一種火星多模式組合探測任務設想

陳穎,周璐,王立

(錢學森空間技術實驗室,北京100094)

一種火星多模式組合探測任務設想

陳穎,周璐,王立

(錢學森空間技術實驗室,北京100094)

針對火星探測科學發(fā)現(xiàn)及任務創(chuàng)新需求,探索更先進的探測模式,提出了一種火星多模式組合探測任務設想。該任務設想的特點在于結合了軌道環(huán)繞、表面著陸、多點穿透和浮空探測,獲取立體多層多源信息,一次任務實現(xiàn)深度科學探測。對火星開展多模式組合探測,不僅會開拓更加具有優(yōu)勢的火星探測新方式,發(fā)展新的探測能力和技術,也會加深對火星的全面了解,提高探測活動的綜合效果。多模式探測設想不僅適用于火星,對金星、土星等地外天體探測也有很好的支撐作用。

火星探測;多模式;立體組合探測

0 引言

深空探測是一個國家航天技術和空間科學高度發(fā)達的重要標志之一,是綜合國力的具體體現(xiàn)?！皺C遇號”和“勇氣號”[1]第一次實現(xiàn)了在火星不同位置同時進行科學探測,大大加深了對火星環(huán)境的了解;“鳳凰號”[2]第一次實現(xiàn)了在火星高緯度的著陸探測,發(fā)現(xiàn)了存在水的有力證據;“隼鳥號”[3]第一次實現(xiàn)了從小行星上采集到巖石樣本,為日本在國際深空探測領域贏得了一席之地。綜合分析國外深空探測任務,科學發(fā)現(xiàn)的首創(chuàng)性是其影響力大小至關重要的因素,國外每次深空探測任務都有創(chuàng)新,探測方式是任務創(chuàng)新的根本。我國選擇多樣的探測方式是實現(xiàn)創(chuàng)新性的科學任務、得到原創(chuàng)性的科學數(shù)據、提高我國深空探測任務影響力的重要保證。

火星是太陽系中除地球外最可能存在生命的地方,對探索宇宙和生命起源具有重要科學意義。以美國為首的航天大國已實現(xiàn)了飛越、環(huán)繞和著陸3種方式的火星探測,并取得了重大科學發(fā)現(xiàn)。軌道器距離火星表面幾百千米之外,能大范圍觀測火星任意位置,但無法像裝有儀器設備的著陸器一樣貼近地表進行精細探測。而著陸器只能對著陸點附近小范圍區(qū)域進行探測,不具備大范圍探測能力,不利于尋找有價值的新線索。近年,一些科學家提出利用氣球攜帶相應載荷在行星大氣中漂浮觀測[4]。目前,國際上尚未實現(xiàn)3類及以上模式組合探測,未來火星任務必然向立體多維探測方式發(fā)展。

本文針對火星探測科學發(fā)現(xiàn)及任務創(chuàng)新需求,提出了一種結合軌道環(huán)繞、表面著陸、多點穿透以及浮空探測的火星多模式組合全方位立體探測任務模型,具有探測范圍大、立體多層多源信息獲取、一次任務實現(xiàn)深度科學探測等特點,為我國未來深空探測活動提供創(chuàng)新概念和新系統(tǒng)方案儲備。

1 火星多模式探測任務總體設想

為了滿足全方位了解火星環(huán)境和地質結構的需求,本文提出了一種軌道器+浮空器+火星車+穿透器組合探測的火星多模式全方位立體探測任務設想。任務的科學目標具有深空多模式探測特色:結合著陸與浮空組合探測實現(xiàn)火星大氣探測,通過火星車巡游火星表面來探測火星表面不同地點的大氣特性,通過浮空器在空中飛行對火星中層大氣進行連續(xù)觀測,研究火星大氣的結構、成分、氣象和氣候特征及變化規(guī)律,研究火星氣象與氣候的演化歷史及未來變化趨勢;結合穿透與著陸組合探測研究火星生命是否存在,通過在穿透器和火星車上配備生命物質探測儀幫助尋找火星生命存在或曾經存在過的證據;結合環(huán)繞、浮空與著陸組合探測實現(xiàn)火星地形、地貌的精細探測;結合著陸與穿透組合探測實現(xiàn)火星表面淺層結構和地下水冰探測。圖1給出了火星多模式探測示意圖。

