一种复杂外形航天器投影面积计算的Monte Carlo方法

靳旭红，黄　飞，程晓丽，丁延卫，王　强

(1. 中国航天空气动力技术研究院， 北京 100074；2. 清华大学航天航空学院， 北京 100084; 3. 航天东方红卫星有限公司， 北京 100094)

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近年来，由于重力场和稳态海洋环流精确测量的需要，超低地球轨道(200～500 km)航天器逐渐展现出广阔的应用前景[1-3]，然而，实现重力梯度精确测量的先决条件是给低轨卫星提供一套无拖拽姿态控制系统 (Drag-Free and Altitude Control, DFAC)，该系统旨在采用一套离子发动机和磁力矩器来补偿大气阻力等非重力的影响，从而进行姿态和轨道控制[4]。DFAC正常工作的先决条件是低轨卫星气动力，尤其是气动阻力的快速计算。对于大多数低轨卫星外形，其气动阻力主要由当地大气密度、阻力系数和卫星沿运动方向的投影面积共同决定。当地大气密度一般由大气模型[5-8]给出，阻力系数的研究属于稀薄气体动力学自由分子流理论的范畴，前人已经进行过大量的研究[9-13]：对于简单外形的低轨卫星(卫星各部件之间无相互遮挡)，一般采用面元积分(Panel Integral, PI)法[14]或者射线跟踪面元积分 (Ray-Tracing Panel Integral, RTPI) 法[15]；更精确的阻力系数计算可以采用试验粒子Monte Carlo (Test Particle Monte Carlo, TPMC) 方法[16]，该方法能准确模拟复杂外形部件之间的相互遮挡和多次反射效应。因此，低轨航天器气动阻力预测需要解决计算其沿运动方向的投影面积 (Projected Cross-Sectional Area, PCSA)[17]的问题。

2010年5月21日，日本航天局设计的太阳帆探测器IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun) 由H-IIA运载火箭发射升空[18]。太阳帆探测器利用太阳光压力获取推动力，不需要携带大量推进剂，虽然太阳光压很小，但持续的加速可使轨道器达到一个可观的速度，最终可达到传统航天器5～10倍的速度。……