互动科普

2010年，JAXA（日本航天局）的金星探测器“拂晓”号进入环金星轨道失败。尽管面临失去主发动机等令人绝望的状况，但运行团队并没有轻言放弃，而是进行了不屈不挠的努力。终于在2015年12月7日，运用姿态控制发动机进行了不同寻常的再次入轨，取得了完美的成功。

艰难的再次入轨

5年前，拂晓号进入环金星轨道失败的日期是12月7日。5年后，拂晓号环绕太阳约9圈，金星环绕太阳约8圈，两者又在2015年12月7日重新“牵手”。

再次入轨的过程可谓惊心动魄。

随着金星从后方追赶过来，拂晓号的行进路线也因受到金星引力的作用而向金星偏折。

此时，拂晓号与金星的距离慢慢缩小，太阳光射入金星的地平线，发出耀眼的白色光辉。上午8点51分29秒，按照预先收到的命令，拂晓号通过逆向喷射进行了急刹。原本应启动的主发动机（轨道控制发动机）由于5年前的故障而无法使用，故而只能依靠推力小又不能长时间连续喷射的姿态控制发动机进行竭尽全力的减速。在最接近金星的20分钟时间里，持续进行的逆向喷射决定了拂晓号的命运。

如果减速不够的话，拂晓号将无法进入环金星轨道，从而也许会在宇宙中永久地“流浪”。换言之，减速必须充分，拂晓号才能被金星的引力所捕获，从而进入环金星轨道。

结果非常成功！原本不是入轨用的姿态控制发动机在超过了设计寿命的情况下经受住了严酷的考验，按照计划完美地实现了减速。拂晓号终于变成了金星的人造卫星。

图1. 入轨之前，拂晓号及金星的轨道

由于5年前入轨失败，拂晓号进入了较金星轨道更内侧的环绕太阳轨道，公转周期也较金星更短。2015年10月末前后，拂晓号追上了被“套圈”的金星（但是两者之间存在一定距离），从内侧一下子赶超了过去。

5年前的噩梦

2010年5月发射的拂晓号，在飞行的开始阶段非常顺利。顺便提一下，当年6月JAXA的小行星探测器“隼鸟”号克服了众多的问题，从小行星“丝川”回归地球，赢得了众多喝彩。对于日本来说，拂晓号是继投入环火星轨道未果的探测器“希望”号（1998年发射。发动机故障后依然继续运行，但还是在到达火星之前的2003年7月失去联系）之后的又一行星探测器，背负着巨大的期望飞向金星。

然而正如本文开头所述，准备充分、信心满满的金星轨道入轨任务却在2010年12月7日以失败告终。原本计划主发动机（轨道控制发动机）通过12分钟逆向喷射来减速，实际却在2分半的时候姿态失控，检查到问题之后的拂晓号自动停止了逆向喷射。结果，拂晓号并未进入环金星轨道，而是进入了较金星（公转周期约225天）略微偏内（公转周期约203天）的太阳公转轨道。

根据之后在地球上进行的再现实验，得知拂晓号姿态失控是由主发动机的异常燃烧所引发的。而发生异常燃烧的原因则是燃料箱上的止回阀阻塞，导致燃料添加不足。

燃料和氧化剂在拂晓号的主发动机内混合燃烧。加入氧化剂可以使燃烧温度变高，从而使气体喷射更加猛烈，从而更有效率地得到推力。

主发动机的整体构造为一个氦气罐分出两根管道，分别连接燃料罐和氧化剂罐，最后连接燃烧室。燃料和氧化剂由高压氦气分别挤压至燃烧室并在其中混合。

燃料罐和氧化剂罐分别配置了止回阀。根据地球上的再现实验结果，发现氧化剂止回阀的密封部位透过了少量的氧化剂。氧化剂通过管道一直到达了燃料侧的止回阀处，然后同那里的气化燃料发生反应产生了盐（固体化合物）。这些盐堵塞了燃料侧的止回阀。

由于燃料的止回阀发生了堵塞，在这个状态下运行主发动机时，用于推送燃料的氦气也就难以通过止回阀。也就是说，推送到燃烧室的燃料的量比预想的要少。实际上，拂晓号如果以“最合适”的比例混合燃料和氧化剂将会使燃烧温度过高，因此原本就设计为混合过量（一部分燃烧后残余）的燃料来进行燃烧。不幸的是，由于阀体堵塞，混合燃烧的燃料量减少，结果发生了“最合适”（设计层面上的异常）的燃烧。JAXA推测事故的始末为，异常燃烧使拂晓号姿态失控，最终导致入轨失败。

图2. 主发动机出现的问题

图示为拂晓号主发动机的模式图，表现了JAXA推测的引发故障的原因。气化的氧化剂透过了氧化剂侧的止回阀，在燃料侧的止回阀附近与气化的燃料反应生成盐，从而堵塞了阀体。由此推定燃料没有足量送入燃烧室，喷口由于异常燃烧所产生的高温而破损。此外，图中的高压氦气用于推送燃料和氧化剂进入燃烧室。喷口（推进器）为了耐受高温燃烧，使用了新开发的陶瓷材料。起初怀疑推进器为故障的原因，然而后来发现并非如此。

（本文发表于《科学世界》2016年第5期）