薄大气气-固界面效应的精确预示，极低轨道飞行高度气动力与物面边界条件密切相关，传统的连续流区由于密度较大，气体之间的碰撞频率远高于气体与固体表面的碰撞频率，因此，气体与固体表面的动量和能量交换充分，宏观上表现为漫反射特性。在超低轨道上流动呈现很强的稀薄流特征，气体-表面相互作用不再符合漫反射特性，动量适应系数对动量传输的影响变得更加显著，当前动量适应系数的研究国内刚刚起步，结合理论、模拟和地面的专项研究国内尚属首次，如何获得有效的动量适应系数成为气体与固体表面相互作用研究的关键；

（3）稀薄大气过渡流区气动力和气动传热特性问题的求解是航天技术中的难点和重点，超高速激发的各种非平衡物理化学现象，对于飞行器的气动力、气动热、目标特性等均有着重要影，直接模拟Monte Carlo方法(DSMC)虽然具备准确模拟三维复杂稀薄流动的能力，却需要耗费巨大的计算时间和存储量；而风洞试验地面地面条件的限制，难以满足双尺度律相似准则要求。因此需要发展适应极低轨道过渡流区的高超声速三维非平衡流场精确预示方法和试验验证手段，为极低轨道飞行器设计提供理论基础和技术支撑。

（4）高层稀薄大气的精确建模与气动力联合机动高精度建模。极低轨道飞行机动过程中，飞行器必然会受到来自大气密度不确定、气动参数不稳定、以及太阳活动造成高层气流不一致等随机误差的综合影响，如何保证在上述偏差输入情况下充分利用大气气动力实现高效飞行轨迹机动是极低轨高效飞行中关键技术问题，首先需要解决高层稀薄大气的精确建模与气动力联合变轨轨道动力学建模问题。

重要意义

极低轨道稀薄空气动力学与轨道动力学耦合技术研究，是创新极低轨道升力式飞行技术，大幅提升极低轨道空间有效利用的重大科学基础问题，对于大气科学自身发展和航天工程研制具有重要促进作用。通过该项技术能够准确掌握极低轨道大气模型特性及与轨道动力学耦合作用效应，可为极低轨道飞行器设计提供高精度依据，对于未来极低轨道空间利用及各种新型飞行器发展意义重大。