任務設計于2024年從海南文昌發(fā)射場發(fā)射,運載火箭采用CZ-5,將探測器送入地火轉移軌道。探測器由軌道器和進入器兩部分組成,其中進入器包含1個浮空器、1個火星車和3個穿透器。圖2為進入器構型圖。探測器經歷地火轉移軌道、火星捕獲軌道、分離軌道,最終實現(xiàn)進入器分離。軌道器負責完成軌道中途修正,在進入火星大氣前為實現(xiàn)精確著陸而進行機動調整,并在分離前負責探測器整體的電源、導航、對地通信和熱控等功能。進入器進入下降軌道后依次釋放穿透器、火星車和浮空器,其中穿透器布撒在100 km×20 km范圍,工作3天;火星車采用緩推火箭著陸并在著陸區(qū)域附近巡游探測,工作1年;浮空器利用火星大氣的浮力在空中1～5 km大氣區(qū)域飛行,工作1周。

圖1 火星多模式探測示意圖Fig.1 Sketch of Mars multi-mode exploration mission

圖2 進入器構型Fig.2 EDM configuration

在探測任務期間,浮空器、火星車、穿透器與軌道器之間建立UHF頻段通信鏈路,多個探測單元間依靠無線通信、圖像信息、高度計信息等組合導航方式實現(xiàn)高精度導航定位。本任務的軌道器可與已經在火星軌道運行的其他軌道器組成火星中繼網絡通過X頻段與地面通信。

整個火星多模式探測任務過程如圖3所示。

2 火星多模式探測任務分析

2.1 進入過程分析

為了保證著陸精度要求,要求飛行過程有一定的機動控制能力,故本任務采用半彈道式進入方式。由軌道器提供進入器變軌的動力,進入器配備發(fā)動機用于調整姿態(tài)和變軌。進入器采用圓臺倒錐體外形,通過質心偏置來產生升力,進入火星大氣后通過調整姿態(tài)來進行機動。為保證降落傘工作的穩(wěn)定性,降落傘設計為具有一定結構透氣量的傘型,采用盤縫帶傘[5]。為了探測器安全,必須減低末段速度,所有探測單元分離都在氣動外形減速和降落傘減速之后。整個進入釋放過程的工作程序如圖4所示。進入器進入下降軌道后打開減速降落傘,拋掉防熱大底,依次釋放穿透器、火星車和浮空器。

圖3 火星多模式探測任務過程Fig.3 Mars multi-mode exploration process

圖4 多模式探測任務進入釋放過程Fig.4 EDL Sequence of Mars multi-mode exploration mission

2.2 浮空任務分析

截至目前,國際上還沒有氣球參與到火星的探測中。本任務設想設計利用浮空器平臺在空中飛行來對著陸區(qū)火星中層大氣進行連續(xù)觀測,研究火星大氣的中層次結構、演化機制及火星氣候,填補軌道器和著陸器探測之間的空白。

火星大氣稀薄,主要成分是CO2,占火星大氣體積95%左右[4,6]?；鹦潜砻娲髿饷芏燃s是地球的1%,大氣壓力不足地球的1%。在0～195 km高度范圍內,大氣密度在0.015～3.8×10—12kg/m3范圍變化,大氣壓力在557.4～2.2×10—7Pa范圍變化。隨著高度升高,大氣密度和大氣壓力均迅速降低。圖5為火星大氣密度、大氣壓力隨高度變化曲線圖。

圖5 火星大氣密度、大氣壓力隨高度的變化Fig.5 Variety of density and atmospheric pressure of Mars along with the altitude

對于火星探測,采用氣球作為探測工具具有很高的難度,面臨的關鍵技術主要有3項:

