exomars痕量气体轨道飞行器在火星上的空气制动可视化。**esa/atg medialab
当航天器返回地球时，它们不需要通过发射复古火箭来降低所有速度。取而代之的是，他们利用大气作为刹车来减速软着陆。除水星外，太阳系中的每颗行星都有足够的大气层进行空气制动机动，并且可以进行高速探索任务。一篇新**着眼于不同的世界，以及航天器必须如何飞行才能利用这种“免费午餐”在目的地减速。
aerocapture是一种轨道转移机动，其中航天器单次穿过行星大气层以减速并实现轨道插入。另一方面，空气制动使用推进燃烧加上反复下降到大气中（即大气阻力）来逐渐减慢航天器的速度并减小轨道尺寸以实现轨道插入。
普渡大学航空航天学院的athul pradeepkumar girija在arxiv预印本服务器上发表的新**指出，与航空捕获相关的重大风险之一是大气密度的不确定性。空气制动发生在密度不确定性大得多的行星体脆弱的高层大气中，而空气捕获发生在密度不确定性较小的更深大气中。
例如，火星勘测轨道飞行器mro在2023年为其轨道插入进行空气制动时实际经历的大气密度与美国宇航局（nasa）的火星模型gram（全球参考大气模型）**的有很大不同。
在大气中的某些地方，我们看到大气密度相差1.3倍，这意味着它比模型高出30%，”mro导航团队负责人han you在2023年发表在《今日宇宙》上的一篇文章中说。“这是相当多的，但在南极附近，我们看到了一个更大的比例因子，高达4.5，所以这意味着它比火星gram模型低了350%。
无论是空气制动还是空气捕获，火星和其他行星上的大气密度每天都会有很大的变化，甚至在轨道之间也会有很大变化。
如果飞行器进入太浅或遇到密度低于预期最小值的大气层，航天器可能会在不**获的情况下离开大气层，”girija在他的新**中写道。“如果车辆进入太陡峭，或者密度远高于预期，车辆可能会流血速度过快而无法离开大气层。
这两种情况都将导致任务的完全丧失。因此，除了输送误差和空气动力学不确定性外，还必须为制导系统提供足够的余量来应对这些大气不确定性。
为了进行航空捕获，有两种空气动力学控制方法来控制飞行器在大气层中飞行时的能量消耗率：升力调制和阻力调制。
升力调制涉及'升力'气壳，如阿波罗或火星科学实验室气壳，其升阻比（l/d）在0.24-0.36范围内，”girija在给《今日宇宙》的一封电子邮件中解释道。“控制是通过'倾斜'飞行器飞入更密集的大气层或更高的大气层来实现的。这种控制方法需要使用高速反应控制推进器，并且经常用于地球和火星，并且在阿波罗和msl（火星科学实验室）任务中具有广泛的传统。
升力调制通过大气飞行提供连续控制，而反应控制引导则试图达到所需的“退出状态条件”。
航空捕获车辆入口走廊示意图。**athul pradeepkumar girija
另一方面，阻力调制是一种更简单的控制技术，其中通过使用可展开设备对阻力区域进行连续或离散（偶尔）调制来实现控制。
阻力调制车辆的l/d = 0，即没有提升能力，”girija说。“最常见的变体是'离散事件调制'，即在飞行过程中抛弃部署的拖曳裙，抛弃时间是唯一的控制变量。
girija解释说，通过在正确的时间抛弃拖曳裙，可以将相当接近的退出状态条件定位到理想的状态。
阻力调制已被提议作为升力调制的'更便宜'的替代方案，”girija说，“通过避免使用rcs推进器，对小型任务特别有吸引力。阻力调制没有飞行传统，尽管一些基本技术已经在飞行实验中得到证明，例如自适应可部署进入和放置技术（adept），该技术于2023年9月成功试飞。
另一件需要考虑的事情是进入走廊，这是航天器进入以到达所需目的地的大气区域。理论走廊宽度 （tcw） 量化了走廊的宽度，并且必须足够大以容纳安全着陆，考虑到大气的不确定性，并且即使在受限的情况下，例如浅层进入和稀薄大气的组合，也为任务成功提供足够的安全裕度。
girija说，作为一般的经验法则，升力调制提供的入口走廊宽度几乎是阻力调制的两倍，因此可以适应更大的大气不确定性。主要区别在于，虽然阻力调制提供的控制较少，但对于小型任务（低于5000万美元）来说，它更实惠，而举起气壳通常要花费数亿美元。
girija说，尽管金星、火星和土卫六的大气层在工程方面得到了很好的表征，但标准密度变化可能高达50%，正负。由于没有原位数据，天王星和海王星的大气层没有得到很好的表征，但它们的gram模型提供了正负30%的标准差变化。了解密度分布中预期的不确定性对于评估其对未来任务构成的风险非常重要。
girija说，gram模型使用可用的原位和遥感测量，并提供了“行星大气的工程模型”。“对于火星和金星等行星，有大量的数据（包括原位和遥感），这些模型被认为对于初步工程设计非常可靠。对于天王星和海王星，没有可用的原位数据，这些模型完全基于旅行者号飞越期间的遥感观测。
但是，我们太阳系中行星大气层的物理结构和化学成分存在很大的差异，从“炽热厚的金星co2大气层到天王星和海王星的寒冷冰冷的h2-he大气层，“girija写道，并补充说，这些大气中的惰性气体丰度和同位素比率等测量不仅对任何空气制动操作至关重要，而且对于我们对太阳系起源、形成和演化的理解也至关重要。
