未來(lái)的火星飛機(jī)—美國(guó)新型火星大氣層進(jìn)入探測(cè)器概念研究

王燕（上海航天技術(shù)基礎(chǔ)研究所）

未來(lái)的火星飛機(jī)—美國(guó)新型火星大氣層進(jìn)入探測(cè)器概念研究

王燕（上海航天技術(shù)基礎(chǔ)研究所）

在美國(guó)航空航天局（NASA）先進(jìn)概念研究機(jī)構(gòu)（NIAC）的支持下，有關(guān)專家正開(kāi)展一項(xiàng)新型火星大氣層進(jìn)入探測(cè)器的概念研究。這種探測(cè)器類似于飛機(jī)，被命名為“代達(dá)利翁”（Daedalon），以古希臘傳統(tǒng)神化人物名字命名。它是一種可改變飛行翼的無(wú)人駕駛飛機(jī)，造價(jià)僅需2.24億美元，可以滿足2020－2040年發(fā)射窗口任務(wù)。

這種無(wú)人飛機(jī)探測(cè)技術(shù)較之傳統(tǒng)的著陸器和漫游車的現(xiàn)場(chǎng)勘查技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。首先，探測(cè)范圍得以擴(kuò)大。漫游車可對(duì)行星有限的區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查，而這種有動(dòng)力的飛行器可全星球飛行，進(jìn)行高分辨率可見(jiàn)光、紅外、熱、磁和中子等測(cè)繪。其次，著陸更加安全。這種飛行器可以現(xiàn)場(chǎng)勘查后，選擇最佳著陸區(qū)域著陸。此外，還可以對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行超高分辨率成像，并將數(shù)據(jù)傳送給主著陸器。

1 任務(wù)概述

在發(fā)射后的地球-火星（簡(jiǎn)稱地火）巡航期間，由巡航級(jí)向“代達(dá)利翁”提供通信、電源，并進(jìn)行軌道修正。“代達(dá)利翁”采用的是直接進(jìn)入火星的方式，在進(jìn)入火星大氣層5.5h之前，巡航級(jí)對(duì)著陸器加電，并從巡航級(jí)脫離。在進(jìn)入火星大氣層最密集的階段，“代達(dá)利翁”拋掉防熱大底，帶著熱防護(hù)罩高速滑翔進(jìn)入火星大氣層。飛行階段飛機(jī)翼需要變形，速度可以降到Ma為0.7，飛行高度500m。在整個(gè)飛行期間，“代達(dá)利翁”還要考察著陸點(diǎn)的情況，尋找最佳著陸區(qū)域。從防熱大底拋棄到著陸，“代達(dá)利翁”可持續(xù)飛行670km，完全能夠滿足繞160km的隕石坑飛行（如古謝夫隕石坑）。如果找到理想的著陸點(diǎn)，剩余推進(jìn)劑還能穿越隕石坑。準(zhǔn)備著陸期間，“代達(dá)利翁”可以在10m高度處飛行，2個(gè)下降助推 器幫助其輪子平穩(wěn)著陸。著陸后，“代達(dá)利翁”展開(kāi)2個(gè)太陽(yáng)電池翼，并激活有效載荷。“代達(dá)利翁”還具備在火星表面巡視的能力，開(kāi)展與類似火星車的巡視任務(wù)。

“代達(dá)利翁”火星飛機(jī)進(jìn)入火星大氣層示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“代達(dá)利翁”火星飛機(jī)概念設(shè)計(jì)包括5個(gè)部分：有效載荷、著陸器、熱防護(hù)系統(tǒng)、巡航級(jí)和運(yùn)載火箭。其中，有效載荷和熱防護(hù)系統(tǒng)參考傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文將重點(diǎn)介紹著陸器的設(shè)計(jì)。

