用行星大氣“剎車”：大氣制動(dòng)如何改寫深空探測(cè)的軌道方案 | 深度報(bào)道

原文發(fā)表于 《科技導(dǎo)報(bào)》2026年第3期科技新聞-深度報(bào)道

用行星大氣“剎車”：大氣制動(dòng)如何改寫深空探測(cè)的軌道方案

在深空探測(cè)任務(wù)中，航天器從行星際轉(zhuǎn)移軌道進(jìn)入環(huán)繞軌道，往往需要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)火減速。推進(jìn)劑質(zhì)量不僅直接決定了運(yùn)載火箭的發(fā)射能力需求，也制約著航天器可搭載的科學(xué)載荷規(guī)模。如何在不顯著增加航天器質(zhì)量的前提下完成大尺度軌道調(diào)整，是行星探測(cè)工程長(zhǎng)期面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

大氣制動(dòng)（Aerobraking）為這一問(wèn)題提供了一條不同于傳統(tǒng)推進(jìn)制動(dòng)的技術(shù)路徑。該技術(shù)利用行星稀薄大氣在航天器近行星點(diǎn)飛行時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力，將航天器的軌道動(dòng)能逐步轉(zhuǎn)化為熱能并耗散，從而在多次繞飛過(guò)程中持續(xù)降低軌道遠(yuǎn)心點(diǎn)高度。相比完全依賴推進(jìn)系統(tǒng)的減速方式，該技術(shù)可提供超過(guò)1000 m/s的減速量，而過(guò)程中所需推進(jìn)劑等效的速度增量?jī)H為幾十m/s，這使其在軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化和任務(wù)成本控制方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。大氣制動(dòng)過(guò)程如下圖所示。目前該技術(shù)已在金星和火星的多項(xiàng)遙感探測(cè)任務(wù)中得到實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了其工程可行性。

圖 大氣制動(dòng)過(guò)程

圖片來(lái)源：

Advances in Space Research

1 在大氣邊緣“走鋼絲”

典型的大氣制動(dòng)過(guò)程可分為初始步入階段、穩(wěn)定減速階段和步出階段。航天器在每一圈軌道的近心點(diǎn)附近短暫進(jìn)入大氣層，在可控的氣動(dòng)力和熱載荷條件下完成少量減速，隨后回到遠(yuǎn)離大氣的軌道高度。這一過(guò)程往往需要持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月，通過(guò)多圈累積效應(yīng)實(shí)現(xiàn)軌道能量的大幅削減。

為確保航天器安全運(yùn)行，工程上引入了“大氣制動(dòng)走廊”的概念。這里的“走廊”是指航天器近心點(diǎn)高度必須控制在一個(gè)有限區(qū)間內(nèi)：進(jìn)入過(guò)深，氣動(dòng)力和熱流可能超過(guò)結(jié)構(gòu)與防熱系統(tǒng)的承受能力；進(jìn)入過(guò)淺，則減速效果不足，導(dǎo)致制動(dòng)周期顯著延長(zhǎng)。如何在不確定的大氣環(huán)境中始終將航天器保持在這一安全走廊內(nèi)，是大氣制動(dòng)任務(wù)的核心控制問(wèn)題。

2 不確定性帶來(lái)的工程挑戰(zhàn)

2025年12月，日本東京大學(xué)的Maximilien Berthet在

Acta Astronautica

以火星任務(wù)為例，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室David A. Spencer等提出大氣制動(dòng)的主要風(fēng)險(xiǎn)體現(xiàn)在不同軌道圈次之間的大氣密度變化幅度可超過(guò)100%，現(xiàn)有大氣模型（如MarsGRAM）在局部、短期預(yù)測(cè)方面仍存在明顯誤差。這意味著航天器在連續(xù)2次進(jìn)入火星大氣時(shí)，可能遭遇強(qiáng)度差異巨大的氣動(dòng)環(huán)境。與此同時(shí)，太陽(yáng)翼等結(jié)構(gòu)部件在大氣制動(dòng)中既是產(chǎn)生阻力的關(guān)鍵部件，也是最為脆弱的受力與受熱單元，其安全裕度直接關(guān)系任務(wù)成敗。

在大氣制動(dòng)后期，隨著軌道逐漸收縮，軌道周期明顯縮短，航天器姿態(tài)調(diào)整頻繁，對(duì)地通信窗口經(jīng)常性中斷，地面團(tuán)隊(duì)難以及時(shí)評(píng)估減速效果并上傳控制指令，操作壓力顯著增加。

