極低軌道(100-250公里)空域作為新興戰(zhàn)略空間，在國(guó)防安全、經(jīng)濟(jì)建設(shè)與科學(xué)探索中具有重要戰(zhàn)略價(jià)值。極低軌飛行器兼具發(fā)射成本低、觀測(cè)分辨率高、通信時(shí)延短等顯著優(yōu)勢(shì)；但其特殊的大氣環(huán)境特性，如時(shí)空漲落明顯、原子氧影響顯著等，對(duì)飛行器的構(gòu)型、動(dòng)力、能源等方面提出了嚴(yán)苛的要求，因此吸氣式電推進(jìn)飛行器構(gòu)型設(shè)計(jì)需要平衡取舍、系統(tǒng)尋優(yōu)。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了吸氣式電推進(jìn)飛行器的構(gòu)型設(shè)計(jì)工作，相關(guān)成果以“Structural and Configurational Optimization of Spacecrafts in Very Low Earth Orbit using Atmosphere-Breathing Electric Propulsion”為題發(fā)表在《Acta Astronautica》期刊上。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)建立了“工質(zhì)-能量”雙平衡優(yōu)化理論模型，通過(guò)引入能量工質(zhì)無(wú)量綱化積RP?Rm作為關(guān)鍵優(yōu)化指標(biāo)，提出了適用于強(qiáng)耦合多參數(shù)系統(tǒng)的極低軌飛行器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。研究厘清了飛行器設(shè)計(jì)的核心影響因素，并根據(jù)當(dāng)前各組件性能參數(shù)確定了172公里(對(duì)應(yīng)大氣密度6.58×10-10 kg/m3)的最低可行高度，為工程實(shí)踐提供了重要參考。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化獲得了滿足約束條件的飛行器幾何可行域及最優(yōu)解，優(yōu)化后的構(gòu)型設(shè)計(jì)提升了飛行能力，有效拓寬了飛行器的空間適用范圍。本項(xiàng)研究構(gòu)建的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法體系，為吸氣式電推進(jìn)飛行器的一體化設(shè)計(jì)提供了理論支撐與技術(shù)路徑，對(duì)推動(dòng)極低軌道常態(tài)化應(yīng)用具有重要工程價(jià)值。
 

　　力學(xué)所研究生李曉琪為論文第一作者，耿金越高級(jí)工程師和黃河激研究員為共同通訊作者。研究工作得到中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)A專項(xiàng)(XDA0470200)和國(guó)家自然科學(xué)基金(12275019)的資助。
 

圖 吸氣式電推進(jìn)飛行器示意圖及幾何可行域