淺談奔赴火星需要解決的幾大關(guān)鍵技術(shù)

陳昌亞

研究員，上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240

本文初步分析了奔赴火星的幾大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù)；超遠(yuǎn)距離通信技術(shù)；自主控制技術(shù)；火星探測(cè)熱控制技術(shù)；火星著陸控制技術(shù)以及火星返回技術(shù)等。對(duì)后續(xù)火星探測(cè)以及相關(guān)型號(hào)探測(cè)器的研制具有一定的參考價(jià)值。

1 引言

火星是位于地球軌道外側(cè)的一顆行星，是地球的近鄰?；鹦巧洗嬖诠虘B(tài)的水，有稀薄的大氣。人類(lèi)通過(guò)探索火星，希望建立第二家園和尋找地球以外的生命，研究火星的磁場(chǎng)、大氣和氣候、空間環(huán)境、地貌和水消失的痕跡等內(nèi)容，并掌握其規(guī)律［1］。

按照離太陽(yáng)由近及遠(yuǎn)的順序，火星排名“老四”，位于排名“老三”的地球外側(cè)?；鹦菄@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一年687天，地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一年365天，因此火星與地球每2年有一次靠近的機(jī)會(huì)?；鹦请x地球最近處約5670萬(wàn)km，最遠(yuǎn)處約4億km（月球離地球大約38.4萬(wàn)km）。因?yàn)榛鹦桥c太陽(yáng)的平均距離為地球的1.52倍，火星獲得的直接太陽(yáng)光強(qiáng)只有地球光強(qiáng)的43.1%?；鹦潜砻鏈囟缺鹊厍虻?5℃，平均溫度只有零下25℃；火星赤道區(qū)的晝夜溫度在20～80℃，最寒冷的極區(qū)的溫度變化在－70～－140℃。

火星和地球有很多相似特征?；鹦巧喜粌H有類(lèi)似地球上的季節(jié)之分，還可明顯的區(qū)分出“五帶”（熱帶、南北溫帶、南北寒帶）。此外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)火星上有一定量的大氣，有白皚皚的極冠，且隨季節(jié)變化大小范圍有明顯的變化?；鹦翘綔y(cè)器從發(fā)射到抵達(dá)火星軌道要飛行10個(gè)月左右。

到目前為止，人類(lèi)對(duì)火星的探測(cè)有40次左右，成功率1／3多，認(rèn)識(shí)還很不全面。但是人類(lèi)對(duì)火星寄予了深切的希望，仍在堅(jiān)持不懈地對(duì)火星進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。

2 奔赴火星需要解決的幾大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

奔赴火星需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，包括軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù)，如何使得探測(cè)器安全到達(dá)火星并被火星捕獲成為火星的衛(wèi)星；超遠(yuǎn)距離通信技術(shù)，使得探測(cè)器在離地球最遠(yuǎn)4億km的地方仍能夠聽(tīng)得見(jiàn)，喊得出，地面信號(hào)能夠跟蹤得上；自主控制技術(shù)，在地面測(cè)控不可控和長(zhǎng)陰影期間自我控制；適應(yīng)由近及遠(yuǎn)及長(zhǎng)陰影期間的熱控制技術(shù)；活動(dòng)部件深冷的休眠喚醒技術(shù)；著陸器的安全著陸技術(shù)；在軌返回及上升器的火星返回技術(shù)等。下面針對(duì)以上關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析［2－3］。

2.1 軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù)

2.1.1 離開(kāi)地球軌道的轉(zhuǎn)移飛行能力

一是直接奔火，飛離地球。美國(guó)火星探測(cè)器發(fā)射多采用直接奔火的方式，中國(guó)在CE1奔月時(shí)采用調(diào)相方式，在CE2奔月時(shí)就采用了直接奔月的方式。直接奔火要求運(yùn)載能力足夠大，直接將探測(cè)器送入奔火雙曲線軌道，達(dá)到第二宇宙速度（大于11.2 km／s），同時(shí)對(duì)運(yùn)載發(fā)射的控制精度要求高，如果入軌點(diǎn)誤差過(guò)大那就得在奔火巡航段的軌道修正中消耗探測(cè)器較多燃料。直接奔火如圖1所示。

二是先進(jìn)入環(huán)繞地球的近地駐留軌道，在近地軌道飛行幾圈完成調(diào)相后加速奔火。俄羅斯在多次火星發(fā)射過(guò)程中均采用調(diào)相方式奔火。在進(jìn)入環(huán)繞地球的調(diào)相軌道后，進(jìn)行精密測(cè)定軌，在獲得滿(mǎn)意的控制精度后加速奔火。調(diào)相奔火如圖2所示。

