在距离地球最近的地方，太空并不寂静。
从“分子碰碰车”的阻力困境，到“边飞边吃空气”的创新设想，仿真技术正成为打开极低轨这片空白域的数字罗盘。
当未知逐渐可预见，航天的边界，也在悄然向地球更近处延伸。
在距离地面约100公里的地方，有一片特殊的空间。
这里比传统低轨更靠近地球，却几乎没有卫星能够长期停留。原因并不复杂——
空气。
虽然密度只有海平面的千亿分之一，但是这里的气体分子会以8km/s的相对速度不断撞击。如果没有持续动力补偿，航天器将以每天几到几十公里的速度快速下沉，最终坠入大气层烧毁。
这片区域，被称为极低地球轨道（ULEO，100–250km）。
它距离地球最近，却长期保持着罕见的“寂静”，被认为是近地空间最后的空白域之一。
图1：超低轨空间飞行器艺术构想图 AI制图 图源中国科学院官网
近年来，随着航天技术快速发展，人类正不断向更深更远的宇宙空间迈进。但是在距离地表最近的太空，仍然存在一片广袤的“蓝海”静待开发。
这就是轨道高度范围100-250km的极低轨道（ULEO）。
在这个轨域内，卫星能够以超低的载荷技术需求和经济成本实现0.1m分辨率遥感成像、毫秒级时延通信传输以及超高精度科学探测。
凭借这些特点极低轨域被称为继航空空域、宇宙空间、临近空间、低空空域之后的“第五空域”。
然而不同于近年来因“星链”等巨型星座加速部署而日益拥挤的传统低轨空间，极低轨域这片“黄金沃土”显得十分寂静。那什么是阻挡人类探索脚步的“幕后黑手”呢？
如果把视野缩小到微观层面，就会发现看似寂静的极低轨道并不平静。
这里的空气虽然相较海平面而言极其稀薄，但其密度却是低轨道大气密度1000倍以上。大量气体分子以约8km/s的相对速度不断撞击着卫星表面，就像一场持续不断的“分子碰碰车”。
图2：稀薄大气分子高速撞击航天器产生气动阻力示意 图源航空学报
作为对比，地表大气与水之间的密度差仅有约800倍，在低轨道上可以肆意奔跑的卫星到了极低轨道就像是溺了水，以每天数公里至数十公里的速度快速下沉。
纷乱的来流气体同时还会不断破坏卫星姿态、提升其表面温度，进一步加速轨道高度衰减的进程。无动力状态下，在极低轨域范围内运行的卫星几天内就会坠入大气层烧毁。
暴躁的气体分子之海造就了极低轨域的寂静，传统航天器和航空器的设计经验在这里都不再适用，目前尚无长期驻留极低轨域的先例。
在征服这片海洋的探险中，仿真技术成为了最可靠的舰船。不同于常见连续流流场，极低轨域稀薄流场特性仿真需要使用直接模拟蒙特卡洛（DSMC）、试验粒子蒙特卡洛（TPMC）等粒子类仿真方法，在虚拟世界之中搭建起一座“数字风洞”。
这座“风洞”通过追踪记录数百万乃至上亿气体粒子的运动和碰撞轨迹，模拟在地面实验设备中极难复现的高速、中性、稀薄来流环境，表征气体分子和卫星碰撞带来的影响。
这座“数字风洞”并非孤立运行。它对接了基于长期观测太阳、地磁活动指数得到的高精度空间大气环境预报模型，融入气体-材料表面相互作用模型，准确描述气体分子和卫星壁面碰撞的过程，从而使研究人员可以系统性地探究卫星在这片未知领域中的气动特性。
通过对跨流域、多尺度稀薄流场的仿真模拟，研究人员可以明确不同材料、构型、布局方案下卫星所受气动阻力，进而开展适用于极低轨特殊流场的低阻构型设计和优化工作。
结合对卫星热特性和姿态动力学的仿真分析，未来还可以精确预示极低轨卫星全生命周期内面临的轨道环境和气动特性，及时预报可能遇到的各项风险，并给出解决方案。
仿真技术正在成为探索这片未知空间最可靠的“数字罗盘”。
图3：吸气式电推进飞行器示意图及几何可行域
图源中国科学院力学研究所官网
随着对该轨域流场环境的认知逐步加深，一种创新概念逐渐受到关注——“吸气式电推进（ABEP）”。
其基本思路是给卫星装上“嘴巴”，这是一种经过流场仿真分析和构型设计得到的特殊进气道。
加装该设备和配套系统的卫星不再是被动承受气动阻力，而是通过“嘴巴”主动吸入稀薄的气体分子，将其作为推进剂供给电推进系统，经过电离、加速、喷出产生推力。利用产生阻力的气体分子本身来抵消阻力，维持轨道。
这种“边飞边吃空气”的模式“变废为宝”，有望实现低代价长期驻留极低轨域。
在这场征服近地空间最后空白域的旅途中，仿真技术已不再是辅助性工具，而是开辟新航线的“引航员”。
从气动特性模拟到在轨环境预示，从创新概念提出到工程实际实现，仿真技术正在引领人类开启探索、开发、利用极低轨道的新纪元。
我国也将基于力星一号、乾坤一号、楚天一号等系列卫星的探索实践成果，凭借仿真技术这一“数字罗盘”，在极低轨域这片充满未知和机遇的蓝海中，精准地驶向未来。
李锦宽
中国空间技术研究院航天东方红卫星有限公司在读博士研究生
主要研究方向：极低轨飞行器设计
