【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院力學研究所團隊在極低軌風場影響下的飛行器長期飛行軌道特性演化分析研究方面取得重要進展，揭示了大氣風場對極低軌飛行器軌道演化的長期影響規律，為極低軌飛行器的高精度軌道預測與高效控制提供了新方法。相關研究成果以“Evolution analysis of orbital characteristics of VLEO satellites in long-term flight under the influence of atmospheric winds”為題發表在《Acta Astronautica》。
極低軌指距地球表面100-250公里高度的軌道空間(第782次香山科學會議)，是低地球軌道(LEO)向下的延伸。與傳統軌道相比，極低軌具有更高的對地觀測分辨率、更優的通信鏈路性能、天然的“自清潔”特性(衛星失效后迅速再入大氣層)，以及由運載能力提升和元器件要求降低帶來的成本效益等巨大優勢。
然而，極低軌環境也帶來嚴峻挑戰。其中最核心的問題是劇烈的大氣阻力拖曳效應。在250公里高度，大氣密度比600公里高處增加數千倍，飛行器需要進行長期持續軌道維持控制。非定常強波動大氣與飛行器姿軌動力學狀態間的相互作用，疊加地球非球形引力攝動，使得極低軌衛星的軌道演化分析變得異常復雜，尤其是長期飛行中的軌道特性演化規律尚未得到充分認識。
力學所研究團隊發現，高層大氣風場是影響極低軌飛行器軌道演化的關鍵因素之一。模型仿真與在軌數據分析表明，大氣風場會引發衛星表面受力不對稱，進而產生面外力，顯著改變軌道傾角及升交點等參數特性。在長期飛行中，這種影響會累積放大，導致軌道預測產生顯著偏差。研究團隊通過多源耦合攝動建模與高精度數值模擬，通過解析近似和數值仿真方法量化分析了 HWM風場模型+NRLMSIS大氣模型下極低軌飛行器的軌道演化規律，結果表明200-250km高度的極低軌飛行器在大氣風場及非均勻密度的影響下會出現每年0.3°的傾角北向偏轉，進而通過耦合地球非球形引力攝動引起軌道升交點漂移，顯著提升了軌道預測的準確性并發現了軌道特性演化規律，將為先導專項試驗中極低軌飛行器的軌道預報與控制等提供理論和數據支撐。
論文第一作者為力學所碩士研究生陳冠中，通訊作者為力學所特別研究助理岳宇賢博士后、力學所李文皓研究員。該研究得到了中國科學院戰略性先導科技專項、中國科學院青年團隊項目、國家自然科學基金等項目的支持。
圖1：極低軌風場引起的橫向力與軌道角動量
圖2：極低軌衛星軌道傾角變化在有風場模型和無風場模型下的對比
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