日本“拂曉”金星探測器再次嘗試入軌獲得成功

張揚(yáng)眉 （北京空間科技信息研究所）

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日本“拂曉”金星探測器再次嘗試入軌獲得成功

張揚(yáng)眉 （北京空間科技信息研究所）

Japanese Space Probe Akatsuki Successfully Enters Venus Orbit on Second Attempt

2015年12月7日，在繼2010年嘗試進(jìn)入金星軌道失敗后，日本“拂曉”（Akatsuki）金星探測器再次挑戰(zhàn)入軌金星，克服諸多障礙，最終成功進(jìn)入金星軌道，使日本成為亞洲首個探測金星的國家。目前，該探測器在軌運(yùn)行狀態(tài)良好，已發(fā)回多幅金星圖像，并計劃于2016年4月正式開始科學(xué)探測活動。

日本于2010年5月20日從種子島航天中心用H－2A火箭成功發(fā)射其首顆金星探測器 “拂曉”。然而當(dāng)年12月“拂曉”進(jìn)入金星軌道之前，用于減速噴射的主發(fā)動機(jī)發(fā)生故障，導(dǎo)致“拂曉”入軌失敗，不得不進(jìn)入繞太陽運(yùn)行軌道。此次入軌時機(jī)是繼5年前那次飛行入軌時機(jī)之后的一次最佳機(jī)會，也是“拂曉”向金星發(fā)起的最后一次沖刺。

1 “拂曉”概況

“拂曉”探測器立項時定名為行星－C （Planet－C）探測器，也被稱為“金星氣候軌道器”（VCO），項目由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）管理，日本電氣公司為主承包商，三菱重工業(yè)公司為探測器研制主發(fā)動機(jī)。原本預(yù)計發(fā)射后于2010年12月進(jìn)入金星軌道，執(zhí)行為期2年以上的任務(wù)。

探測目標(biāo)

雖然金星在形狀和質(zhì)量等方面都與地球相似，但實際上與地球的差異非常大。金星大氣主要由極度濃密和干燥的二氧化碳組成，金星表面還覆蓋著由二氧化硫和硫酸組成的云層。金星上層大氣存在一種“超旋”現(xiàn)象，在靠近金星表面的區(qū)域，大氣運(yùn)動非常緩慢，而在高層大氣區(qū)域，大氣運(yùn)動極快，云團(tuán)每4個地球日就會環(huán)繞金星快速漂移1周。金星的自轉(zhuǎn)周期為243天，而大氣循環(huán)周期卻只有4天。

“拂曉”探測器的主要目的是研究金星大氣的循環(huán)機(jī)制，尤其是金星上層大氣的“超旋”現(xiàn)象以及金星低層大氣的三維運(yùn)動情況，其次是在“拂曉”向金星巡航的過程中調(diào)查金星表面情況，并測量金星大氣溫度，尋找金星火山活動和雷電活動的證據(jù)。對金星大氣進(jìn)行研究，不僅有助于理解金星的氣象情況，也有助于普遍理解行星流體動力學(xué)，研究地球的起源與演變。

“拂曉”原計劃環(huán)繞金星運(yùn)行，利用多個高精度觀測裝置觀測金星大氣和云的運(yùn)動情況，研究金星是否存在火山活動和雷電現(xiàn)象等。觀測數(shù)據(jù)還將用于地球大氣現(xiàn)象、氣候變化和地球起源等研究。

主要性能參數(shù)

“拂曉”的發(fā)射質(zhì)量為480kg，干質(zhì)量為320kg，有效載荷為34kg，設(shè)計壽命4.5年，任務(wù)期末功率500W。探測器為1.6m×1.6m×1.25m的立方體，上面帶有2個太陽電池翼，每個太陽電池翼面積為1.4m2。當(dāng)探測器在金星軌道運(yùn)行時，太陽電池翼功率為1200W。探測器采用500N的雙組元（肼和四氧化二氮）主發(fā)動機(jī)、12個單組元（肼）姿軌控推力器，其中8個23N推力，4個3N推力。“拂曉”采用動量輪進(jìn)行三軸穩(wěn)定，通過對探測器主體進(jìn)行姿態(tài)控制使探測器上安裝的照相機(jī)指向金星方向。安裝了太陽電池翼的“拂曉”表面總是面向南方或北方，利于輻射冷卻。太陽電池翼能夠沿南－北軸方向旋轉(zhuǎn)，無論探測器主體的方位如何，太陽電池翼能夠受控一直朝向太陽。當(dāng)與地面站進(jìn)行通信時，通過姿態(tài)控制能夠使探測器上的高增益天線陣指向地球。探測器的遙感勘測速率為4kbit/s（1.5AU）、8kbit/s（1.1AU）、16kbit/s（0.7AU）、32kbit/s （0.5AU）。探測器計劃軌道類型為繞金星運(yùn)行的橢圓軌道，近金點300km、遠(yuǎn)金點8×104km，軌道周期30h，軌道傾角172°。

