極低軌指距地球表面100-250公里高度的軌道空間(第782次香山科學(xué)會議)，是低地球軌道(LEO)向下的延伸。與傳統(tǒng)軌道相比，極低軌具有更高的對地觀測分辨率、更優(yōu)的通信鏈路性能、天然的“自清潔”特性(衛(wèi)星失效后迅速再入大氣層)，以及由運(yùn)載能力提升和元器件要求降低帶來的成本效益等巨大優(yōu)勢。
 

　　然而，極低軌環(huán)境也帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。其中最核心的問題是劇烈的大氣阻力拖曳效應(yīng)。在250公里高度，大氣密度比600公里高處增加數(shù)千倍，飛行器需要進(jìn)行長期持續(xù)軌道維持控制。非定常強(qiáng)波動大氣與飛行器姿軌動力學(xué)狀態(tài)間的相互作用，疊加地球非球形引力攝動，使得極低軌衛(wèi)星的軌道演化分析變得異常復(fù)雜，尤其是長期飛行中的軌道特性演化規(guī)律尚未得到充分認(rèn)識。
 

　　力學(xué)所研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，高層大氣風(fēng)場是影響極低軌飛行器軌道演化的關(guān)鍵因素之一。模型仿真與在軌數(shù)據(jù)分析表明，大氣風(fēng)場會引發(fā)衛(wèi)星表面受力不對稱，進(jìn)而產(chǎn)生面外力，顯著改變軌道傾角及升交點(diǎn)等參數(shù)特性。在長期飛行中，這種影響會累積放大，導(dǎo)致軌道預(yù)測產(chǎn)生顯著偏差。研究團(tuán)隊(duì)通過多源耦合攝動建模與高精度數(shù)值模擬，通過解析近似和數(shù)值仿真方法量化分析了 HWM風(fēng)場模型+NRLMSIS大氣模型下極低軌飛行器的軌道演化規(guī)律，結(jié)果表明200-250km高度的極低軌飛行器在大氣風(fēng)場及非均勻密度的影響下會出現(xiàn)每年0.3°的傾角北向偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而通過耦合地球非球形引力攝動引起軌道升交點(diǎn)漂移，顯著提升了軌道預(yù)測的準(zhǔn)確性并發(fā)現(xiàn)了軌道特性演化規(guī)律，將為先導(dǎo)專項(xiàng)試驗(yàn)中極低軌飛行器的軌道預(yù)報與控制等提供理論和數(shù)據(jù)支撐。
 

　　論文第一作者為力學(xué)所碩士研究生陳冠中，通訊作者為力學(xué)所特別研究助理岳宇賢博士后、力學(xué)所李文皓研究員。該研究得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國科學(xué)院青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
 

圖1：極低軌風(fēng)場引起的橫向力與軌道角動量
 

圖2：極低軌衛(wèi)星軌道傾角變化在有風(fēng)場模型和無風(fēng)場模型下的對比