面向减阻与高效集气的超低轨道卫星进气道气动外形优化

谢蔓琪，王翦，薛有涛，陈伟芳，赵文文（浙江大学航空航天学院）

摘要：超低轨道卫星因其在对地观测分辨率和通信链路损耗方面的天然优势而备受关注, 但该区域随高度降低急剧增加的大气密度带来了严峻的气动阻力与原子氧剥蚀挑战, 严重制约了卫星的在轨寿命. 吸气式电推进系统通过原位利用大气分子作为工质, 理论上可实现卫星的超长寿命周期, 但其性能发挥高度依赖于进气道捕获效率与卫星气动减阻的协同设计. 针对高层稀薄流场中气动−进气一体化设计计算耗时大且多参数共同作用的问题, 本文通过引入基于集束搜索策略的改进自动核构造高斯过程回归方法, 利用小样本数据构建高精度代理模型的优势, 有效克服了对海量高保真仿真的依赖, 实现了复杂设计空间的快速迭代寻优. 首先建立包含抛物线型进气道、卫星主体及太阳帆板的参数化几何模型. 为克服直接模拟蒙特卡罗方法在稀薄流场计算中高昂的时间成本, 引入改进的自动核构造高斯过程回归代理模型构建方法, 利用集束搜索替代传统的贪婪搜索,通过多路径保留机制显著增强了对核空间的全局搜索能力, 实现了对气动性能高保真数据的精确拟合( R2 > 0.92).在此基础上, 结合非支配排序遗传算法开展多目标寻优, 系统探究了关键几何参数对气动阻力、进气收集效率及压缩比的综合影响机制, 揭示了进气道出口半径与流道长度的主导作用以及“短主体、长流道、大收缩比”的一体化设计准则. 研究结果表明, 优化后的构型综合性能显著提升: 在迎风阻力降低40.55% 的同时, 进气收集效率与气体压缩比分别提高了24.74% 和31.11%. 基于优化构型的长期在轨飞行可行性验证证实, 系统推阻比由初始的0.98 提升至1.69, 成功突破了推阻平衡临界点. 轨道动力学分析进一步验证了该构型不仅支持176 km高度圆轨道的稳定运行, 还具备在近地点低至146 km 椭圆轨道执行任务的能力, 为长寿命超低轨卫星的总体设计提供了可复现的工程设计流程.

关键词：超低轨道，吸气式电推进，气动-进气一体化优化，高斯过程回归，直接模拟蒙特卡罗方法