有效載荷

“代達(dá)利翁”設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)特的有效載荷艙，目的是為了容納更多的有效載荷。在最初的設(shè)計(jì)中，“代達(dá)利翁”無(wú)法滿足美國(guó)第二代火星車“火星探測(cè)漫游者”（MER）的容量。然而，由于“代達(dá)利翁”任務(wù)不需要搭載可巡視的火星車，因?yàn)橹懫鞅旧砭涂梢匝惨暎虼酥恍铦M足任務(wù)需要的硬件即可?！按_(dá)利翁”有效載荷只需和早期任務(wù)火星車上的有效載荷進(jìn)行比較?！盎鹦翘綔y(cè)漫游者”有效載荷質(zhì)量7.9kg，平均工作功耗為32W。美國(guó)第一代火星車“索杰納”（Sojourner）有效載荷質(zhì)量1.4kg，平均工作功耗為2W?！八鹘芗{”質(zhì)量10kg，輸出功率為16W?！按_(dá)利翁”火星飛機(jī)可以容納“索杰納”量級(jí)的火星車。

“代達(dá)利翁”火星飛機(jī)與“索杰納”、“火星探測(cè)漫游者” 火星車有效載荷的功耗和質(zhì)量對(duì)比

“代達(dá)利翁”火星飛機(jī)（左）與“索杰納”火星車尺寸對(duì)比

（1）總體指標(biāo)

著陸器總質(zhì)量250.4kg，其中干質(zhì)量138kg，推進(jìn)劑101kg，有效載荷12kg。飛行期間峰值功耗226W，火星夜晚和地火巡航期間平均功耗30W。

“代達(dá)利翁”著陸器質(zhì)量分布表

“代達(dá)利翁”火星飛機(jī)的尺寸

（2）推進(jìn)系統(tǒng)

著陸器的推進(jìn)系統(tǒng)包括兩部分：巡航推進(jìn)系統(tǒng)和下降推進(jìn)系統(tǒng)。推進(jìn)系統(tǒng)干質(zhì)量12.5kg，推進(jìn)劑100.6kg。點(diǎn)火時(shí)每個(gè)助推器的功耗大約5W。

巡航推進(jìn)系統(tǒng)有2個(gè)36N助推器，比沖235s，分別位于飛機(jī)的兩側(cè)。在54min的低速巡航階段，著陸器約消耗90.7kg的單組元推進(jìn)劑。助推器的選擇參考了飛行器穩(wěn)定阻力狀態(tài)下的推力參數(shù)，阻力的估算參考了美國(guó)航空航天局現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的升阻比和升力系數(shù)曲線。在相同的試驗(yàn)條件下，升阻比為14.6，假設(shè)穩(wěn)定狀態(tài)下飛行，飛行器阻力為64N，因此可選用2個(gè)36N的助推器。

下降推進(jìn)系統(tǒng)包括2個(gè)安裝在底部的助推器，在飛行器準(zhǔn)備著陸時(shí)的最后飛行幾秒鐘點(diǎn)火。這2個(gè)比沖235s、444N的助推器，使用0.2kg的單組元推進(jìn)劑，可在火星表面軟著陸。攜帶的燃料可產(chǎn)生8.6m/s的速度增量，可滿足飛行器從10m高度安全著陸。

巡航推進(jìn)系統(tǒng)和下降推進(jìn)系統(tǒng)都使用相同的組件，包括推進(jìn)劑貯箱和增壓貯箱。

“代達(dá)利翁”火星飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)

（3）電源系統(tǒng)

“代達(dá)利翁”的著陸器主要依靠太陽(yáng)電池翼供電。在整個(gè)飛行階段，著陸器需要更多的電源，單靠太陽(yáng)電池翼無(wú)法滿足。此外，著陸器還必須在火星夜晚維持一定水平的電源。為了滿足這些需求，著陸器的電源系統(tǒng)包括670Whr的NiH2電池。電源系統(tǒng)的最終部件包括電源控制單元、轉(zhuǎn)換器和電纜。

電源系統(tǒng)的質(zhì)量分布較散，質(zhì)量估算很困難，因此將該系統(tǒng)分成了4種模式：休眠模式、進(jìn)入前模式、飛行模式和飛行后模式。休眠模式要維持在火星夜晚期間和地火巡航期間的電源供給；進(jìn)入前模式是防熱大底從巡航級(jí)拋掉開(kāi)始，直至進(jìn)入火星大氣層的5.5h；飛行模式是指低速飛行期間；而飛行后模式是指著陸后表面操作階段。

