当航天器返回地球时，它们不需要通过发射反向火箭来降低所有速度。相反，他们利用大气层作为刹车来减速以实现软着陆。除水星外，太阳系中的每颗行星都有足够的大气层来进行空气制动操作，并可以执行高速探索任务。一篇新论文着眼于不同的世界，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是太空探索中的免费午餐

空中捕获是一种轨道转移机动，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，空气制动利用推进燃烧加上反复浸入大气层(即大气阻力)来逐渐减慢航天器的速度并减小轨道的大小，以实现轨道插入。

普渡大学航空航天学院的AthulPradeepkumarGirija在arXiv预印本服务器上发布的新论文指出，与航空捕获相关的重大风险之一是大气密度的不确定性。空气制动发生在行星体脆弱的高层大气中，那里的密度不确定性要大得多，而空气捕获则发生在更深的大气层中，那里的密度不确定性更小。

例如，火星勘测轨道飞行器MRO在2006年入轨时进行空气制动时实际经历的大气密度与NASA的火星GRAM(全球参考大气模型)模型的预测有很大不同。

MRO导航团队负责人韩友在《今日宇宙》上发表的一篇文章中表示：“在大气层的某些点，我们发现大气密度相差1.3倍，这意味着它比模型高出30%。”2006年。“这个数字相当大，但在南极周围，我们看到了更大的比例因子，高达4.5，这意味着它比火星GRAM模型低了350%。”

无论是空中制动还是空中捕获，火星和其他行星上的大气密度每天都可能变化很大，甚至每个轨道的大气密度也可能变化很大。

吉里贾在他的新论文中写道：“如果飞行器进入太浅或遇到的大气层密度低于预期的最小值，航天器可能会在不被捕获的情况下离开大气层。”“如果飞行器进入的坡度太陡，或者密度远高于预期，飞行器可能会因速度过快而无法离开大气层。”

这两种情况都会导致任务完全丧失。因此，除了传输误差和空气动力学不确定性之外，还必须为制导系统提供足够的余量以应对这些大气不确定性。

为了进行空气捕获，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。

吉里贾在给《今日宇宙》的一封电子邮件中解释说：“升力调制涉及‘升力’航空外壳，例如阿波罗或火星科学实验室航空外壳，其升阻比(L/D)在0.24至0.36范围内。”“控制是通过‘倾斜’飞行器飞入更稠密的大气层更深的地方，或飞到更高的更稀薄的大气层来实现的。这种控制方法需要使用高速反应控制推进器，通常在地球和火星上使用，并且具有广泛的应用前景。”阿波罗和MSL(火星科学实验室)任务的遗产。”

升力调制通过大气飞行提供连续控制，而反应控制引导试图实现所需的“退出状态条件”。

航空捕获车辆入口走廊示意图。图片来源：AthulPradeepkumarGirija

另一方面，阻力调制是一种更简单的控制技术，其中控制是通过使用可部署设备对阻力区域进行连续或离散(偶尔)调制来实现的。

“阻力调制车辆的L/D=0，即没有举升能力，”Girija说。“最常见的变体是‘离散事件调制’，其中部署的阻力裙在飞行过程中被抛弃，抛弃时间是唯一的控制变量。”

吉里贾解释说，通过在正确的时间抛弃曳力裙，可以将退出状态条件设定为相当接近理想的状态。

吉里贾说：“阻力调制已被提议作为升力调制的‘更便宜’替代方案，通过避免使用RCS推进器，这对小型任务特别有吸引力。阻力调制没有飞行遗产，尽管一些基本技术已经已在飞行实验中得到证明，例如“适应性部署进入和放置技术(ADEPT)”，该技术于2018年9月成功试飞。

另一件需要考虑的事情是入口走廊，这是航天器进入其预期目的地的大气层区域。理论走廊宽度(TCW)量化了走廊的宽度，并且必须足够大以适应安全着陆，考虑到大气不确定性，并且即使在限制情况下(例如浅入口组合)也为任务成功提供足够的安全裕度和稀薄的气氛。