1)浮空器充氣展開技術。保證整個氣球系統(tǒng)不會撞擊到地面,與降落傘的開傘高度、降落傘的穩(wěn)定時間、氣球的充氣速率有關。

2)火星超壓氣球技術。氣球的蒙皮材料不僅需要承受相應的壓力,保持非常低的泄漏率,還必須足夠輕,才能滿足火星大氣的漂浮條件。

3)探測氣球升降技術。探測氣球升降主要是通過外部綜合熱環(huán)境變化,根據系統(tǒng)總體的浮/重平衡關系,獲得探測氣球的升降狀態(tài)。升降運動過程涉及熱力學、傳熱學、流體力學、飛行力學等多個學科,浮力、壓力、溫度和環(huán)境參數(shù)緊密耦合,過程復雜,實現(xiàn)難度較大。

多模式任務設想中,為了保證足夠的浮力來攜帶有效載荷,所在高度的大氣密度應大于0.01 kg/ m3。由于火星晝夜溫度的變化,浮空器的高度也會變化,為了使浮空器能夠工作較長時間,其工作高度選擇為1～5 km。關于充氣方式,氣瓶充氣由于流量限制,導致充氣時間過長,一般到達100 s以上。多模式任務由于釋放的探測器多,要求充氣時間足夠短,為保證承重更多的載荷,特利用下降速度為浮空器充氣。預計浮空器充氣時的速度為20 m/s,充氣時間為30 s。另外,為保證浮空器的穩(wěn)定飛行,設計采用核電對浮空器的氣體進行加熱。

2.3 著陸任務分析

要成功實施火星著陸任務,選擇一個合適的著陸區(qū)域無疑是關鍵的一環(huán)。目前只有美國的7個探測器成功在火星表面著陸,其中大多數(shù)的著陸點都在火星赤道以北,南半球的著陸點幾乎沒有,這是由于多種限制條件造成的。目前人類已經成功登陸的著陸區(qū)如圖6所示。選擇著陸區(qū)域首先要考慮有利于實現(xiàn)科學探測目標,要求著陸地區(qū)地質現(xiàn)象豐富,盡量是國外沒有探測過或沒有深入探測的區(qū)域,同時要考慮保證著陸器安全著陸在指定位置并正常工作。著陸探測工程上的約束條件主要包括:著陸精度、高度、斜坡、巖石、地表塵土、能源、通信鏈路等。結合火星多模式探測任務情況,選擇了尼洛·悉提斯環(huán)形山為著陸區(qū),選擇特比環(huán)形山和蓋爾環(huán)形山為備用著陸區(qū)。預選的著陸區(qū)位置、海拔及探測目標情況如表1所示[7]。

圖6 人類已經登陸的著陸區(qū)Fig.6 Landing sites that humans landed

本任務設計采用緩推火箭方式進行火星車的著陸,之后進行大范圍的巡視探測。為了能夠對陰暗地區(qū)進行觀測,著陸火星車將配備核電源,擁有長達1年的工作壽命。

表1 多模式探測任務預選的著陸區(qū)Table 1 Landing sites proposed for Mars multi-mode mission

2.4 穿透任務分析

開展火星表面穿透探測,影響任務成敗的關鍵技術主要有如下3個方面:

1)抗高過載結構技術。穿透器的撞擊速度一般約為60～300 m/s,在地質材料中減速所形成的撞擊過載通常大于500 g。穿透器高速撞擊火星表面時,會產生復雜的沖擊載荷和結構響應:火星表面開坑、坑外裂紋、坑下穿洞;穿透器的端頭可能被壓碎,后部彈體也會因彎曲而折斷。為了使穿透器耐沖擊,應選用合適的材料并大力改善結構的動力學性能。大攻角、大傾角和大長徑比都將顯著削弱彈體的承載能力。

2)穿透器分離和觸地時的速度和姿態(tài)控制技術。穿透器在分離后通常采用自旋穩(wěn)定的方式保持軌道和姿態(tài)的穩(wěn)定性,不再具備中途調整的能力,因此對分離前探測器組合體的軌道姿態(tài)以及分離方式等提出了嚴格的要求,以保證分離時穿透器的軌道和姿態(tài)參數(shù)在合理的設計范圍內。

3)信息收集、保存和傳輸技術。火星表面穿透器電子集成系統(tǒng)最重要的工作是進行信息收集和保存,主要由傳感器、專用感應裝置、調理器、多路采集系統(tǒng)、無線編碼器、無線發(fā)射裝置和天線等部件構成。按目前的電子技術這些設備的功能實現(xiàn)不存在任何困難,但如要滿足高過載、惡劣環(huán)境、低能耗、遠地傳送和高可靠性的應用條件則面臨較大的挑戰(zhàn)。

