長征三號乙GTO運力和發射新視野號的Atlas V 551一樣,中國是否也有能力發射冥王星探測器? | 知乎問答精選

 

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長征三號乙GTO運力和發射新視野號的Atlas V 551一樣,中國是否也有能力發射冥王星探測器?

2017年08月16日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 6 ℃ 次

【鄭磊的回答(90票)】:

謝謝邀請,首先要糾正下題目,題主是從哪裡瞭解到這一點的……

長征三號乙GTO運力和發射新視野號的Atlas V 551一樣

Atlas V 551是不折不扣的重型運載火箭,551分別代表5米直徑芯級,5個固體助推器,1台發動機構型上面級,1800m/s

標準下GTO能力接近9噸,相同標準下長三乙增強型GTO運力約5500kg。在ULA的梯隊中僅次於Delta IV Heavy。Atlas V各構型參見下表[1]:

  • 現役長征火箭能夠用來發射冥王星探測器嗎?

Quick answer:不能!深空發射能力用C3特徵能量來表徵[2],當探測器的C3>0時,它將具有足夠的能量掙脫地球的引力場。目前最強的長征火箭長三乙增強型的C3運載能力如下圖[3]:

一條轉移軌跡的C3能量與地球與行星的相位差和期望的轉移時間都有關。對於火星任務,時間和能量綜合最優的方案是

,轉移時間約200天[4]。如果用長三乙增強型來打,大概可以把2700kg的探測器打向地火轉移軌道,這個表現還是不錯的,探測器可以設計地很複雜。那新地平線號飛離地球時由運載火箭賦予的能量是多少呢?

!!![5]

新地平線號是有史以來發射時最快的探測器這可不是吹牛撒。這麼大的速度增量來自於三級火箭的構型(Centaur上面級還加裝了第三級火箭來進一步加速)和本身的小質量(入軌質量僅為478kg,相比Atlas V 551火箭9噸的GTO運力)。如果用長三乙增強型來發射,到上圖找一找對應的質量是……呃,從趨勢來看似乎要穿過0軸了?零點的物理意義為,即使上面沒有任何載荷,只來加速第三級的空殼子也只能使其達到某個C3值的上限。

需要指出的兩點是:1)上圖給出的數據是長三乙增強型本身所能夠提供的速度增量(三級半構型),如果再配一級上面級可以提供更多的速度增量,但個人覺得這樣仍然非常有限,達到上述C3值估計能有幾十千克就不錯了,對於這麼遠的任務很不現實。2)新地平線號是一次flyby(飛掠)任務,能量比霍曼轉移高得多,但是對於冥王星任務來說霍曼轉移並環繞探測也很不現實,轉移時間要上百年。

  • 火箭的運力 vs. 精度

運力大小達到C3能量要求後,在深空任務中便不是最首要的考量,只是滿足了眾多要求之一;我國的長征五號火箭服役之後,運載能力要遠超Atlas V 551,發射類似大小的探測器是綽綽有餘的。但對於運載火箭系統,不只是要大力,更得要精確。運載火箭本質上是用來賦予深空探測器離開地球時的速度矢量,矢量的大小和方向都要足夠精確才能給探測器接下來的旅程一個好的開始。在這一點上我國的運載火箭從業人員理論和實踐水平都非常高,比如在神舟和嫦娥任務中長征火箭的精度都完全滿足任務的需求。深空探測任務要求的精度個人猜測比探月任務的確要高一些,但不過是增加工作量而已。

一次成功的深空探測任務還需要什麼?

  • 深空探測任務的頂層規劃與設計

發射只是深空測控任務中的一環。像新地平線這樣的遠至太陽系邊緣的任務,前期的計算與設計最為重要,軌道設計人員要計算出完整的軌道或軌跡,涉及到探測器在多個天體的引力場中飛行的力學問題,約束也非常多,比如「在合適的時間達到合適的位置」就是一個很強的約束,再比如運載火箭入軌矢量的不確定度也是一個約束。深空探測器的軌跡設計只見到我國科研人員發表過一些成果,還沒有實踐過。

  • 探測器行星際制導、導航、控制(GNC)

運載火箭把探測器送離地球之後,它已經飛到了哪裡(導航)?將要飛到哪裡(制導)?如何執行設定好的動作(控制)?如果是自主GNC,那需要相應的算法和實現;如果是地面參與的,那就要涉及到下一個關鍵點:

  • 深空測控通信(TT&CC)

TT&CC分別代表telemetry(遙測),跟蹤(tracking),command(控制),communication(通信),一般和自主GNC配合使用。具體可以參見這個問題:外太空執行任務的航天器通過什麼技術手段導航定位? - 物理學

我國的TT&CC能力還在建設之中,深空探測器所及之處也必須是TT&CC能力的可及範圍,具體數字據此報道[6]為四億公里,是地球與火星之間的最遠距離,滿足火星任務的需要,對於新地平線號這樣的任務來說,顯然還遠遠不夠。最近倒是有報道,我國的測控網搭新地平線號的快車成功的進行了一次跟蹤測試。

參考資料出處:

[1] ulalaunch.com/uploads/d

[2] Characteristic energy

[3] http://cn.cgwic.com/LaunchServices/Download/manual/index.html

[4] tethers.com/papers/Inte

[5] web.gps.caltech.edu/~mb

[6] 66米大口徑「順風耳」助力中國「嫦娥」探月

(個人整理,轉載請私信聯繫,謝謝!)

【王若楓的回答(1票)】:

別人給我們拿來一個冥王星探測器,我們倒是完全能給它發射出去。

我們不缺發射能力,缺的是探測器自主飛行能力。

火箭只負責把探測器送上太空,不管送到冥王星。

【天才琪露諾的回答(1票)】:

有是有能力發射,但是找不到衛星在哪裡也不行啊

美國有底氣發射新視野II號,是因為前幾十年已經去過好幾次木星土星,深空探測已經玩出花了

再反觀中國,深空通信網組的還是很差勁。不過據說貴州的射電望遠鏡建完以後就有質的飛躍

航天這種東西,是要積累的,美國這一方面比我們牛逼,你不服也得服

【拿破侖精靈的回答(0票)】:

不太懂這個,但是從Atlas起飛重量三百多噸,長三乙起飛重量428噸應該能看出一些,更輕的箭身畢竟意味著更高的末端速度...

順便,估計還有深空網絡和末端精確制導的問題...

再順便,沒有橙罐怎麼可能入軌!→_→

標籤:-航天 -空間科學 -冥王星 -運載火箭 -太空探索


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