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深空探测中的“借力飞行” 比《火星救援》炫酷得多

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发表时间:2018-02-24 13:51作者:admin来源:美联高中留学网址:www.uess.cn

  天体物理学家里奇·珀内尔(Rich Purnell),在没日没夜演算后的巨大疲惫之中,看到了超级计算机给出的验证结果——“正确”。

  他一跃而起,蓬头垢面,赶往美国国家航天局,在那里有一票人正在为营救滞留火星的宇航员马克而焦头烂额,珀内尔报告了他的设想——让本应从火星返回地球的赫尔墨斯号飞船掠过地球,借助引力弹弓效应,重回火星,营救马克。

  这是目前正在国内热映的科幻片《火星救援》中的情节。珀内尔把赫尔墨斯号“打发”回火星,这一剑走偏锋的救援方案,可谓救回马克的关键一环。

  尽管赫尔墨斯号变轨后的运动轨迹图看起来确实“像那么回事儿”,但和一些航天史上经典的探测器变轨案例比起来,还是“弱爆了”。《火星救援》中的这个桥段,有点儿“小儿科”。

  引力变轨,拼的就是性价比

  引力可以对航天器起到加速、减速和改变方向等多种作用,而且是免费的

  航天专家、《国际太空》杂志执行主编庞之浩告诉科技日报记者,在太阳系行星际探测中,已广泛采用了引力弹弓,或者说引力跳板的原理和方法。

  引力能从两个方面使探测器飞行轨道发生变化:一是根据探测天体的质量、探测器的飞越高度和相对速度,使其轨道发生一定程度的偏转;二是根据探测器的飞入角大小改变其速度。“因此,为了准确地利用引力飞行,应当事先确定探测器的飞入高度和飞入角度,并随时注意其速度的微小变化。” 庞之浩说。

  所谓引力弹弓效应,在中国空间技术研究院502所高级主任研究师黄翔宇看来,其实有个更朴实的名字——“引力辅助变轨”。

  “引力可以对航天器起到加速、减速和改变方向等多种作用。”黄翔宇在接受科技日报采访时表示,引力辅助,就是利用航天器近飞二级天体时受到的引力作用,改变航天器环绕中心天体的轨道能量和飞行方向。在《火星救援》中,当赫尔墨斯号飞掠地球时,如果距离足够近,它就受到地球引力(此时相对于太阳,地球就是二级天体)影响,进入一个双曲线型近飞轨道;如果飞入角度控制得当,离开这一轨道时,由于地球引力的“给力”,赫尔墨斯号在日心参照系下的速度值就能增大。

  简单来说,这就相当于被地球引力推了一把;而且这个推手,可是免费的!于是,赫尔墨斯号能在不耗费燃料的情况下实现变轨,往更深更远的地方飞去。

  用更少的燃料,走更有意思的路

  燃料这东西,飞出去了就很难补给,最好能省着用;如果有扩展任务,燃料在手,心中不慌

  不过,为啥要这么“抠门”使用引力助推呢?就不能以不差钱的豪爽,潇洒地直奔目的地吗?

  其实也可以。比如2003年6月10日,美国发射“勇气号”火星探测器,成功逃逸地球后进入日心转移轨道,并于2004年1月3日到达火星。这种“直接转移”法耗费时间短,操作也简单。

  不过,迂回的“借力转移”法也有其特殊优点。借力飞行轨道能够降低发射能量。毕竟,航天器携带的燃料越多,对发射火箭的要求就越高,成本也随之上扬;而且,燃料这东西,航天器飞出去了就很难补给,前路漫漫,最好能省着点用;再说了,如果有什么扩展任务,燃料在手,心中不慌啊。

  除了节省燃料,庞之浩告诉科技日报记者,在某些情况下,引力助推还能缩短星际航行时间。他举例说,如果探测器选择最经济的双切椭圆轨道飞行,从地球飞向土星需要6年,飞向天王星需要16年,飞抵海王星需要31年,而假如借助木星作为引力跳板,飞抵土星只需3到4年,飞到天王星只需8到9年,飞近海王星也只需12年。

  还有的探测器借助“引力”进入到了非常特殊的轨道。美国发射的旅行者1号和2号探测器,就“颇有心机”地利用1982年“九星联珠”的机会,先后借助木星、土星、天王星的引力作“跳板”,从木星跳到土星,又从土星跳到天王星,继而又跳到海王星,成为探测太阳系行星最多、探测成果最丰富的行星际探测器。1990年10月6日由发现号航天飞机携带升空发射的尤利西斯号太阳探测器,在飞近木星之后,借助木星的引力作用,偏转90°而跳入垂直于黄道面的太阳极区,对从未接触过的太阳的两极地区进行了探测,取得了许多新成果。

  轨道计算,这的确是个技术活儿

  首先要把轨道路线利用计算机全部模拟出来,并反复调整模型参数,才能得到最靠谱的路线图

  那么,轨道设计师们究竟是怎么算出深空探测器的飞行路线图的?