由于尺寸和重量等各方面的限制,穿透器一般采用蓄電池作為主要供電裝置。根據國外深空穿透探測的研究經驗,穿透器的整體構型一般分為整體式和分體式兩種。采用整體式結構時,穿透器撞擊時或者部分穿入地下,或者整體穿入地表淺層。而在分體式結構設計中,穿透器僅是將探測載荷的一部分穿入地表以下,其他部分則留在地面以上,兩者之間通過電纜等形式連接,從而大大簡化了撞擊任務和通信數(shù)傳。

本任務設想中,設計使用多層緩沖隔震及分離天線結構,以解決多點布撒穿透器的減震和通信難題。穿透器進入星體表層以下進行科學探測,壽命3天,通過生命物質探測儀對火星表層的物質進行生命確認,而3個穿透器布撒在不同的區(qū)域形成組網,利用地震波探測儀實現(xiàn)對火星地質內部結構的探測?？紤]未來空間電源的發(fā)展,穿透器能夠工作更長時間,將可以長期監(jiān)測火星地質變化情況。

3 結束語

創(chuàng)新探測任務設計有利于獲得更有價值的科學發(fā)現(xiàn),目前我國開展火星探測可供選擇的探測方式有限,而結合環(huán)繞探測、著陸探測、浮空探測和穿透探測的多模式組合立體探測任務設計將實現(xiàn)我國火星探測方式的創(chuàng)新,提高實現(xiàn)突破性科學發(fā)現(xiàn)的可能性,是一種可行的、效益最大化的探測方式。

火星多模式組合探測是一項全新的深空探測任務模式,任務復雜,技術實施難度較大,創(chuàng)新性強,但目前我國在部分技術領域已具備一定的技術基礎。探月工程的實施為我國深空探測的測控、數(shù)傳、地外天體表面著陸等技術領域積累了寶貴的經驗,為火星多模式探測任務提供了技術支撐。除浮空探測、穿透探測外,國內針對火星著陸探測和環(huán)繞探測的研究相對比較成熟,基本具備集成的基礎。浮空探測和穿透探測實施的技術難度較大,雖已進行了浮空器充氣展開及導航定位、穿透器結構動力學分析等關鍵技術的初步技術方案論證,但在工程化應用方面仍待進一步研究,安全性和可靠性設計將是后續(xù)研究的重點。本任務設想設計于2024年發(fā)射,考慮未來各項關鍵技術的發(fā)展,火星多模式組合探測任務在技術上是可行的。

在我國未來的行星探測活動中,機會有限,多模式組合探測是無疑是極為重要探測方式,開展多模式組合立體探測設計取得的成果不僅適用于火星,對小行星、金星和土星等地外天體探測也將有很好的支撐作用。

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[責任編輯:高莎]

A Conception of Mars Multi-mode Combination Exploration Mission

CHEN Ying,ZHOU Lu,WANG Li
(QIAN Xuesen Laboratory of Space Technology,Beijing 100094,China)

Focusing on the requirements of scientific findings and Mars exploration mission innovations,and exploring advanced exploration modes,a novel scenario of Mars multi-mode combination exploration mission is proposed.Its characteristics rest with the combination of several exploration modes such as orbiting,landing, multi-point penetrating and ballooning,and consequently three-dimensional multi-layer and multi-source information is obtained and scientific exploration is carried out in depth through one mission.Therefore,Mars can be explored in three-dimensional multi-mode combinational ways,which not only develops the capability and technology for exploration activity but also helps to get a good grasp of Mars and heighten a comprehensive effect of exploration activity.The design results of multi-mode combination exploration not only apply to Mars exploration but also help to explore other extraterrestrial bodies such as Venus and Saturn.

Mars exploration;multi-mode;three-dimensional combination exploration

V476.4

:A

:2095-7777(2014)02-0156-05

陳穎(1984—),女,工程師,主要研究方向:深空探測、航天器總體設計。

2014-03-19

2014-03-31

國家863計劃課題(2012AA121601)