极低轨道（100-250公里）空域作为新兴战略空间，在国防安全、经济建设与科学探索中具有重要战略价值。极低轨飞行器兼具发射成本低、观测分辨率高、通信时延短等显著优势；但其特殊的大气环境特性，如时空涨落明显、原子氧影响显著等，对飞行器的构型、动力、能源等方面提出了严苛的要求，因此吸气式电推进飞行器构型设计需要平衡取舍、系统寻优。研究团队开展了吸气式电推进飞行器的构型设计工作，相关成果以“Structural and Configurational Optimization of Spacecrafts in Very Low Earth Orbit using Atmosphere-Breathing Electric Propulsion”为题发表在《Acta Astronautica》期刊上。

研究团队建立了“工质-能量”双平衡优化理论模型，通过引入能量工质无量纲化积R_PR_m作为关键优化指标，提出了适用于强耦合多参数系统的极低轨飞行器优化设计方法。研究厘清了飞行器设计的核心影响因素，并根据当前各组件性能参数确定了172公里（对应大气密度6.58×10^-10 kg/m³）的最低可行高度，为工程实践提供了重要参考。进一步，研究团队通过系统优化获得了满足约束条件的飞行器几何可行域及最优解，优化后的构型设计提升了飞行能力，有效拓宽了飞行器的空间适用范围。本项研究构建的优化设计方法体系，为吸气式电推进飞行器的一体化设计提供了理论支撑与技术路径，对推动极低轨道常态化应用具有重要工程价值。

力学所研究生李晓琪为论文第一作者，耿金越高级工程师和黄河激研究员为共同通讯作者。研究工作得到中国科学院先导A专项（XDA0470200）和国家自然科学基金（12275019）的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2025.03.041

图 吸气式电推进飞行器示意图及几何可行域