2.1.2 火星影響球與地球影響球

地球的影響球半徑大約92.8萬(wàn)km，在飛離地球幾天（直接奔火大約2.5天）后即脫離地球的引力而進(jìn)入環(huán)繞太陽(yáng)的橢圓軌道，經(jīng)過(guò)大約300天的巡航段飛行進(jìn)入火星的影響球，火星的影響球半徑大約58萬(wàn)km。在到達(dá)火星影響球（距到火星大約1.8天）軌道時(shí)必須及時(shí)可靠的進(jìn)行剎車(chē)制動(dòng)，使得探測(cè)器被火星捕獲，成為火星的衛(wèi)星，如圖1所示。

圖1 直接奔火示意圖

圖2 調(diào)相奔火示意圖

2.1.3 到達(dá)火星軌道的制動(dòng)捕獲能力

為了使得探測(cè)器順利被火星捕獲而成為火星的衛(wèi)星，在到達(dá)火星軌道前必須進(jìn)行剎車(chē)制動(dòng)減速使其被火星捕獲，如不能夠及時(shí)制動(dòng)，探測(cè)器便飛越了火星。早些年常存在此失敗，2010年12月日本的金星“曉”探測(cè)器因?yàn)橥七M(jìn)故障，未能及時(shí)制動(dòng)，沒(méi)能被金星捕獲，飛越了金星，導(dǎo)致任務(wù)失敗。

火星捕獲一般在近火點(diǎn)600～800km，遠(yuǎn)火點(diǎn)60000～80000km進(jìn)行剎車(chē)制動(dòng)，形成環(huán)繞火星的大橢圓軌道。如果制動(dòng)不當(dāng)，要么探測(cè)器飛離火星，不能夠被火星捕獲成為火星的衛(wèi)星；要么撞上火星，任務(wù)同樣失敗。

另外星上姿態(tài)控制以及剎車(chē)制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是關(guān)鍵，如果到達(dá)剎車(chē)制動(dòng)的位置而不能很好的調(diào)整姿態(tài)，任務(wù)不能夠完成；剎車(chē)制動(dòng)大發(fā)動(dòng)機(jī)如不能夠很好地工作，不能夠有效地剎車(chē)制動(dòng)，任務(wù)失敗。

2.1.4 由捕獲軌道變軌到目標(biāo)軌道

剛開(kāi)始進(jìn)入的軌道不一定是所要求工作的軌道，所以在被火星捕獲后，還要經(jīng)過(guò)幾個(gè)月多次軌道修正變軌到任務(wù)工作軌道，如圖3所示。

圖3 由捕獲軌道變化到任務(wù)軌道示意圖

2.2 超遠(yuǎn)距離通信技術(shù)

由于地球與火星最近相距約5600萬(wàn)km，最遠(yuǎn)相距約4億km，通信信號(hào)在如此遠(yuǎn)距離的情況下空間信號(hào)衰減達(dá)280dB，為了克服巨大的信號(hào)衰減，不僅依靠提高星載設(shè)備的性能，更需要地面站設(shè)備的配合。要求地面深空站能夠工作在X波段，配備大口徑天線，并且具有發(fā)射上行大功率信號(hào)和接收下行微弱信號(hào)的能力。這就要求在下行傳輸過(guò)程中，探測(cè)器上具有較大發(fā)射功率，星載天線具有較大的增益，且地面站足以接收來(lái)自數(shù)億公里遠(yuǎn)的火星探測(cè)器發(fā)回的微弱信號(hào)。同時(shí)，在上行傳輸過(guò)程中，要求星上接收機(jī)具有較高的靈敏度，星上接收機(jī)要具有非常高的靈敏度，接收機(jī)鎖定靈敏度要優(yōu)于－140～－145 dBm。

另外地面站具有較大的發(fā)射效率和較大的天線。國(guó)外深空站天線直徑達(dá)64 m，70m，且二維定向跟蹤。如圖4所示。

圖4 國(guó)外某深空地面站64 m天線且二維定向跟蹤的圖片

需要實(shí)施超遠(yuǎn)距離的測(cè)控和通信，以確保指令的上傳和數(shù)據(jù)的下傳，這就要求地面測(cè)控站的天線孔徑很大，而且，要求地面控制系統(tǒng)可以對(duì)探測(cè)器的飛行軌跡、姿態(tài)、各個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)視與控制。