对于金星厚厚的大气层，利用其大气层进行航空捕获已被证明是可行的，使用升力和阻力调制。然而，金星的大升温速率使得升力调制不那么理想。girija说，具有较低加热速率的阻力调制特别适合小型卫星轨道插入。
mars-gram的密度分布（左）和与标称值的偏差百分比（右）。*athul pradeepkumar girija。
与地球相比，火星的大气层相对较薄，但一些任务已经成功地将航空捕获用于轨道插入和着陆。由于火星任务众多，火星大气层已广为人知，但与金星相比，火星大气层也具有相对较大的季节性变化，以及相关的不确定性，特别是在较薄的高层大气中。
然而，与金星相比，低重力和扩展的大气层在火星上提供了更大的tcw（2倍），girija说，更大的大气不确定性可以很容易地适应。火星的“甜蜜点”减速是海拔50-80公里之间的大气带，其中大部分减速发生在火星的航空捕获中。对于任何前往这颗红色星球的任务，进入提案需要有足够的余量来应对两种限制情况：浅层进入和稀薄的大气层，以及厚层和陡峭的进入。
土星最大的卫星泰坦是我们太阳系中唯一有大气层的卫星。土卫六拥有表面液体和类似地球的地形，是一个诱人的世界，可以在未来的任务中进行研究。girija说，土卫六的低重力和厚厚的大气层使其成为航空捕获的理想目的地，这些条件提供了我们太阳系中任何目的地中最大的走廊宽度。由于其体积小，因此使用传统推进器插入轨道飞行器特别困难，因此航空捕获是未来任务的一个有前途的替代方案，这些任务可能会对土卫六表面及其湖泊和海洋进行全球测绘。我们确实有来自惠更斯着陆器的原位数据，所以girija说土卫六的密度分布受到相当好的约束，只有少数例外。
密度分布的不确定性随着海拔高度的增加而增加，在地表以上100公里附近达到最大约40%，然后降低，”girija写道。“目前尚不清楚这是模型中使用的假设的产物，还是真正的效果。
300-450公里的高度带是土卫六航空捕获的大部分减速发生的地方，密度变化约为30%，与金星相当。girija说，尽管金星和土卫六的大气层在温度（737k与94k）和化学成分（co2与n2相比，它们有几个物理上的相似之处，例如都是相对较厚的超旋转大气层，行星体旋转缓慢，对流层下部有明显的温室变暖。
冰巨行星天王星和海王星是最后一类尚未使用轨道航天器探索的行星。尽管天王星与地球的距离带来了重大的任务设计挑战，但 2023-2032 年行星科学十年调查已将天王星轨道飞行器和探测器确定为未来十年旗舰任务的首要任务。
虽然天王星和海王星在科学上同样引人注目，但girija说，从任务设计的角度来看，天王星对推进插入的要求较低。“aerocapture已被证明可以大大增强冰巨人任务的使能技术，”他写道。“有了航空捕获，天王星和海王星都可以平等地进入。最近的研究表明，与推进插入相比，航空捕获可以大大缩短到天王星的飞行时间，特别是对于新的高能运载火箭。
对于天王星和海王星来说，gram套件为“相关的高度范围”提供了大约30%的密度变化，这被认为是一个乐观的估计，“girija写道。“在获得大气探测器的原位数据之前，建议采用更保守的全球最小 - 最大估计，以适应最坏的情况。
200-400公里的高度范围是航空捕获最有效的区域，girija说，30%的预期密度变化“必须被视为'乐观'估计，直到获得现场数据。实际的不确定性可能要高得多。
girija写了另一篇**，也发表在arxiv预印本服务器上，比较了冰巨人任务的升力和阻力调制。
girija说，总体而言，航空捕获任务设计“必须考虑预期的大气不确定性，以确保制导方案能够成功地将飞行器引导到大气层或着陆所需的位置。任务设计中最重要的部分之一是选择目标进入飞行路径角度。
更多信息：athul pradeepkumar girija，行星大气不确定性和航空捕获任务设计规则的比较研究，arxiv（2023 年）。doi： 10.48550/arxiv.2310.10067
探索太空旅行 2023年进入太空将变得多么简单？
夜幕降临，星空中的点点光辉描绘出太空的神秘画卷。在这片辽阔的宇宙中，商业航天如同一艘承载梦想的太空船，引领着我们踏入一个崭新的太空旅行时代。商业航天的崛起如同火箭般迅猛，它不再遥不可及，而是通过商业化运作，推动国家战略的实施，展现出前所未有的力量。年，中国商业航天迎来了一个爆发时刻。各类卫星互联网技...
太空探索的意义
自人类进入太空时代以来，太空探索已经成为了科技发展的重要里程碑。从地球出发，穿越宇宙的神秘面纱，人们对于太空的探索从未停止。太空探索不仅拓展了人类对于宇宙的认识，更在技术 科学和社会领域产生了深远的影响。首先，从技术角度来看，太空探索极大地推动了人类科技的发展。为了实现太空任务，人们不断研发和改进各...
地球已被太空垃圾包裹，未来太空探索或受影响，该如何解决？
地球有亿年的生命演化史，生物的诞生 发展 灭绝一直在不断循环。在过去的 亿年里，地球上经历了多次物种灭绝事件，但仍然有数百万个物种存在。与其他物种不同的是，人类作为一种拥有智慧文明的生物，站在了食物链的顶端。然而，人类的发展也带来了对地球环境和生态系统的巨大影响。例如，全球气温的上升导致了温室效应的...