工程师密切关注NASA最古老的火星轨道飞行器的燃料供应

这幅插图描绘的是NASA火星奥德赛号轨道航天器。任务团队在2021年的大部分时间里都在评估轨道飞行器上还剩多少推进剂，得出的结论是，它有足够的推进剂至少维持到2025年。
影像来源：NASA/JPL-Caltech

奥德赛号是一艘有几十年历史的没有燃料表的航天器，测量其燃料供应绝非易事。

自从NASA在22年前（2001年）发射了火星奥德赛轨道飞行器到红色星球以来，这艘宇宙飞船已经绕火星飞行了94,000多次。这大约相当于13.7亿英里（22.1亿公里），这一距离需要对航天器的燃料供应进行极其谨慎的管理。鉴于奥德赛没有燃油表，这一壮举更加令人印象深刻；工程师们不得不转而依赖数学。

他们的工作帮助奥德赛建立了一个科学遗产：该航天器绘制了火星表面的矿物地图，使科学家能够更好地了解火星的历史。奥德赛号发现了可供未来宇航员使用的冰沉积物。它研究了可能伤害这些宇航员的辐射。它还为未来的任务侦察了潜在的着陆点。奥德赛也是为数不多的轨道飞行器之一，它将NASA的火星车和着陆器的数据传回地球（迄今为止，数据已接近150千兆字节，而且还在不断增加）。

20多年来，NASA的火星奥德赛轨道飞行器一直在研究火星表面。2006年，该任务的热发射成像系统仪器拍摄到了沙丘在邦吉陨石坑底部爬行的图像。
影像来源：NASA/JPL-Caltech/ASU

但在去年，奥德赛号似乎快要没有燃料了：计算显示，它的肼燃料远低于预期。

奥德赛在2001年发射时携带了将近500磅（225.3千克）的肼推进剂。因为没有燃料表，工程师们使用了各种方法来推断航天器在一段时间内消耗了多少肼。测量奥德赛燃料的一种方法是给飞船的两个推进剂罐加热，观察它们达到某一温度需要多长时间。就像茶壶一样，几乎空了的油箱会比满了的油箱升温更快。

事实上，这似乎是2021年夏天在奥德赛号上进行的燃料评估所发生的情况。计算结果似乎显示，仍有约11磅（5公斤）的推进剂可用，比任务建模预测的要少。2022年1月的另一项估计显示，只剩下6磅（2.8公斤）的肼。

如果数据是准确的，奥德赛将在不到一年的时间内耗尽燃料。要么是航天器发生了某种故障，比如泄漏，要么是团队的测量出现了问题。

随后任务团队进行了数月的测试和紧张的调查。在研究了“失踪”燃料的奥秘后，任务工程师们对老化航天器复杂的燃料系统在飞行中的表现有了新的了解。他们的结论是：轨道飞行器实际上应该有足够的燃料继续进行任务至少到2025年底。

奥德赛如何使用肼

奥德赛在任何一天都不需要大量的肼。太阳能电池板为其系统供电，而三个战略性放置的反作用轮帮助轨道飞行器将其科学仪器对准火星表面。当反作用轮在飞船内部旋转时，它们会产生扭矩，使奥德赛向相反的方向移动。

“这些反作用轮必须协同工作，以保持航天器的指向。”奥德赛的任务经理，NASA在南加州的喷气推进实验室的贾里德·卡尔说。“但随着奥德赛完成每一个轨道的完整循环，你需要一种方法来卸载不断增加的动量。”

这就是奥德赛的肼的用武之地。航天器的推进器以小规模、有计划的爆发方式释放这种推进剂，以抵消反作用轮不断增加的动量。

使用NASA的“太阳系之眼”3D可视化工具探索火星奥德赛轨道飞行器。
视频来源：NASA/JPL-Caltech

团队合作

因此，当该团队的计算显示他们的推进剂供应低于预期时，喷气推进实验室的工程师开始与洛克希德·马丁太空公司的工程师合作，后者建造奥德赛，维持任务运行，并提供航天器工程支持。

“首先，我们必须验证航天器是否正常。”喷气推进实验室奥德赛项目经理约瑟夫·亨特说。“在排除了泄漏的可能性或我们燃烧的燃料比估计的多之后，我们开始检查我们的测量过程。”

团队一致认为他们需要一些新的视角来评估情况。他们请来了鲍里斯·延德勒，一位专门研究航天器推进剂估算的外部顾问。

像所有航天器一样，奥德赛依靠加热器来保持包括燃料箱在内的各个部件在寒冷的太空中工作。延德勒想知道是否有航天器上其它来源的热量添加到推进剂中，使燃料测量复杂化。经过大量实验，该团队证实了这一点：连接燃料箱的燃料管道上的加热器使燃料箱升温的速度比预期的快，使燃料箱看起来几乎是空的。

“我们的测量方法很好。问题是奥德赛号上的流体动力学比我们想象的要复杂得多。”

在弄清楚有多少热量没有计入他们的计算后，研究团队得出结论，奥德赛还剩大约9磅（4公斤）的肼。这足以让任务再持续几年。虽然这个数字可能会随着团队改进测量和提高精度而变化，但现在他们更好地了解了他们的航天器，团队可以更轻松地休息了。

“这有点像我们进行科学发现的过程。”卡尔说。“你探索一个工程系统，不知道你会发现什么。你看得越久，你就会发现更多你意想不到的东西。”

参考来源：

https://www.nasa.gov/feature/jpl/engineers-keep-an-eye-on-fuel-supply-of-nasa-s-oldest-mars-orbiter