有效載荷

“拂曉”探測器攜帶了6種科學(xué)有效載荷，包括近紅外相機(jī)1（IR1）、近紅外相機(jī)2（IR2）、紫外線成像儀（UVI）、中紅外照相機(jī)（LIR）、雷電和氣輝照相機(jī)（LAC），以及超穩(wěn)定振蕩器（USO）。

“拂曉”探測器的主要有效載荷

續(xù) 表

“拂曉”探測器結(jié)構(gòu)圖

2 首次入軌嘗試故障原因分析

近紅外相機(jī)1在距離金星68000km處獲取的金星圖像

紫外線成像儀在距離金星72000km處拍攝的金星圖像

“拂曉”探測器原計劃在世界標(biāo)準(zhǔn)時間（UTC）2010年12月6日23∶49∶00進(jìn)行軌道控制發(fā)動機(jī)點火，實施金星運(yùn)行軌道插入機(jī)動。預(yù)計持續(xù)點火時間為12min，“拂曉”進(jìn)入環(huán)繞金星軌道，初始軌道遠(yuǎn)金點為1.8×105～2×105km，近金點為550km，軌道周期為4天。

當(dāng)時，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）確認(rèn)“拂曉”準(zhǔn)時開始了軌道插入機(jī)動，但是由于金星遮擋造成一段時間的通信中斷后，與探測器的通信未能按計劃恢復(fù)。由于低增益天線的通信速度較慢，未能立即確定探測器的狀態(tài)。2010年12月8日，JAXA宣布探測器軌道插入機(jī)動失敗，“拂曉”發(fā)動機(jī)點火時間不到3min，遠(yuǎn)短于進(jìn)入金星軌道所需的點火時間。

之后，JAXA成立調(diào)查小組調(diào)查故障原因，發(fā)現(xiàn)可能的故障原因是氦壓縮箱和燃料箱之間的閥門被鹽沉積物阻塞，因此發(fā)動機(jī)產(chǎn)生異常燃燒現(xiàn)象，高燃燒溫度損壞了燃燒艙噴管喉道和噴嘴。

經(jīng)過研究，JAXA決定在2015年12月再次進(jìn)行金星入軌嘗試。從“拂曉”傳回的遙測數(shù)據(jù)看，探測器主發(fā)動機(jī)的噴管喉道仍然密封得較好。2011年9月，JAXA對“拂曉”的主發(fā)動機(jī)進(jìn)行了2次點火測試，但發(fā)現(xiàn)推力只有預(yù)期的10%左右，因此JAXA最后決定放棄使用主發(fā)動機(jī)，轉(zhuǎn)而使用4個用于姿態(tài)控制的推力器進(jìn)行機(jī)動，將探測器直接送入繞金星的軌道。由于推力器不需要氧化劑，因此JAXA于2011年10月將探測器上剩余的65kg氧化劑釋放，以減輕探測器質(zhì)量。

2011年11月，探測器進(jìn)行了3次接近金星的軌道機(jī)動，共獲得243.8m/s的速度增量。由于與主發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的推力相比，姿軌控推力器產(chǎn)生的推力較低，不再可能進(jìn)入之前計劃的低金星軌道。新計劃是將探測器送入遠(yuǎn)金點數(shù)十萬千米、近金點數(shù)千千米的高橢圓軌道。2015年2月，JAXA宣布將于2015年12月再次嘗試進(jìn)入金星軌道。2015年8月，探測器進(jìn)行了最后4次軌道糾正機(jī)動，進(jìn)入金星交會軌道。