著陸器的電源系統(tǒng)總質(zhì)量47.9kg。在巡航期間和火星夜晚工作期間，還需要借助儲(chǔ)能電池，電池可提供670Whr的電源。太陽(yáng)電池翼的尺寸是按照飛行后模式來(lái)計(jì)算的。根據(jù)CAD模型，1.5m2的太陽(yáng)電池翼可以安裝在“代達(dá)利翁”機(jī)身軸上。此外，還有2個(gè)0.5m2的太陽(yáng)電池翼在著陸時(shí)會(huì)展開(kāi)。太陽(yáng)電池陣貼有15%效能的砷化鎵（GaAs）電池。太陽(yáng)電池翼對(duì)于飛行模式下的供電起到了很大作用，大大減少了電源系統(tǒng)的質(zhì)量。

（4）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是“代達(dá)利翁”著陸器非常具有特色的系統(tǒng)，包括變形翼、垂直尾翼、機(jī)身、推進(jìn)劑吊艙、著陸變速機(jī)構(gòu)、著陸變速輪電機(jī)、變形翼和著陸變速機(jī)構(gòu)的增壓貯箱。

著陸器變形翼的外形設(shè)計(jì)是最具挑戰(zhàn)性的。變形翼的大小與3個(gè)參數(shù)有關(guān)：翼展、高速飛行和低速飛行。高速/低速狀態(tài)下的升力系數(shù)和飛行速度的估算基于之前火星飛機(jī)的相關(guān)文件。在綜合考慮火星大氣密度和飛行器質(zhì)量的情況下，這些數(shù)據(jù)可以算出俯視面積。由于翼展跨度大，變形翼的基本結(jié)構(gòu)質(zhì)量要采取低速飛行的構(gòu)型，大約為4.66kg。

佐治亞州空間技術(shù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了變形翼的構(gòu)型，采取了增壓艙、套疊和旋轉(zhuǎn)翼梁的設(shè)計(jì)方案。在這種設(shè)計(jì)方案中，通過(guò)操縱具有旋轉(zhuǎn)和套疊能力的變形翼梁達(dá)到變形目的。

變形翼本身沒(méi)有骨架，但有一個(gè)可與翼梁套疊的骨架。翼梁系統(tǒng)由6個(gè)旋轉(zhuǎn)翼梁組成，2個(gè)翼梁沿縱軸方向，4個(gè)較小的翼梁從探測(cè)器方向向下伸展，支撐變形翼。變形翼的構(gòu)型包括主結(jié)構(gòu)，此外還有致動(dòng)器、變形翼梁，以及增壓艙和氦氣艙。變形翼的功率很小，飛行狀態(tài)時(shí)只需7W。

“代達(dá)利翁”的著陸器電源模式

變形翼的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素

結(jié)構(gòu)部分還包括起落架、輪子和撐架。起落架的質(zhì)量約為2.1kg。此外，還有0.2kg的增壓艙和著陸前充氣的氦氣，巡視用的電機(jī)質(zhì)量6.7kg。3個(gè)電機(jī)可以提供37.3Nm的扭矩，相當(dāng)于直徑為0.37m的車輪可以越過(guò)0.09m的障礙物，移動(dòng)時(shí)電機(jī)功率為18W。結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)系統(tǒng)總質(zhì)量為33.8kg。

（5）其他

制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)包括慣性測(cè)量單元（IMU）、雷達(dá)設(shè)備、飛行敏感器、陀螺和2臺(tái)導(dǎo)航相機(jī)。指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的導(dǎo)航設(shè)備，但計(jì)算機(jī)設(shè)備的質(zhì)量不屬于制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)。制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)質(zhì)量3.6kg，休眠模式時(shí)，該系統(tǒng)設(shè)備全部關(guān)閉?！按_(dá)利翁”著陸器在與巡航級(jí)分離后，其上的慣性測(cè)量單元、敏感器、陀螺開(kāi)始加電；飛行期間，所有設(shè)備全部正常運(yùn)行。著陸后模式中，雷達(dá)關(guān)閉。

