用行星大氣“剎車”：大氣制動如何改寫深空探測的軌道方案 | 深度報道

原文發表于 《科技導報》2026年第3期科技新聞-深度報道

用行星大氣“剎車”：大氣制動如何改寫深空探測的軌道方案

在深空探測任務中，航天器從行星際轉移軌道進入環繞軌道，往往需要通過長時間點火減速。推進劑質量不僅直接決定了運載火箭的發射能力需求，也制約著航天器可搭載的科學載荷規模。如何在不顯著增加航天器質量的前提下完成大尺度軌道調整，是行星探測工程長期面臨的關鍵問題之一。

大氣制動（Aerobraking）為這一問題提供了一條不同于傳統推進制動的技術路徑。該技術利用行星稀薄大氣在航天器近行星點飛行時產生的氣動阻力，將航天器的軌道動能逐步轉化為熱能并耗散，從而在多次繞飛過程中持續降低軌道遠心點高度。相比完全依賴推進系統的減速方式，該技術可提供超過1000 m/s的減速量，而過程中所需推進劑等效的速度增量僅為幾十m/s，這使其在軌道設計優化和任務成本控制方面具有顯著優勢。大氣制動過程如下圖所示。目前該技術已在金星和火星的多項遙感探測任務中得到實際應用，驗證了其工程可行性。

圖 大氣制動過程

圖片來源：

Advances in Space Research

1 在大氣邊緣“走鋼絲”

典型的大氣制動過程可分為初始步入階段、穩定減速階段和步出階段。航天器在每一圈軌道的近心點附近短暫進入大氣層，在可控的氣動力和熱載荷條件下完成少量減速，隨后回到遠離大氣的軌道高度。這一過程往往需要持續數周甚至數月，通過多圈累積效應實現軌道能量的大幅削減。

為確保航天器安全運行，工程上引入了“大氣制動走廊”的概念。這里的“走廊”是指航天器近心點高度必須控制在一個有限區間內：進入過深，氣動力和熱流可能超過結構與防熱系統的承受能力；進入過淺，則減速效果不足，導致制動周期顯著延長。如何在不確定的大氣環境中始終將航天器保持在這一安全走廊內，是大氣制動任務的核心控制問題。

2 不確定性帶來的工程挑戰

2025年12月，日本東京大學的Maximilien Berthet在

Acta Astronautica

以火星任務為例，美國噴氣推進實驗室David A. Spencer等提出大氣制動的主要風險體現在不同軌道圈次之間的大氣密度變化幅度可超過100%，現有大氣模型（如MarsGRAM）在局部、短期預測方面仍存在明顯誤差。這意味著航天器在連續2次進入火星大氣時，可能遭遇強度差異巨大的氣動環境。與此同時，太陽翼等結構部件在大氣制動中既是產生阻力的關鍵部件，也是最為脆弱的受力與受熱單元，其安全裕度直接關系任務成敗。

在大氣制動后期，隨著軌道逐漸收縮，軌道周期明顯縮短，航天器姿態調整頻繁，對地通信窗口經常性中斷，地面團隊難以及時評估減速效果并上傳控制指令，操作壓力顯著增加。

歐空局飛控任務專家Gabriele Bellei在第18屆澳大利亞國際航空航天大會指出，歐洲火星痕量氣體軌道器（ExoMars TGO）的在軌實踐表明，為應對火星大氣的高度不確定性，任務設計中不得不引入高達150%的安全余量，并依賴高精度加速度計持續修正大氣模型和制動走廊參數。此外，還提出在大氣制動過程中，航天器應具有高姿態機動能力、低彈道系數（指航天器質量/阻力面積。數值越小，大氣阻力減速能力越強，熱流越小）以及防熱能力。其中快速姿態機動可以增加穿越大氣前后定軌和測控的時間，這對于大氣制動末期的短周期軌道尤其重要。低彈道系數和防熱能力則可增加每次穿越大氣的速度增量，縮短大氣制動操作總時間，減少人力和操作風險。

3 走向“自主控制”與“高效能構型”

針對上述問題，研究人員正在探索多種技術路徑以提升大氣制動的效率與安全性。

在控制策略方面，為應對大氣密度不確定性，伊利諾伊大學Giusy Falcone等在

Journal of Guidance, Control and Dynamics

Advances in Space Research

Journal of Spacecraft and Rockets

在航天器構型層面，小衛星與空間帆的結合被視為一條具有潛力的發展方向。質量小、彈道系數低、轉動慣量小的航天器，更有利于獲得較大的氣動減速效果，同時具備更高的姿態機動能力，已開始在近地軌道任務結束后的離軌和太空碎片清除任務中進行驗證。相關結果表明，配置空間帆的小型航天器可在更高的近心點高度完成有效減速，并顯著縮短制動周期。但仍需解決步入與步出階段的速度增量獲取，以及太陽光壓干擾下的姿態控制問題。由于小衛星推進系統規模有限，需要研究借助軌道攝動的方法。

4 面向未來的深空任務

目前，大氣制動技術主要針對地球、金星和火星環繞任務中開展工程應用，未來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任務。

中國已經規劃了天問三號火星取樣返回任務，北京空間飛行器總體設計部孫澤洲在《深空探測學報》指出，大氣制動技術可用于軌返組合體從大橢圓軌道進入用于中繼和交會的低高度近圓軌道，以解決現有運載能力不足的問題；其技術相對成熟，重點針對減速時間、氣動力/熱約束，定期開展近火點高度預計及軌道控制，對太陽翼及航天器本體進行必要的熱防護。

美國國家科學院發布的2023—2032年行星科學任務規劃、歐空局發布的空間科學中長期發展規劃均提出了天王星和海王星等冰巨星及土衛六探測計劃；我國也發布了國家空間科學中長期發展規劃（2024—2050年），將論證實施木星系統觀測、巨行星系統探測等任務。如在這些天體實施大氣制動，面臨的器地通信時延更大、大氣模型認知更為有限，需要極強的自主執行能力以提高任務安全性與執行效率。

總體來看，大氣制動通過充分利用行星大氣這一“環境資源”，以極少的推進劑實現大規模軌道調整，為降低航天器規模和任務成本、突破運載能力瓶頸提供了新的技術路徑。隨著行星大氣觀測能力的提升、自主控制技術的發展以及小型航天器與空間帆的應用深化，這一技術有望在未來深空探測工程中發揮更加重要的作用。

文 /董捷，張海洋

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