上层大气层飞行器研究进展及气动技术挑战

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30254

综述

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上层大气层飞行器研究进展及气动技术挑战

靳旭红¹^,²^,³, 黄飞¹^,³, 张俊⁴, 王学德⁵, 程晓丽¹^,³(), 沈清¹

^1.中国航天空气动力技术研究院，北京 100074
^2.清华大学航天航空学院，北京 100084
^3.中国航天科技集团有限公司航天飞行器气动热防护实验室，北京 100074
^4.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191
^5.南京理工大学能源与动力工程学院，南京 210094

收稿日期:2024-01-29 修回日期:2024-03-21 接受日期:2024-04-16 出版日期:2024-11-25 发布日期:2024-04-30
通讯作者: 程晓丽 E-mail:cheng_xiaoli@sina.com
基金资助:
中国博士后科学基金(2023M741912)

Spacecraft in upper atmosphere: Research development and aerodynamic challenges

Xuhong JIN¹^,²^,³, Fei HUANG¹^,³, Jun ZHANG⁴, Xuede WANG⁵, Xiaoli CHENG¹^,³(), Qing SHEN¹

^1.China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074，China
^2.School of Aerospace，Tsinghua University，Beijing 100084，China
^3.Laboratory of Aero-thermal Protection Technology for Aerospace Vehicles （LAPTAV），China Aerospace Science and Technology Corporation （CASC），Beijing 100074，China
^4.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China
^5.School of Energy and Power Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China

Received:2024-01-29 Revised:2024-03-21 Accepted:2024-04-16 Online:2024-11-25 Published:2024-04-30
Contact: Xiaoli CHENG E-mail:cheng_xiaoli@sina.com
Supported by:
China Postdoctoral Science Foundation(2023M741912)

摘要/Abstract

摘要：

上层大气层飞行器的研究，不但能够促进上层大气层空气动力学这一新兴学科的发展，还能实现100~300 km上层大气层空域的开发利用，推动地球观测、通信等关系民生和国防的重大科技进步，填补此空域长期机动飞行的飞行器空白。分析了上层大气层飞行器相关的研究态势，概述和总结了现有的研究进展，指出气动设计和推进系统方面需要突破的上层大气与飞行器表面相互作用准确建模技术、吸气式电推进系统气体收集压缩器高性能进气道通用化设计技术、吸气式电推进系统电离加速推进器的高效率电离和加速技术等关键技术挑战，并提出了潜在的解决方案，以便为相关领域的科技工作者开展原创研究、集智攻关提供参考。

关键词: 上层大气层, 气固相互作用, 吸气式电推进, 超低轨卫星, 大气密度模型

Abstract:

Research into spacecraft in the upper atmosphere can not only contribute to the development of upper-atmosphere aerodynamics but also exploit the upper atmosphere ranged from 100 km to 300 km， consequently making significant progress in such military and civilian technology as earth observation and radio communication， and filling the void that there is not yet long-term and maneuverable spacecraft operating in the upper atmosphere. This paper provides a comprehensive review of research situation and development related to the spacecraft in the upper atmosphere， by highlighting the three technique challenges involved in aerodynamic design and propulsion system， namely accurate modelling of the interaction of upper atmosphere with spacecraft surface， wide-range design of efficient inlet for gas collection and compression in the Air-Breathing Electric Propulsion （ABEP） system， and efficient ionization and acceleration in the ABEP system subjected to limited energy source. Moreover， some possible solutions have been proposed to overcome these challenges. Comments have been provided， when possible， to help the reader to identify present development and future challenges for spacecraft in the upper atmosphere with regards to aerodynamic design and propulsion. This review aims at providing some reference for researchers in related fields， thereby facilitating original research and collaborative problem-solving efforts.

