飛行器上層大氣層空氣動力特性探討

沈 清, 黃 飛, 程曉麗, 靳旭紅,2

(1. 中國航天空氣動力技術研究院, 北京 100074；(2. 清華大學航天航空學院, 北京 100084)

引 言

我們把飛行器的飛行空域分為4層, 如圖1所示, 其中, 20 km以下的地球大氣層, 為稠密大氣層, 定義為第1空域. 這是航空飛行器所利用的空域. 20～100 km高空為較為稀薄的大氣層, 稱為臨近空間[1], 定義其為第2空域. 這是高超聲速飛行器所利用的空域. 300 km以上為外太空, 定義其為第3空域. 這是航天飛行器運用的空域. 100 km為Karman線, 是國際上公認的空天分界線. 100～300 km 區間的上層大氣層[2]稱為第4空域. 該空域大氣密度極低, 高超聲速飛行器無法利用其氣動力進行飛行, 而航天飛行器又會因為在此處存在氣動阻力難以長期在軌飛行. 能否利用該空域的氣動力將是本文探討的主題.

圖1 飛行空域的劃分與飛行器的應用Fig. 1 Space partition and application of flying vehicles

第4空域屬于臨近空間向外太空過渡的空域, 存在非常稀薄的大氣. 人們希望航天飛行器能夠在這一空域進行飛行, 例如, 美國“鎖眼(KH-12)”衛星[3-4], 為提高對地觀測能力, 在該空域進行軌道的下探和機動變軌, 其最低可下降至120 km. X-37B軌道飛行器也設計成可在該空域利用空氣氣動的作用進行機動變軌[5-6]. 但是, 由于在上層大氣層存在氣動阻力, 在該軌道無法維持長期運行, 當完成任務時還須返回原有軌道. 為了解決在這一空域長期飛行的問題, 人們提出了采用高效率的電推進技術克服氣動阻力[7-9]. 由此可見, 雖然實現了低軌衛星在該層空域的短時飛行, 但是在這一空域進……