[科普中國(guó)]-小推力變軌

基本概念

軌道機(jī)動(dòng)按照機(jī)動(dòng)力的不同，可以分為脈沖機(jī)動(dòng)和小推力持續(xù)機(jī)動(dòng)。

航天器發(fā)動(dòng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)（相對(duì)整個(gè)飛行過(guò)程時(shí)長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，時(shí)間短到可以忽略）進(jìn)行推進(jìn)，可以視為瞬間改變航天器運(yùn)行速度，對(duì)應(yīng)的變軌方式稱為脈沖變軌。

使用持續(xù)小推力機(jī)動(dòng)的航天器推進(jìn)動(dòng)力來(lái)自飛行過(guò)程中受到的小的持續(xù)推力，如離子推進(jìn)器和太陽(yáng)光帆等，利用這種機(jī)動(dòng)方式進(jìn)行變軌稱為小推力變軌。1

月球衛(wèi)星小推力變軌施加同樣大小的速度增量，燃料消耗量與發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖近似成反比關(guān)系。目前國(guó)際上最新電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖，比常規(guī)化學(xué)推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖要高出數(shù)倍到10多倍。因此，采用高比沖的電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，可以大大節(jié)省燃料，對(duì)深空探測(cè)（特別是行星際探測(cè)）有著巨大的意義。美中不足的是電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力非常小，完成加速過(guò)程需要非常長(zhǎng)的時(shí)間。這給利用小推力發(fā)動(dòng)機(jī)變軌的轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)增加了難度。

用月球衛(wèi)星的形式對(duì)月球進(jìn)行科學(xué)探測(cè)，是各種月球探測(cè)方式中非常重要的一種。探測(cè)器進(jìn)入月球影響球時(shí)，相對(duì)月心為一條雙曲線軌道，對(duì)月探測(cè)時(shí)為一條圓軌道。

小推力變軌有自身獨(dú)有的特點(diǎn)：時(shí)間長(zhǎng)，推力加速度小。2

火星探測(cè)小推力變軌到目前為止，發(fā)射了火星探測(cè)器的只有美國(guó)、俄羅斯、日本和歐空局；而中國(guó)的火星探測(cè)計(jì)劃尚處于起步階段，初步提出了未來(lái)15~20 年確立以月球和火星為主的深空探測(cè)工程研究。隨著嫦娥一號(hào)順利進(jìn)入環(huán)月軌道并正常開展工作，火星探測(cè)工程將提前提上日程。

燃料消耗一直是探測(cè)火星要考慮的首要問題，而小推力發(fā)動(dòng)機(jī)由于其高比沖，在火星探測(cè)活動(dòng)中日益受到重視。小推力發(fā)動(dòng)機(jī)的另一特點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力非常小，因此完成加速過(guò)程需要很長(zhǎng)的時(shí)間，也就是說(shuō)，在抵達(dá)火星前需要長(zhǎng)時(shí)間的螺旋線運(yùn)動(dòng)以使探測(cè)器達(dá)到需要的速度增量。

小推力發(fā)動(dòng)機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是由于其高比沖特性可以降低在低地球軌道上消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量。使用小推力發(fā)動(dòng)機(jī)比使用傳統(tǒng)化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行深空探測(cè)具有很大的優(yōu)勢(shì)，尤其適用于主帶小行星交會(huì)任務(wù)、彗星交會(huì)、遠(yuǎn)地行星探測(cè)任務(wù)。3