2.3 自主控制技術(shù)

由于火星距地球遙遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)達(dá)4億km，信號(hào)往返需40多分鐘，實(shí)時(shí)不能進(jìn)行控制，因此要求探測(cè)器必須高度自主完成事先設(shè)置好的功能。包括日凌期間工作的自主模式管理、長(zhǎng)火影的能源自主管理與保護(hù)、依次關(guān)閉載荷等、測(cè)控弧段盲區(qū)沒(méi)有上行指令指導(dǎo)的自主控制、故障模式下自主進(jìn)入安全模式等，自主姿態(tài)確定與控制。自主姿態(tài)確定技術(shù)及解決途徑如下：

（1）首先，根據(jù)任務(wù)需求，合理選用姿態(tài)基準(zhǔn)。在對(duì)日定向模式下，利用較精確的行星星歷，以火星公轉(zhuǎn)軌道坐標(biāo)系為姿態(tài)基準(zhǔn)，不需要精確的衛(wèi)星軌道參數(shù)，能保持太陽(yáng)幾乎垂直照射星體，也可以使得在帆板對(duì)日定向的條件下，相機(jī)在每隔一定周期內(nèi)有機(jī)會(huì)拍攝到火星；對(duì)火定向時(shí)，以探測(cè)器繞火星運(yùn)行的軌道坐標(biāo)系為姿態(tài)基準(zhǔn)，可以近距離拍攝火星；對(duì)地定向模式下，利用較精確的行星星歷計(jì)算出地球與火星的位置，根據(jù)探測(cè)器的軌道參數(shù)確定探測(cè)器與地球的相位。

（2）其次，針對(duì)火星的地理環(huán)境，采用兩臺(tái)星敏感器結(jié)合MEMS陀螺進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量。

（3）最后，根據(jù)星歷表，結(jié)合程控指令，姿控模塊自主進(jìn)行對(duì)日、對(duì)地、對(duì)火、對(duì)X探測(cè)器的定向以及模式切換的姿態(tài)確定，如圖5所示。

圖5 探測(cè)器自主控制各姿態(tài)模式轉(zhuǎn)換示意圖

2.4 火星探測(cè)器熱控制技術(shù)

火星探測(cè)器相對(duì)于地球軌道的衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星熱控存在下列特點(diǎn)和難點(diǎn)：

衛(wèi)星的運(yùn)行環(huán)境、姿態(tài)等的變化引起的外熱流變化劇烈。衛(wèi)星從地球運(yùn)行到火星軌道的10個(gè)月內(nèi)，隨著地球、太陽(yáng)和火星的相對(duì)位置變化，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度從地球附近的1353 W／m2減小到火星附近的589.2 W／m2；在火星軌道運(yùn)行時(shí)，因?yàn)槭谴髾E圓軌道，在近火點(diǎn)和遠(yuǎn)火點(diǎn)附近所接收的火星紅外輻照和反照差異也很大；在衛(wèi)星從地球軌道向火星軌道轉(zhuǎn)移的前10個(gè)月內(nèi)，外熱流變化劇烈；在進(jìn)入火星軌道運(yùn)行時(shí)，衛(wèi)星天線對(duì)地定向的同時(shí)，還要考慮太陽(yáng)電池板對(duì)日定向，衛(wèi)星姿態(tài)在一定的方位內(nèi)調(diào)整，衛(wèi)星各面的外熱流也有較大的變化。

能源方面應(yīng)考慮在發(fā)射初期太陽(yáng)光強(qiáng)大，電池片效率高，熱量耗散對(duì)星體輻射的影響；壽命末期，太陽(yáng)光強(qiáng)小，電池片效率低，供給能量少的適應(yīng)性。熱控系統(tǒng)應(yīng)能夠適應(yīng)壽命期內(nèi)太陽(yáng)帆板供電能源變化大、太陽(yáng)光強(qiáng)變化大的特點(diǎn)。

2.5 活動(dòng)部件的深冷休眠、喚醒技術(shù)［4］

星上活動(dòng)部件，如高增益數(shù)傳天線在星際巡航段為了避免剎車(chē)制動(dòng)的沖擊處于收攏狀態(tài)，在到達(dá)火星軌道后才進(jìn)行展開(kāi)，火工品切割器在經(jīng)歷巡航段低溫存貯后的發(fā)火和解鎖展開(kāi)，這就存在深冷休眠喚醒問(wèn)題，地面根據(jù)火星環(huán)境必須進(jìn)行一系列試驗(yàn)。