吉里贾说，作为一般经验法则，升力调制提供的可用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能力稍差，但对于小型任务(低于5000万美元)来​​说更经济实惠，而升空航空弹通常需要花费数亿美元。

Girija表示，尽管金星、火星和土卫六的大气层已针对工程目的进行了很好的表征，但标准密度变化可能高达50%(上下)。由于没有现场数据，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%的标准偏差变化。了解密度分布的预期不确定性对于评估其对未来任务带来的风险非常重要。

Girija说，GRAM模型使用现有的现场和遥感测量数据，并提供“行星大气的工程模型”。“对于火星和金星等行星，有大量数据(现场数据和遥感数据)，模型对于初步工程设计被认为相当可靠。对于天王星和海王星，没有可用的现场数据，因此模型完全基于航行者号飞越期间的遥感观测。”

但我们太阳系行星大气层的物理结构和化学成分存在很大差异，从“金星厚厚的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，补充说，这些大气中的稀有气体丰度和同位素比率等测量不仅对于任何空气制动操作都至关重要，而且对于我们了解太阳系的起源、形成和演化也至关重要。

对于金星厚厚的大气层，利用其大气层进行空中捕获已被证明是可行的，同时使用升力和阻力调制。然而，金星的高加热速率使得升力调制并不理想。Girija表示，阻力调制具有较低的加热速率，这对于小型卫星轨道插入特别有吸引力。

与地球相比，火星的大气层相对稀薄，但一些任务已成功使用空中捕获进行轨道插入和着陆。由于执行了多次火星任务，人们对火星大气层有了很好的了解，但与金星相比，火星大气层也具有相对较大的季节性变化，并且相关的不确定性尤其是在较稀薄的高层大气中。

然而，与金星相比，火星的低重力和广阔的大气层提供了更大的TCW(2倍)，Girija表示，可以轻松适应更大的大气不确定性。火星的“最佳减速点”是海拔50-80公里之间的大气带，火星上的航空捕获大部分减速发生在该区域。对于任何前往这颗红色星球的任务，进入建议都需要有足够的余量来应对两种限制情况：浅进入和稀薄大气，以及厚大气和陡峭进入。

土星最大的卫星泰坦是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，是一个对未来任务进行研究的诱人世界。吉里贾说，土卫六的低重力和广阔的厚厚大气层使其成为航空捕获的理想目的地，这些条件提供了太阳系中任何目的地中最大的走廊宽度。由于体积小，使用传统推进装置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，可以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现场数据，因此吉里贾说，除了少数例外，土卫六的密度剖面受到相当好的限制。

“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公里处达到最大值约40%，然后下降，”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空中捕获大部分减速发生的区域，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)方面有很大不同，但它们在物理上有一些相似之处，例如都是相对较厚、超旋转的大气层随着行星体缓慢旋转以及对流层低层显着的温室变暖。

冰巨星天王星和海王星是尚未使用轨道航天器探索的最后一类行星。尽管天王星轨道飞行器和探测器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都同样引人注目，但吉里贾表示，从推进插入的任务设计角度来看，天王星的要求较低。他写道：“事实证明，航空捕捉技术可以极大地增强冰巨星任务的技术支持。”“通过航空捕获，天王星和海王星都将同样容易到达。最近的研究表明，与推进插入相比，航空捕获能够显着缩短飞往天王星的飞行时间，特别是使用新型高能运载火箭。”

Girija写道，对于天王星和海王星，GRAM套件为“相关高度范围提供了大约30%的密度变化，这被认为是乐观的估计”。“在大气探测器的现场数据可用之前，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表示，预期密度变化30%“在获得现场数据之前必须被视为‘乐观’估计。实际的不确定性可能是高得多。”

Girija写了另一篇论文，也发布到arXiv预印本服务器上，比较了冰巨星任务的升力和阻力调制。

吉里贾说，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中的所需位置或着陆。”任务设计最重要的部分之一是目标进入飞行路径角度的选择。