什么是“力星一号”

2016年8月16日1点40分，“力星一号” 搭载“墨子号”科学实验卫星的运载火箭，在酒泉卫星发射中心成功升空。它是由中国科学院力学研究所提出科学目标、并与中国科学院微小卫星创新研究院（筹）联合研制的一颗稀薄大气科学实验卫星。

墨子号发射

“力星一号”的使命

任务使命

挑战人造地球卫星轨道飞行高度的低限，实现距地面100-150千米高程处过渡流区的全球首飞。

“力星一号”顺利发射并完成其任务使命，在高度为100-150千米的空域中，绕地球飞行了36圈，特别是最低飞行轨道达到了109千米，成为迄今为止运行轨道高度最低的人造地球卫星。

目前国际上已发射的低轨卫星运行高度多在300千米以上，一般认为临界值为150千米。因而我们可以说，“力星一号”在世界上首次开辟了一个新的飞行空域。

科学使命

开展稀薄大气环境科学探测，利用星载探测器来获取稀薄大气环境特性，从而发展精确的大气模型。

对于人类的空间探测活动而言，高程为100-150千米的“过渡流区”，仍是一个未知的区域，从未有航天器在这里长期飞行过；同时，由于搭载发射，它需要经历四个阶段的变轨才能进入预定轨道，并完成数据的采集与下传。因此，“力星一号”开创了我国空间科学探索的新征程。

众所周知，在地球引力作用下，大量气体聚集在地球周围，形成厚度达数千千米的大气层，由于引力逐渐减小，大气密度随高度的增加呈指数下降。换言之，高度愈高，大气愈稀薄。此外，气体分子总是处于不停的运动状态中，每个分子都在不断地和其它分子发生碰撞。显然，大气越稀薄，分子间发生碰撞的机会就越少。

人们也可以用大气分子的平均自由程λ（即一个分子在两次碰撞间走过距离的平均值）来表征大气的稀薄程度：分子平均自由程λ越大，大气越稀薄。为了分析在稀薄大气中飞行器的性能，流体力学家定义了一个无量纲参数（克努曾数）Kn=λ/L。这里，L为飞行器的特征尺度，一般飞行器的特征尺度可设定为1米量级。根据Kn的数值大小，空间环境可以划分为三个流区：

1. 连续介质流区            Kn < 0.01
2. 过渡流区               0.01 < Kn < 100
3. 自由分子流区            Kn > 100

显然，当飞机在低层稠密大气中飞行时，满足Kn<0.01的条件，可以运用常规的气体动力学来确定飞行器的气动力和气动热；当飞行器在高度100-150千米的区域飞行时，λ的数量级为0.1 - 10米，满足条件0.01<Kn<100，属于过渡流区，其受力、受热情况不能采用常规的气体动力学来分析，必须借助于分子动力学的方法。这时，人们必须充分掌握大气环境参数，才能保证飞行器长时间飞行时动力学性能分析的准确性。

“力星一号”的现实意义

大气数据的采集手段

对于大气环境，人们曾采用不同的手段来获取不同范围内的数据，包括飞机、浮空器、地基雷达、探空火箭和星载探测器等。

0-20千米

由于飞行高度的限制，飞机只适用20千米以下的低层大气的探测。

20-50千米

近年来开始研制的临近空间浮空器（如高空气球、平流层飞艇等）可望长期驻空运行，但目前只能工作在20-50千米的空域。

平流层飞艇

50-100千米

地基雷达通过从地面发射的激光或无线电波束可以探测到80千米高程，但是环境噪声对回波信号有干扰而且必须借助复杂的反演程式才能给出大气环境参数。

地基激光雷达

100千米附近

携带探测器的探空火箭可以飞达100千米，但它只能获取短时间局部区域的大气垂直剖面数据。

探空火箭

300千米

常规的科学探测卫星绕地飞行，可以获取全球数据，但它们轨道高度一般都在300千米以上。

100-300千米的空白

由此可见，100-300千米之间并没有特别的采集手段。这就是“力星一号”的现实意义。

后记

作为一种全新的手段，“力星一号”在力学所科研人员与中科院兄弟单位的协同努力下，突破了一系列关键技术，实现了过渡流区22马赫的超高速长时间飞行，获取了该流区全球范围稀薄大气环境的原位测量数据，成功铸就了我国空间科学探索新的里程碑。

未来“力星一号”还有很长的路要走，当轨道低至100-150千米时大气阻力会增加数万倍，要维持卫星运行必须消耗大量的推进剂，长时间飞行将是长期的挑战。

飞行中的“力星一号”