什么是“力星一號(hào)”

2016年8月16日1點(diǎn)40分蚁飒，“力星一號(hào)” 搭載“墨子號(hào)”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的運(yùn)載火箭，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功升空琼懊。它是由中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所提出科學(xué)目標(biāo)、并與中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院（籌）聯(lián)合研制的一顆稀薄大氣科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星启妹。

墨子號(hào)發(fā)射

“力星一號(hào)”的使命

任務(wù)使命

挑戰(zhàn)人造地球衛(wèi)星軌道飛行高度的低限饶米，實(shí)現(xiàn)距地面100-150千米高程處過渡流區(qū)的全球首飛车胡。

“力星一號(hào)”順利發(fā)射并完成其任務(wù)使命吨拍，在高度為100-150千米的空域中，繞地球飛行了36圈羹饰，特別是最低飛行軌道達(dá)到了109千米队秩，成為迄今為止運(yùn)行軌道高度最低的人造地球衛(wèi)星。

目前國(guó)際上已發(fā)射的低軌衛(wèi)星運(yùn)行高度多在300千米以上筒主，一般認(rèn)為臨界值為150千米鸟蟹。因而我們可以說建钥，“力星一號(hào)”在世界上首次開辟了一個(gè)新的飛行空域。

科學(xué)使命

開展稀薄大氣環(huán)境科學(xué)探測(cè)泽艘，利用星載探測(cè)器來獲取稀薄大氣環(huán)境特性匹涮，從而發(fā)展精確的大氣模型槐壳。

對(duì)于人類的空間探測(cè)活動(dòng)而言，高程為100-150千米的“過渡流區(qū)”脚翘，仍是一個(gè)未知的區(qū)域绍哎，從未有航天器在這里長(zhǎng)期飛行過崇堰；同時(shí)海诲，由于搭載發(fā)射繁莹，它需要經(jīng)歷四個(gè)階段的變軌才能進(jìn)入預(yù)定軌道咨演，并完成數(shù)據(jù)的采集與下傳薄风。因此拍嵌，“力星一號(hào)”開創(chuàng)了我國(guó)空間科學(xué)探索的新征程。

眾所周知撇他，在地球引力作用下狈蚤，大量氣體聚集在地球周圍脆侮，形成厚度達(dá)數(shù)千千米的大氣層，由于引力逐漸減小蹋绽，大氣密度隨高度的增加呈指數(shù)下降筋蓖。換言之粘咖，高度愈高，大氣愈稀薄翰铡。此外锭魔，氣體分子總是處于不停的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，每個(gè)分子都在不斷地和其它分子發(fā)生碰撞迷捧。顯然织咧，大氣越稀薄，分子間發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)就越少漠秋。

人們也可以用大氣分子的平均自由程λ（即一個(gè)分子在兩次碰撞間走過距離的平均值）來表征大氣的稀薄程度：分子平均自由程λ越大笙蒙，大氣越稀薄。為了分析在稀薄大氣中飛行器的性能庆锦，流體力學(xué)家定義了一個(gè)無量綱參數(shù)（克努曾數(shù)）Kn=λ/L捅位。這里，L為飛行器的特征尺度搂抒，一般飛行器的特征尺度可設(shè)定為1米量級(jí)绿渣。根據(jù)Kn的數(shù)值大小，空間環(huán)境可以劃分為三個(gè)流區(qū)：

1. 連續(xù)介質(zhì)流區(qū)            Kn < 0.01
2. 過渡流區(qū)               0.01 < Kn < 100
3. 自由分子流區(qū)            Kn > 100

顯然燕耿，當(dāng)飛機(jī)在低層稠密大氣中飛行時(shí)中符，滿足Kn<0.01的條件，可以運(yùn)用常規(guī)的氣體動(dòng)力學(xué)來確定飛行器的氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱誉帅；當(dāng)飛行器在高度100-150千米的區(qū)域飛行時(shí)蚜锨，λ的數(shù)量級(jí)為0.1 - 10米郭膛，滿足條件0.01<Kn<100，屬于過渡流區(qū)棍现，其受力、受熱情況不能采用常規(guī)的氣體動(dòng)力學(xué)來分析娄柳，必須借助于分子動(dòng)力學(xué)的方法。這時(shí)需了，人們必須充分掌握大氣環(huán)境參數(shù)鹅颊，才能保證飛行器長(zhǎng)時(shí)間飛行時(shí)動(dòng)力學(xué)性能分析的準(zhǔn)確性。

“力星一號(hào)”的現(xiàn)實(shí)意義

大氣數(shù)據(jù)的采集手段

對(duì)于大氣環(huán)境涮俄，人們?cè)捎貌煌氖侄蝸慝@取不同范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，包括飛機(jī)苞尝、浮空器、地基雷達(dá)、探空火箭和星載探測(cè)器等舀患。

0-20千米

由于飛行高度的限制，飛機(jī)只適用20千米以下的低層大氣的探測(cè)旷痕。

20-50千米

近年來開始研制的臨近空間浮空器（如高空氣球、平流層飛艇等）可望長(zhǎng)期駐空運(yùn)行，但目前只能工作在20-50千米的空域佃声。

平流層飛艇

50-100千米

地基雷達(dá)通過從地面發(fā)射的激光或無線電波束可以探測(cè)到80千米高程，但是環(huán)境噪聲對(duì)回波信號(hào)有干擾而且必須借助復(fù)雜的反演程式才能給出大氣環(huán)境參數(shù)。

地基激光雷達(dá)

100千米附近

攜帶探測(cè)器的探空火箭可以飛達(dá)100千米，但它只能獲取短時(shí)間局部區(qū)域的大氣垂直剖面數(shù)據(jù)陕见。

探空火箭

300千米

常規(guī)的科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星繞地飛行蜕着，可以獲取全球數(shù)據(jù)，但它們軌道高度一般都在300千米以上。

100-300千米的空白

由此可見袍暴，100-300千米之間并沒有特別的采集手段。這就是“力星一號(hào)”的現(xiàn)實(shí)意義耗式。

后記

作為一種全新的手段，“力星一號(hào)”在力學(xué)所科研人員與中科院兄弟單位的協(xié)同努力下，突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)浪规，實(shí)現(xiàn)了過渡流區(qū)22馬赫的超高速長(zhǎng)時(shí)間飛行笋婿，獲取了該流區(qū)全球范圍稀薄大氣環(huán)境的原位測(cè)量數(shù)據(jù)，成功鑄就了我國(guó)空間科學(xué)探索新的里程碑斩跌。

未來“力星一號(hào)”還有很長(zhǎng)的路要走，當(dāng)軌道低至100-150千米時(shí)大氣阻力會(huì)增加數(shù)萬倍袖订，要維持衛(wèi)星運(yùn)行必須消耗大量的推進(jìn)劑皮服，長(zhǎng)時(shí)間飛行將是長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)昂勒。

飛行中的“力星一號(hào)”