歐空局飛控任務(wù)專家Gabriele Bellei在第18屆澳大利亞國(guó)際航空航天大會(huì)指出，歐洲火星痕量氣體軌道器（ExoMars TGO）的在軌實(shí)踐表明，為應(yīng)對(duì)火星大氣的高度不確定性，任務(wù)設(shè)計(jì)中不得不引入高達(dá)150%的安全余量，并依賴高精度加速度計(jì)持續(xù)修正大氣模型和制動(dòng)走廊參數(shù)。此外，還提出在大氣制動(dòng)過(guò)程中，航天器應(yīng)具有高姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力、低彈道系數(shù)（指航天器質(zhì)量/阻力面積。數(shù)值越小，大氣阻力減速能力越強(qiáng)，熱流越小）以及防熱能力。其中快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)可以增加穿越大氣前后定軌和測(cè)控的時(shí)間，這對(duì)于大氣制動(dòng)末期的短周期軌道尤其重要。低彈道系數(shù)和防熱能力則可增加每次穿越大氣的速度增量，縮短大氣制動(dòng)操作總時(shí)間，減少人力和操作風(fēng)險(xiǎn)。

3 走向“自主控制”與“高效能構(gòu)型”

針對(duì)上述問(wèn)題，研究人員正在探索多種技術(shù)路徑以提升大氣制動(dòng)的效率與安全性。

在控制策略方面，為應(yīng)對(duì)大氣密度不確定性，伊利諾伊大學(xué)Giusy Falcone等在

Journal of Guidance, Control and Dynamics

Advances in Space Research

Journal of Spacecraft and Rockets

在航天器構(gòu)型層面，小衛(wèi)星與空間帆的結(jié)合被視為一條具有潛力的發(fā)展方向。質(zhì)量小、彈道系數(shù)低、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的航天器，更有利于獲得較大的氣動(dòng)減速效果，同時(shí)具備更高的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力，已開始在近地軌道任務(wù)結(jié)束后的離軌和太空碎片清除任務(wù)中進(jìn)行驗(yàn)證。相關(guān)結(jié)果表明，配置空間帆的小型航天器可在更高的近心點(diǎn)高度完成有效減速，并顯著縮短制動(dòng)周期。但仍需解決步入與步出階段的速度增量獲取，以及太陽(yáng)光壓干擾下的姿態(tài)控制問(wèn)題。由于小衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)規(guī)模有限，需要研究借助軌道攝動(dòng)的方法。

4 面向未來(lái)的深空任務(wù)

目前，大氣制動(dòng)技術(shù)主要針對(duì)地球、金星和火星環(huán)繞任務(wù)中開展工程應(yīng)用，未來(lái)還可以推廣至火星取樣返回，以及木星、土星、天王星、海王星等其它具備大氣層的天體探測(cè)任務(wù)。

中國(guó)已經(jīng)規(guī)劃了天問(wèn)三號(hào)火星取樣返回任務(wù)，北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部孫澤洲在《深空探測(cè)學(xué)報(bào)》指出，大氣制動(dòng)技術(shù)可用于軌返組合體從大橢圓軌道進(jìn)入用于中繼和交會(huì)的低高度近圓軌道，以解決現(xiàn)有運(yùn)載能力不足的問(wèn)題；其技術(shù)相對(duì)成熟，重點(diǎn)針對(duì)減速時(shí)間、氣動(dòng)力/熱約束，定期開展近火點(diǎn)高度預(yù)計(jì)及軌道控制，對(duì)太陽(yáng)翼及航天器本體進(jìn)行必要的熱防護(hù)。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)院發(fā)布的2023—2032年行星科學(xué)任務(wù)規(guī)劃、歐空局發(fā)布的空間科學(xué)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃均提出了天王星和海王星等冰巨星及土衛(wèi)六探測(cè)計(jì)劃；我國(guó)也發(fā)布了國(guó)家空間科學(xué)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年），將論證實(shí)施木星系統(tǒng)觀測(cè)、巨行星系統(tǒng)探測(cè)等任務(wù)。如在這些天體實(shí)施大氣制動(dòng)，面臨的器地通信時(shí)延更大、大氣模型認(rèn)知更為有限，需要極強(qiáng)的自主執(zhí)行能力以提高任務(wù)安全性與執(zhí)行效率。

總體來(lái)看，大氣制動(dòng)通過(guò)充分利用行星大氣這一“環(huán)境資源”，以極少的推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)大規(guī)模軌道調(diào)整，為降低航天器規(guī)模和任務(wù)成本、突破運(yùn)載能力瓶頸提供了新的技術(shù)路徑。隨著行星大氣觀測(cè)能力的提升、自主控制技術(shù)的發(fā)展以及小型航天器與空間帆的應(yīng)用深化，這一技術(shù)有望在未來(lái)深空探測(cè)工程中發(fā)揮更加重要的作用。

文 /董捷，張海洋

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