指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（C&DH）包括星上計(jì)算機(jī)，該系統(tǒng)質(zhì)量3.2kg，峰值功率20W。休眠狀態(tài)期間，保持正常功能情況下，需要40%的電功率。

通信系統(tǒng)使用的是512kbit/s特高頻（UHF）的信道與在軌中繼衛(wèi)星通信。飛行期間，該衛(wèi)星是其巡航級(jí)。隨著巡航級(jí)進(jìn)入自由飛行軌道，著陸器就得依靠這顆中繼衛(wèi)星與地球保持通信。星上設(shè)備（包括星上應(yīng)答機(jī)、功率放大器、雙工器、鞭狀天線、電纜等）總質(zhì)量4.3kg。

高速和低速飛行狀態(tài)下的變形翼構(gòu)型

著陸器的發(fā)射功率為2.8W，“代達(dá)利翁”與中繼衛(wèi)星之間的信噪比為11.8dB。飛行期間和著陸期間，通信系統(tǒng)將使用峰值功率。在休眠狀態(tài)和進(jìn)入后狀態(tài)，通信系統(tǒng)關(guān)閉。

“代達(dá)利翁”的熱控系統(tǒng)將在整個(gè)任務(wù)期間為飛行器提供適當(dāng)?shù)臏囟?，熱控系統(tǒng)5.0kg，功耗約為4.3W。

防熱系統(tǒng)

在“代達(dá)利翁”的著陸器與巡航級(jí)分離之前，熱防護(hù)系統(tǒng)承擔(dān)了著陸器與巡航級(jí)之間的通信任務(wù)。后防熱罩繼承了傳統(tǒng)的火星探測(cè)器防熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如“火星探路者”（MPF）、“火星探測(cè)漫游者”以及“經(jīng)濟(jì)可承受快速響應(yīng)航天運(yùn)輸系統(tǒng)”（ARES）計(jì)劃。這使得“代達(dá)利翁”防熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加容易，其進(jìn)入時(shí)防熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)直徑為2.65m，質(zhì)量250kg（包括25%的邊界余量）。絕熱層安裝在變形翼底部，在進(jìn)入時(shí)被拋棄，變形翼改變成高速飛行狀態(tài)下的構(gòu)型。絕熱層面積約6.1m2，質(zhì)量31kg。

巡航級(jí)

巡航級(jí)的功能是為“代達(dá)利翁”在地火巡航段提供電源、通信和軌道修正的能力。巡航級(jí)在進(jìn)入行星轉(zhuǎn)移軌道后，額定功耗367W，在此之前最低功耗為232W。巡航級(jí)直徑2.65m，與防熱系統(tǒng)垂直。

巡航級(jí)包括推進(jìn)系統(tǒng)，電源系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)，指令與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，熱控系統(tǒng)。在行星轉(zhuǎn)移階段，巡航級(jí)額定功耗367W，發(fā)射階段功耗232W，直徑2.65m。巡航級(jí)干質(zhì)量291kg（包括25%邊界余量），推進(jìn)劑55kg，有效載荷549kg，整個(gè)系統(tǒng)896kg。

3 結(jié)束語(yǔ)

“代達(dá)利翁”火星飛機(jī)是美國(guó)航空航天局一種新型的火星可變形的無(wú)人駕駛大氣層進(jìn)入探測(cè)器。這項(xiàng)概念的新穎性并不僅僅在于其獨(dú)特的變形翼技術(shù)，更重要的是它是一種可用于行星探測(cè)的飛行器。這種類型的飛行器具有相當(dāng)靈活的操縱性能，可滿足進(jìn)入、飛行、著陸和巡視等功能。由于同時(shí)具備飛行和著陸的能力，因此能夠在飛行過(guò)程中選擇理想的著陸點(diǎn)。使用變形翼技術(shù)的目的在于使得進(jìn)入時(shí)具有飛行的功能，同時(shí)增強(qiáng)其氣動(dòng)性能?！按_(dá)利翁”不僅技術(shù)可行，而且成本低廉，美國(guó)航空航天局已經(jīng)將其選為未來(lái)火星探測(cè)可行的技術(shù)方案。