问题描述

100km~200km上层大气层是人们一直想利用而没有利用到的空域，这一空域大气密度极低，在传统的空气动力学理论下，不足以产生维持其在该空域飞行的升力，又存在不可忽视的阻力。这种现状的根本原因是相比于传统的空气动力学，上层大气空气动力学发展缓慢，不足以支撑这一空域飞行器发展的需求。相比传统意义下的空气动力学，上层空气动力学流动的非平衡效应更加显著，具有强烈的多尺度特征，低密度环境导致物面的影响传播得更远，多场耦合效应更加严重。一旦取得突破，将带来颠覆性影响，做到100km~200km上层大气层空域的有效利用，带动地球测绘等关系民生的重大科技进步，填补在此空域飞行的飞行器空白。

问题背景

距地面100-1000 km的低地球轨道环境，是对地观测卫星、气象卫星，通讯遥感卫星、可重复使用飞行器等大型复杂结构航天器运行区域。近年来，由于对地观测、重力场和稳态海洋环流精确测量的需要，100-300 km空域超低地球轨道航天器逐渐展现出广阔的应用前景和军事用途。如GOCE运行在250-300km的低地球轨道地球重力场精确测量，X37-B在轨运行段，其气动辅助变轨能力可实现对目标的隐蔽打击。在超低轨道环境下，尤其是100-200 km高度，太阳光压和地球辐射反照压比大气阻力小得多，因此稀薄大气引起的气动阻力仍然是主要的控制问题。在低地球轨道大气环境条件下，阻力系数和大气密度是卫星阻力预测不确定度的最大来源。一方面，在此轨道空域大气密度比常规遥感卫星低轨轨道大气密度高4个数量级以上，大气拖曳作用明显，飞行器轨道衰减快，在轨寿命为几天~百天量级，超低阻气动构型研究是飞行器实现长期驻留运行的前提条件。另一方面，在此轨道气动变轨在获得足够的变轨力的同时，低阻气动构型研究也是维持低轨运行的必要条件。依据现有的空气动力学理论，稀薄流区飞行器的升阻比显著降低，摩阻在总阻中所占比例显著提高，不满足低阻大变轨力的飞行器研制需求，为此，需要研究上层大气层空气动力学新理论，揭示其与飞行器作用机理，依据分子与分子、分子与表面的碰撞本质，提出新理论，给出新模型，提出在这一空域长期驻留的飞行器气动布局。

最新进展（截止问题发布年度）

随着各类航空、航天飞行器的发展，空气动力学得到了空前的发展。相比于传统的空气动力学，上层大气空气动力学流动的非平衡效应更加显著，具有强烈的多尺度特征，低密度环境导致物面的影响传播得更远，多场耦合效应更加严重。针对上层大气层气动研究方法包括各类基于概率学和确定论的方法，其中有代表意义的是由G.A.Bird提出的基于统计学方法的DSMC，它将分子运动和碰撞解耦，在特征时间尺度内连续运动与分子碰撞过程被看成两个顺序阶段，即自由分子迁移和碰撞松弛。近年来，发展了适用于近自由分子流区的TPMC方法。上层大气层空气动力学的关键难点和挑战体现在它的多尺度特征、体现在多场耦合方面，也是它区别于传统空气动力学的主要方面，虽然在算法上得到一些进展，但仍然还有一些问题没有得到解决，比如气体分子和固体表面的相互作用。最为广泛的两种气体与表面相互作用模型是Maxwell模型和CLL模型，Kovalev等采用分子动力学方法研究了氢气与石墨表面的相互作用、Yamaguchi等采用分子动力学方法计算气体分子与固体表面相互作用过程的切向动量适应系数和能量适应系数、Reinhold等采用分子动力学方法方法研究了多种气体分子（Ar，N2，O2）与多种固体表面（Pt, Si, SiO2, SiOH）相互作用过程中的动量适应系数，但是由于对其产生机理的认识不足，对于多尺度问题、多场耦合问题带来的求解困难，影响上层大气层空气动力学关键的问题仍旧进展缓慢。

重要意义

上层大气层空气动力学问题取得突破，将带来颠覆性影响，颠覆传统空气动力学的局限性，使当前不可能的变为可能，做到100km~200km上层大气层空域的有效利用，带动地球测绘等关系民生的重大科技进步，填补在此空域飞行的飞行器空白，具有显著的经济和社会效益。