  “这个问题很复杂。”黄翔宇说,很多理论在深空探测路线规划中没那么奏效,因为航天器轨道会受到多个天体引力的影响。所以,不能单从理论出发去推演。

  “要借助引力变轨的话,就要计算出合适的变轨时间和位置,以保证航天器变轨后能到达目标轨道,最好能使整个变轨过程耗费燃料最少。”黄翔宇说,深空探测器的航程漫长,以电影中的赫尔墨斯号为例,它从火星返回地球,再从地球前往火星,还要从火星回来……在影片里,这段“豪华加长版太空游”要耗费533天的时间。中间要考虑的变量也多了去了——太阳、地球和火星的引力及它们之间的相互作用,太阳光光压摄动,借力飞行的时间范围,借力飞行的轨道参数……

  轨道计算确实是个技术活儿。轨道设计师的做法,一般都是建立一个轨道动力学模型,根据航天器现在的状态一步步往前进行推算,并借助计算机对轨道参数进行反复迭代和优化。比如说,对赫尔墨斯号,电脑得先尽职尽责地把它这500多天的路线全部模拟出来;轨道设计师再根据模拟结果去进行参数调整,直到替航天器找到最靠谱的路线图。

  轨道控制,有时“大动”有时“微调”

  在某些特殊阶段,要怎么飞,航天器依靠自主导航和控制可以“自己说了算”

  路线图找到了,还得对航天器进行轨道控制。黄翔宇表示,近年来深空探测自主导航和控制已成为地面测控的一种有效补充手段。在某些特殊的飞行阶段,比如接近、着陆等需要实时精确获取和控制航天器相对目标天体的位置、速度等信息的任务阶段,自主导航与控制比地面测控性能表现更佳。

  不过,目前尚无法完全让航天器处于“无人看管”状态,庞之浩指出,探测器在星际航行中,地面必须对其进行跟踪、监测和调整;而且,只要确切知道探测器在任何时刻的位置和速度,地面就可以对它的轨道进行必要调整,从而使它最终飞向目标。

  这些调整一般都要借助探测器上的发动机完成,有时要“大动”,有时要“微调”。比如,在“嫦娥二号”变轨中,月球探测卫星大部分轨道控制利用490N大推力发动机完成,少量中途轨道修正以及环月运行轨道维持控制采用10N小推力发动机进行。

  一个逆天的航天器轨道

  请不要觉得赫尔墨斯号的轨道复杂。要知道,美国国家航天局首席科学家罗伯特·法夸尔(Robert Farquhar)在大约30年前,就为卫星ISEE-3设计出了一幅非常炫酷的轨道图。

  这是第一颗在一个轨道稳定点——日地之间第一拉格朗日点L1研究吹向地球的持续太阳风的卫星,发射于1978年。1982年,完成最初任务后,它开始了一系列月球飞越活动,然后奔着当时大热的“哈雷彗星”去了。

  我们来感受一下这颗卫星的变轨过程。

  根据当时媒体的报道,ISEE-3先朝返回地球方向飞行,之后与月球轨道相交,并且朝地外飞去,远离地球横穿地尾,这是一个具有独特的粒子和场特性的空域。然后,在地球重力将其拉回来之前,ISEE-3还会继续往前飞奔一百万英里,并再次飞到地尾下面,之后开始逃脱地球引力。在穿越地尾期间,它达成“在空域收集科学数据”成就。

  当卫星几乎处于地尾下边最远点时,地面控制人员将遥控卫星上的推进系统点火,为其提供改变轨道的速度,卫星飞掠月球;最后一次近距离飞越月球时,它能获得拦截彗星所需要的重力加速度,从而进入太阳轨道,与一颗叫“贾可比尼·津纳”的彗星相遇,成为第一个与彗星相会并采集数据的探测器;一年后,它又成功遇上了哈雷彗星。

  其实在法夸尔设计的轨道里,这颗探测器踏上的,并非是永不回头的旅程。它能于2014再度回来,它也确实如约而至,近距离掠过地球。只可惜,尽管研究团队重新与其建立了联系,但ISEE-3退役已久,其推进器出现问题,引擎无法成功启动。后来,它还是沿着孤独的日心轨道与地球渐行渐远。

  (国土资源科普与文化为非盈利性微信订阅号

  文中部分内容来自于头条新闻等

  感谢原作者)

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