2.6 火星著陸控制技術(shù)

火星著陸方式分為直接進(jìn)入和環(huán)繞進(jìn)入二類(lèi)。直接進(jìn)入是指著陸器在進(jìn)入火星影響球范圍前，與探測(cè)器分離，以撞擊軌道直接進(jìn)入火星大氣。環(huán)繞進(jìn)入是指著陸器隨探測(cè)器制動(dòng)捕獲進(jìn)入環(huán)繞軌道后擇機(jī)與探測(cè)器分離進(jìn)入火星大氣。

火星著陸要經(jīng)歷分離起旋、減速載入、開(kāi)傘減速、緩沖著陸、儀器工作與通信等。到目前為止，只有美國(guó)的6次著陸成功，歐空局的獵兔犬2號(hào)著陸失敗。

2.7 火星返回技術(shù)

由齊奧爾科夫斯基的方程△v＝veloge（M0／M）看出，速度變量與質(zhì)量比和排氣速度ve有關(guān)。

離開(kāi)火星的航天器的初始質(zhì)量M0由3個(gè)元素組成：實(shí)際有效載荷，包括探險(xiǎn)隊(duì)員、他們的生命補(bǔ)給、物資以及設(shè)備；飛行器、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料貯箱和設(shè)備支撐物；所有重要的結(jié)構(gòu)；最后還有往返途中所要消耗的燃料。任務(wù)結(jié)束時(shí)，探險(xiǎn)隊(duì)員、攜帶的樣本、飛行器以及空的燃料貯箱用最終質(zhì)量M表示。

圖6 環(huán)繞進(jìn)入火星著陸過(guò)程示意圖

下標(biāo)字母p，d，f分別代表有效載荷、航天器的干重以及燃料。

假設(shè)此時(shí)結(jié)構(gòu)因素為5%，可將質(zhì)量比公式（2）改寫(xiě)為：

將有效載荷設(shè)為0，通過(guò)上式可以確定此時(shí)基本質(zhì)量比為21而并非11，該值也是有效載荷能力。實(shí)際上，若質(zhì)量比設(shè)為11，新的結(jié)構(gòu)因數(shù)5% ，上述方程將會(huì)變?yōu)镸f＝20Mp，因此，根據(jù)簡(jiǎn)化假設(shè)，每噸有效載荷需要20t的燃料。如果按照阿波羅飛船的有效載荷為47 t，它需要940t的燃料才能實(shí)現(xiàn)火星著陸返回探險(xiǎn)。

前往火星使用的飛行器可以留在軌道上，只需要一個(gè)較小的登陸器便能登陸火星表面并返回。一些設(shè)備、備用品、也許還有探險(xiǎn)駐地都可以通過(guò)無(wú)人載貨飛行送到火星上，并且這些東西根本不必返回。當(dāng)然，現(xiàn)代設(shè)計(jì)朝著集成化、小型化、輕型化方向發(fā)展，并且局部用核燃料作為動(dòng)力，總重量將會(huì)輕得多。

返程時(shí)，總速度變化近似等于出航的速度變化。航天器從火星表面升空，之后必須沿著一條上升橢圓軌道升到繞火星的圓形軌道高度。為了利用火星的自轉(zhuǎn)，航天器將沿著圖7中所示的半個(gè)虛線橢圓軌道飛行。完成這一動(dòng)作所需的速度，包括軌道圓化修正點(diǎn)火，近似等于著陸速度變化。一旦安全進(jìn)入圍繞火星的圓形軌道，探險(xiǎn)者便會(huì)等候飛離的最佳時(shí)機(jī)?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，將航天器送入逃離雙曲線軌道，這個(gè)軌道的形狀和參數(shù)都與捕獲雙曲線軌道相同，只是其方向與之相反。這條逃離雙曲線軌道將把航天器送入返回地球的轉(zhuǎn)移軌道?；鹦窃谄鋱A形軌道上的運(yùn)動(dòng)速度比航天器進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道所需的速度快，因此，當(dāng)航天器進(jìn)入轉(zhuǎn)移橢圓軌道時(shí)，其所在的雙曲線邊，便是反方向阻礙其向前運(yùn)動(dòng)的力臂。然后用航天器的速度減去火星公轉(zhuǎn)速度，便得出航天器進(jìn)入橢圓軌道所需減少的總的速度量。圖8為上升器從火星升空的構(gòu)想圖［5－6］。