2015年12月7日，“拂曉”上的4個姿軌控推力器點火20min，將“拂曉”成功送入金星軌道。12月9日，JAXA確認(rèn)“拂曉”進(jìn)入了遠(yuǎn)金點4.4×105km、近金點400km的軌道，軌道周期為13天14小時，“拂曉”飛行方向與金星自轉(zhuǎn)方向相同。JAXA宣布收到來自紫外線成像儀、中紅外照相機(jī)和近紅外相機(jī)1的圖像，其余3臺儀器的狀態(tài)也在進(jìn)一步確認(rèn)中?！胺鲿浴睂⒂?016年3月26日再次進(jìn)行軌道機(jī)動，并將軌道周期縮短為約9天。2016年4月開始，“拂曉”將進(jìn)入為期2年的科學(xué)探測階段。

日本媒體在“拂曉”探測器入軌之前報道稱，“拂曉”此次成功進(jìn)入金星軌道，需要克服三大障礙：一是能否實現(xiàn)入軌，關(guān)鍵在于能否實現(xiàn)所需要的減速；二是超出壽命的探測器能否良好運(yùn)行；三是能否充分完成既定的觀測任務(wù)。由于主發(fā)動機(jī)存在故障，所以需要用4臺姿軌控推力器同時進(jìn)行逆向噴射，而且需要讓通常只噴射1s以內(nèi)的推力器連續(xù)噴射約20min。如此一來，剩余燃料也將基本耗盡，所以JAXA稱，“這將是最后一次入軌挑戰(zhàn)”。目前探測器已經(jīng)超出4.5年的設(shè)計壽命，而且探測器入軌金星失敗后的運(yùn)行軌道距太陽比原計劃近了0.6AU，經(jīng)歷的實際溫度比設(shè)計參數(shù)高了30～40℃，部分元器件溫度已經(jīng)上升至約140℃，超出了設(shè)計預(yù)期。為了降低由此所帶來的影響，只能將探測器的耐熱面向著太陽。此外，探測器繞金星運(yùn)行的軌道比原計劃高，因此多數(shù)時間只能從遙遠(yuǎn)的位置進(jìn)行觀測，能在多大程度上完成預(yù)期觀測還無法確定。

3 成功進(jìn)入金星軌道的意義

日本實現(xiàn)金星探測亞洲第一

截至目前，日本共實施8次深空探測任務(wù)，其中彗星探測2次，月球探測2次，小行星探測2次，火星探測1次（失?。?，金星探測1次。此次“拂曉”探測器的成功入軌，使得日本第一次成功實現(xiàn)行星探測，使日本成為全球第四個、亞洲第一個成功實現(xiàn)金星探測國家，也是繼日本“隼鳥”（Hayabusa）小行星探測器克服諸多困難、將小行星樣本帶回地球后，日本空間探測的又一壯舉。

成為目前唯一運(yùn)行的金星探測器

20世紀(jì)90年代以來，全球共發(fā)射2次金星探測任務(wù)，即歐洲的“金星快車”（Venus Express）和日本的“拂曉”，“金星快車”已于2014年12月結(jié)束了探測任務(wù)，之后墜入金星大氣層。因此，目前“拂曉”是環(huán)繞金星的唯一人造探測器，同時也是亞洲的第一顆金星人造衛(wèi)星，其最新的觀測數(shù)據(jù)可擴(kuò)展并補(bǔ)充歐洲“金星快車”獲得的數(shù)據(jù)，具有重大的科學(xué)意義。

此外，在首次入軌失敗后、繞太陽運(yùn)行的5年時間里，“拂曉”探測器也開展了少量的科學(xué)探測工作，其中包括通過太陽日冕向地球傳送無線電信號以觀察太陽外層大氣將如何對無線電波產(chǎn)生影響等，取得了一定的探測成果。

繼“隼鳥”后再次成功實施“二次營救”

日本似乎有“二次營救”空間探測器的“傳統(tǒng)”，其“隼鳥”探測器也經(jīng)歷了一波三折的著陸、采樣與返回過程，包括3臺姿控飛輪中的2臺失效、化學(xué)推力器因燃料泄漏無法使用、4臺離子推力器中先后有3臺發(fā)生故障等，最終工程團(tuán)隊仍然克服重重障礙，使探測器成功返回地球。此次“拂曉”探測器也經(jīng)歷了首次入軌失敗的挫折，但最終仍然入軌成功，反映出項目相關(guān)工程團(tuán)隊臨危不亂的高抗壓能力和高超卓越的工程技術(shù)水平，并通過探測器故障的解決過程，為日本今后的空間探測項目實踐積累了豐富的工程經(jīng)驗。