Key words: upper atmosphere, gas-surface interaction, air-breathing electric propulsion, satellites in very low Earth orbit, atmospheric density model

中图分类号:

V411.3

靳旭红, 黄飞, 张俊, 王学德, 程晓丽, 沈清. 上层大气层飞行器研究进展及气动技术挑战[J]. 航空学报, 2024, 45(22): 30254.

Xuhong JIN, Fei HUANG, Jun ZHANG, Xuede WANG, Xiaoli CHENG, Qing SHEN. Spacecraft in upper atmosphere: Research development and aerodynamic challenges[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(22): 30254.

图/表 15

图 1

图 2

图 3

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图 10

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图 13

表 1

表 2

参考文献 92

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德国Stuttgart大学	被动增压	有	漫反射		31~45	［66，69-70］
德国Stuttgart大学	被动增压	无	镜面反射		59~94	［66，69-70］
意大利SITAEL公司	被动增压	有	漫反射	90~130	28~32	［57，71-72］
意大利SITAEL公司	被动增压	无	Maxwell	100~150	23~25	［57，71-72］
国防科技大学	被动增压	有/无	镜面发射/Maxwell	100~210	65~81	［73-75］
兰州空间技术物理研究所	涡轮主动增压	有	漫反射	2 500~3 600	42~58	［76］
中国航天空气动力技术研究院	被动增压	无	Maxwell	73~263	55~70	［56，63，77-78］

研究机构	推进器概念	电离方式	加速方式	技术成熟程度	文献
意大利SITAEL公司	冲压电推进器（Ramjet Electric Propulsion， RAM-EP）	直流电子高速撞击	Hall磁约束直流	完全/部分端对端测试	［57， 84］
美国Busek公司	吸气式Hall效应电推进器（Air Breathing Hall Effect Thruster， ABHET）	直流电子高速撞击	Hall磁约束直流	完全/部分端对端测试	［85］
日本JAXA	吸气式离子发动机（Air Breathing Ion Engine， ABIE）	电子回旋共振	静电场网格	完全/部分端对端测试	［55，67， 86］
德国Stuttgart大学	感应等离子体推进器（Inductive Plasma Thruster， IPT）	射频	磁喷管	推进器单独测试	［87-88］
俄罗斯TsAGI	射频激光电推进器（RF Laser Electric Propulsion， RFLEP）	射频和直流电子高速撞击	静电场网格	推进器单独测试	［89-90］
美国Michigan大学	螺旋Hall推进器（Helicon Hall Thruster， HHT）	射频和直流电子高速撞击	Hall磁约束直流	推进器单独测试	［91］
北京控制工程研究所	多段会切等离子体推进器（Multi-Cusped Plasma Thruster， MCPT）	直流电子高速撞击	Lorentz力	推进器单独测试	［92］

[1]	苏鹏辉, 刘奕豪, 靳旭红, 程晓丽. 吸气式电推进系统进气道性能数值研究与可行性分析[J]. 航空学报, 2025, 46(16): 131569-131569.
[2]	李俊红, 黄飞, 靳旭红, 苗文博, 程晓丽. 上层大气层飞行器气动布局优化设计[J]. 航空学报, 2024, 45(22): 130164-130164.
[3]	张俊, 蒋亦凡, 陈松, 李帅辉. 超低轨卫星气动阻力计算与减阻设计研究综述[J]. 航空学报, 2024, 45(21): 29796-029796.
[4]	谢晓乐, 李济源, 王娴, 鲁海峰, 韩先伟. 吸气式电推进系统进气道结构对进气性能的影响[J]. 航空学报, 2022, 43(3): 125272-125272.
[5]	靳旭红, 黄飞, 程晓丽, 苏鹏辉. Maxwell气固相互作用模型对稀薄高超声速凹腔绕流流动特征和热环境的影响[J]. 航空学报, 2021, 42(3): 124118-124118.

上层大气层飞行器研究进展及气动技术挑战

Spacecraft in upper atmosphere: Research development and aerodynamic challenges

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