早在20世紀(jì)60年代末，人類(lèi)就已實(shí)現(xiàn)登月夢(mèng)想，美國(guó)的阿姆斯特朗借助世界上最龐大的運(yùn)載火箭——土星五號(hào)，順利登陸月球并平安返回。但是，登陸火星返回并非是登陸月球返回那么簡(jiǎn)單。

圖7 飛行器進(jìn)入地球返回轉(zhuǎn)移軌道所需的雙曲線軌道

圖8 上升飛行器從火星升空的設(shè)想圖（著陸器和空燃料貯箱被留在火星上）

當(dāng)年美國(guó)人登陸月球時(shí)，土星五號(hào)地球發(fā)射時(shí)到達(dá)近地軌道的總載荷達(dá)到118t，到達(dá)月球軌道的總載荷達(dá)47 t。地球距離月球僅38萬(wàn)km，但距離火星卻要遙遠(yuǎn)得多，因此人類(lèi)登陸火星進(jìn)行探測(cè)，必須備足糧草和返回地球所需的燃料，這就加重了運(yùn)載火箭啟程時(shí)的負(fù)擔(dān)。返程更難，月球的重力加速度是地球的1／6左右，而火星的重力加速度是地球的1／3左右，假設(shè)依舊借助土星五號(hào)完成整個(gè)行程，從月球上返回克服0.16 g的加速度都需要攜帶47 t的載荷，那么從火星上返回克服0.38 g的加速度，這需要攜帶多大的載荷到達(dá)火星軌道，才能著陸火星表面并克服火星引力返回地球??？！

即使對(duì)美俄這樣擁有火星探測(cè)經(jīng)驗(yàn)、航天實(shí)力領(lǐng)先的國(guó)家來(lái)說(shuō)，近期也沒(méi)有一個(gè)明確的載人登陸火星返回地球的時(shí)刻表。美國(guó)也只是初定計(jì)劃在2030年后將航天員送上火星軌道并返回。要解決引力帶來(lái)的返程難題，可能得依靠多次發(fā)射、軌道對(duì)接以及設(shè)置留軌器等方式來(lái)集合增大能力。攻克推進(jìn)動(dòng)力技術(shù)，或許正是火星載人探測(cè)的關(guān)鍵。

火星著陸返回有待于重型運(yùn)載的研制或者核動(dòng)力燃料才有足夠的動(dòng)力脫離火星的引力返回地球。

3 結(jié)束語(yǔ)

以上對(duì)奔赴火星環(huán)繞、著陸及返回的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了初步分析。我們相信，隨著重型運(yùn)載、空間對(duì)接、高能燃料等技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)將在不久的將來(lái)登上火星。中國(guó)作為負(fù)責(zé)任的航天大國(guó)，隨著國(guó)家綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng)，在不久的將來(lái)將適度開(kāi)展以火星為重點(diǎn)的深空探測(cè)活動(dòng)，中國(guó)人自主深空探測(cè)的足跡必將踏上距離地球約4億km的火星、乃至10億km以遠(yuǎn)的星球，以更好地認(rèn)識(shí)宇宙、服務(wù)地球、造福人類(lèi)［7］。

（2012年1月28日收到）

［1］陳昌亞.火星探測(cè)技術(shù)的發(fā)展 ［J］.科學(xué)，2009，61（5）：16－19.

［2］陳昌亞，方寶東，曹志宇，等.YH－1火星探測(cè)器設(shè)計(jì)及研制進(jìn)展［J］.上海航天，2009，14（3）：21－25.

［3］陳昌亞，候建文，朱光武.螢火一號(hào)探測(cè)器的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)特點(diǎn) ［J］.空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29（5）：456－461.

［4］陳昌亞，等.YH－1火星探測(cè)器的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn) ［C］／／2010.09八院科技委內(nèi)部論文集，2010.

［5］高云國(guó).現(xiàn)代小衛(wèi)星及其相關(guān)技術(shù) ［J］.光學(xué)與精密工程，1999，7（5）：16－21.

［6］林來(lái)興.現(xiàn)代小衛(wèi)星及其關(guān)鍵技術(shù) ［J］.中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，1995，15（4）：37－51.

［7］陳昌亞，等，譯.遠(yuǎn)征火星 ［M］.上海：中國(guó)宇航出版社，2011.