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(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)境也帶來嚴峻挑戰(zhàn)。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(shù)千倍，飛行器需要進行長期持續(xù)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(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)律尚未得到充分認識。
 

　　力學所研究團隊發(fā)現(xiàn)，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(shù)據(jù)分析表明，大氣風場會引發(fā)衛(wèi)星表面受力不對稱，進而產(chǎn)生面外力，顯著改變軌道傾角及升交點等參數(shù)特性。在長期飛行中，這種影響會累積放大，導致軌道預測產(chǎn)生顯著偏差。研究團隊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風場模型+NRLMSIS大氣模型下極低軌飛行器的軌道演化規(guī)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)了軌道特性演化規(guī)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(shù)據(jù)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(zhàn)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(wèi)星軌道傾角變化在有風場模型和無風場模型下的對比