大气制动

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火星侦查轨道器大气制动想像图

大气制动,或称空气制动,是指一种透过将太空船的最低点(近拱点)降低到星球的大气层之内,透过空气阻力来减速,以降低轨道最高点(远拱点)的航天操作。大气制动通常用于进入一个拥有大气层的天体之低轨道的任务之中,由于通常太空船抵达一天体时,与天体的相对速度非常快,因此使用大气制动相对于直接使用火箭发动机,所需的燃料更少。

方法

大气制动过程轨道变化示意图

当一行星际飞船抵达它的目的地,它必须改变它的速度,以留在该天体的重力作用范围之内。欲抵达一个有一定大小重力场的天体之低正圆轨道(大多数科学研究需要满足此条件),所需的ΔV可达数千m/s。根据火箭方程,能达到此条件的探测器的大部分重量必须为燃料。这就代表探测器只能装载较少的科学仪器,并且得使用非常大且昂贵的发射器来发射。因此当目标天体拥有大气层时,便可使用大气制动来减少能量的需求。探测器只需要一相对较小的燃烧便可使其从双曲线轨道进入狭长的椭圆轨道,接着大气制动便用于将轨道调整为正圆轨道。若该行星的大气浓度足够,便只需进入大气层一次便可将太空船减慢到目标速度。然而,典型的大气制动通常会进入大气层多次,只进入大气层较高,空气也较稀薄的高度,以减少飞行器挤压气体时所产生的热能。而因为不可预测的紊流、大气组成,及温度变化等因素,也使精准预测制动过程中的速率变得几乎不可能,因此若采用多次减速,太空船便有足够时间供地面人员计算轨道以及速率的改变,并在离开大气层后做出必要的修正。使用此方法达到最终目标轨道需要很长的时间,并且可能需要进入该行星或卫星的大气层数百次。在最后一次大气制动过后,太空船必须以火箭引擎给予其足够的动能以将其轨道的远拱点抬升至大气层之上,以完成轨道转移的过程。[1]

太空船在大气制动的过程中散失的动能透过摩擦力转变成热能,意味着使用此方法的太空船也必须有能力发散掉这些热能。太空船也必须具备充足的表面面积以及结构强度,以产生足够的阻力,并在剧烈的减速中保持完整,而大气制动产生的高温与气压则并不如再入过程中所产生的那么剧烈。

例子

火星侦查轨道器的模拟中,产生了最高0.35 N/m²的压力,其受阻力影响的面积约37平方米,因此所受到的最大阻力为7.4 N,其达到的最大温度仅为170 °C[2] ,而再入过程中产生的热能可达千度以上。火星观察者号在大气制动时所承受的压力更低,仅有0.2 N/m²[3] ,约等于在地球海平面上以0.6 m/s(2.16 km/h)的速度所产生的压力,此速度相当于人缓慢行走的速度。[4]

类似操作

大气捕捉是一个近似的操作,但方法更加极端,不同于大气制动,大气捕捉不进行轨道射入变轨操作,取而代之的是,大气捕捉将太空船进入大气层浓度更高的区域,使太空船直接由双曲线轨道进入椭圆轨道,并将远拱点降到目标轨道高度附近。接着太空船便进行数次轨道调整,将近拱点提高至目标高度,并微调轨道。[5] 这项技术原先计划用于火星奥德赛号轨道器上,[6] 但却因成本太高而被迫放弃。

另一个相关的操作是大气重力助推,太空船飞越行星的上层大气,并在其中利用升力来加速,而非阻力。若方向正确,这项技术可以较一般的重力助推有更大的角度旋转,并在其中取得更大的ΔV值。[7]

相关任务

2001年火星奥德赛号任务概况,其中画出了大气制动的使用。

虽然大气制动的理论发展已相当完全,但由于利用这项技术需要对目标星球的大气层有非常完善的了解,因此要正确并精准的预测并实施这个操作仍非常困难。目前,每一次大气制动减速的过程都必须被监控,并因应情况进行变轨操作。 由于没有飞行器可以不倚赖其他辅助而进行空气制动,因此大气制动需要操作员以及深空网络才能进行。由于每次进入大气层之间的时间间隔变得相对较短(在火星约只有2小时),这在整个程序的最终阶段尤其重要。NASA曾在四场任务中使用大气制动来变更轨道,并降低远拱点高度。[8]

1991年三月十九日,飞天号进行了空气制动,成为了第一个使用空气制动的深空无人飞行器[9]飞天号(也被称为 MUSES-A)是由日本的宇宙科学研究所(ISAS,为JAXA的前身)所发射[10],在当天从太平洋上空125.5公里以11.0 km/s的速度飞过,空气阻力减低其速度1.712 m/s,并降低远拱点8665公里。[11] 三月三十日,该探测器又进行了另一次空气制动变轨。

1993年五月,空气制动于金星麦哲伦号金星探测器所使用, 用以将轨道转为正圆,以便提高测量金星重力场的精准度。在243天的任务周期内,透过深空网络观察其轨道及速度的变化,计算并建立金星的引力场资料。在任务的最终阶段,它进行了“风车实验”,亦即将其装配的太阳能板转成似风车的形状,测量上层大气对其造成的扭力,以及达到平衡所需的推力,以供未来任务做参考。任务完成后,探测器即坠毁于金星地表。[12]

1997年,火星全球探勘者号(MGS)成为首个将空气制动列为计划中主要调整轨道方法的太空船。MGS使用了麦哲伦号在金星任务中所取得的资料来计划其空气制动操作,使用其所装配的太阳能板当作“翅膀”,控制MGS飞越火星稀薄的上层大气,并在长达数个月的操作流程中降低其轨道的远拱点。不幸的是,在发射后不久,发生了一个结构损坏,严重损伤了MGS预计用来进行空气制动的太阳能板,以至于它必须在比原先计划页面存档备份,存于互联网档案馆)更高的高度进行空气制动,显著的延长了进入预期轨道的时间。 2001年,火星奥德赛号以及火星侦查轨道器也使用了空气制动,过程中均没有意外。

2014年,ESA的无人探测器金星特快车在任务最终阶段成功施行了一项空气制动实验。[13][14]

2017~2018年,ESA的火星微量气体任务卫星在火星施行了空气制动来降低轨道得远拱点,成为欧洲太空任务中第一个完整的空气制动操作。 [15]

空气动力制动

一台F-22降落在埃尔门多夫空军基地,展示出空气动力制动。
航天飞机降落时使用空气动力制动。

空气动力制动是一种在降落飞行器时,用以减缓速度并辅助轮子的刹车系统的操作。这种操作通常用在较短的跑道,或当地面情况为湿滑或者结冰的状况。空气动力制动通常在飞行器的后轮一接触地面时即被实施,并在前轮着地时结束。同时,飞行员会利用升降舵将机首抬高,借此增加飞船接触气流的面积,以便产生更多阻力,以减低速度。升降舵的同时也造成气流对飞行器的后轮施加压力,帮助轮子的刹车产生更大的摩擦力,制止打滑。飞行员此时通常会继续保持升降舵的角度,即使其已无法继续保持机首上扬,以继续对后轮施加压力。

空气动力制动是一个降落时常见的刹车技术,也能帮助保护起落架的刹车系统与轮子,减少过度磨损,或减低打滑并失去控制的几率。I此方法常用于私人飞机、商业用机、战斗机、以及航天飞机的降落。[16][17][18]

相关条目 

参考资料 

延伸阅读