一種火星多任務(wù)探測(cè)器系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)

劉華偉，田百義，呼延奇，李偉杰

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引 言

國(guó)外火星探測(cè)已經(jīng)歷半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展[1]，開(kāi)展火星探測(cè)和研究，對(duì)于認(rèn)識(shí)人類居住的地球環(huán)境，特別是認(rèn)識(shí)地球的長(zhǎng)期演化過(guò)程，具有非常重要的科學(xué)意義。根據(jù)火星及其他深空探測(cè)任務(wù)經(jīng)驗(yàn)，人類開(kāi)展火星探測(cè)的主要科學(xué)目標(biāo)包括[2-6]：尋找生命存在痕跡；了解火星上水的存在及消失的過(guò)程；了解火星大氣和氣候的演化過(guò)程；了解火星物理場(chǎng)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變；掌握火星的地貌和地質(zhì)特征。

國(guó)外已成功開(kāi)展的火星環(huán)繞探測(cè)任務(wù)包括早期的水手3 號(hào)、水手4 號(hào)、水手9 號(hào)、火星全球勘探者、火星探路者、火星奧德賽軌道器、歐洲“火星快車”、火星勘測(cè)軌道器，以及后來(lái)的火星大氣與揮發(fā)物演化軌道器等。上述任務(wù)的順利實(shí)施為火星著陸探測(cè)提供了必要的火星大氣、地形地貌等空間環(huán)境數(shù)據(jù)支撐，如典型火星著陸探測(cè)任務(wù)海盜號(hào)、勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)、鳳凰號(hào)、好奇號(hào)、洞察號(hào)等。2021年5月15日，天問(wèn)一號(hào)“祝融號(hào)”火星車成功著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)。中國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)著陸火星取得圓滿成功，成為繼美國(guó)后，第二個(gè)成功著陸在火星上的國(guó)家。

目前，火星探測(cè)任務(wù)普遍相對(duì)單一，主要針對(duì)軌道空間及著陸巡視進(jìn)行既定的、相對(duì)有限的探測(cè)任務(wù)進(jìn)行開(kāi)展。隨著在軌組裝與服務(wù)技術(shù)發(fā)展，未來(lái)通過(guò)大型探測(cè)器系統(tǒng)對(duì)火星及其他深空領(lǐng)域進(jìn)行探測(cè)將逐漸成為可能。例如，美國(guó)已提出深空關(guān)口站、大型火星探測(cè)轉(zhuǎn)移飛行器、布置于SEL2 的超大型空間望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)構(gòu)建及其在軌服務(wù)任務(wù)設(shè)想等。統(tǒng)計(jì)和研究發(fā)現(xiàn)[7]，國(guó)內(nèi)外關(guān)于在軌組裝、在軌服務(wù)的系統(tǒng)級(jí)航天器任務(wù)，包括已成功實(shí)施的和其他公開(kāi)報(bào)道的，已經(jīng)超過(guò)130 個(gè)。且隨著空間機(jī)器人和航天器工程技術(shù)的飛速發(fā)展，這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展將日趨受到關(guān)注。

在地火轉(zhuǎn)移策略研究方面，從地球到火星的飛行方式包括脈沖轉(zhuǎn)移和小推力轉(zhuǎn)移等，其中最常采用的方式是脈沖轉(zhuǎn)移[8]，并在已經(jīng)實(shí)施的火星探測(cè)任務(wù)中廣泛采用。近年來(lái)，隨著以電推進(jìn)、太陽(yáng)帆等為代表的小推力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，小推力推進(jìn)以其高比沖、低燃耗的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為深空探測(cè)任務(wù)的首選推進(jìn)方式[9]。

在前期研究的基礎(chǔ)上[10]，本文進(jìn)一步論證火星探測(cè)的必要性，分析研究火星探測(cè)的任務(wù)序列，確定火星多任務(wù)探測(cè)器的功能體系，提出火星多任務(wù)探測(cè)器概念設(shè)計(jì)和任務(wù)實(shí)施設(shè)想，并分析其關(guān)鍵技術(shù)體系，為后續(xù)相關(guān)研究做好支撐，也為我國(guó)火星及深空探測(cè)器任務(wù)規(guī)劃提供參考。

2 多任務(wù)探測(cè)設(shè)想

通過(guò)對(duì)國(guó)外已成功實(shí)施的火星探測(cè)任務(wù)的調(diào)研分析（如表1 所示）可以看出，探測(cè)任務(wù)主要包括火星表面形貌、大氣成分、射線、離子體、磁場(chǎng)等火星空間環(huán)境探測(cè)。探測(cè)器的軌道設(shè)計(jì)主要包括：飛越探測(cè)、環(huán)火探測(cè)，以及正圓形約400 km高、大橢圓軌道近火500 km/遠(yuǎn)火80000 km 等，這些軌道都是針對(duì)特定的火星空間環(huán)境探測(cè)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。同時(shí)，由于火星探測(cè)的長(zhǎng)距離通信難題，使得有些火星探測(cè)器還兼顧與地球數(shù)據(jù)中繼的任務(wù)，比如火星奧德賽探測(cè)器。此外，火星空間環(huán)境探測(cè)的有效載荷主要包括以下幾類[11-12]。

表1 國(guó)外已成功實(shí)施的火星空間環(huán)境典型探測(cè)任務(wù)Table 1 Typical missions to the Martian space environment successfully carried out abroad

（1）成像探測(cè)：火星彩色相機(jī)、雷達(dá)、高分辨率成像儀、熱紅外成像光譜儀、小型勘測(cè)成像光譜儀等；

（2）大氣探測(cè)：氣候探測(cè)儀、火星外層大氣中性成分分析儀、火星甲烷探測(cè)器、離子體探測(cè)包、萊曼-阿爾法光度計(jì)、電子反射計(jì)等；

（3）射線探測(cè)：射線譜儀、發(fā)射頻譜儀、輻射測(cè)試儀、紫外穩(wěn)定振蕩器、高能中子探測(cè)器等；

（4）磁場(chǎng)探測(cè)：磁強(qiáng)計(jì)等；

（5）高度探測(cè)：激光高度計(jì)等。

受限于運(yùn)載，火星探測(cè)器一般僅配置有限幾種有效載荷，對(duì)火星大氣或星表進(jìn)行探測(cè)，難以實(shí)現(xiàn)火星的全面探測(cè)。本文在在軌組裝的基礎(chǔ)上，開(kāi)展多任務(wù)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高火星探測(cè)任務(wù)的系統(tǒng)效能。在陸空協(xié)同情況下[13]，考慮火星環(huán)繞、著陸、采樣等任務(wù)過(guò)程，火星多任務(wù)探測(cè)器系統(tǒng)的任務(wù)序列設(shè)想主要包括：

（1）兼顧地火數(shù)據(jù)中繼：通過(guò)中繼星多星系統(tǒng)配置，建立火星與地球間的中繼數(shù)據(jù)傳輸鏈路，為安全高效地實(shí)施火星多任務(wù)探測(cè)提供全天時(shí)數(shù)據(jù)鏈路保障；

（2）火星表面詳查：通過(guò)配置相應(yīng)數(shù)量的遙感探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)火星表面的全球覆蓋，繪制詳實(shí)的火星表面形貌圖，也可為后續(xù)火星表面著陸探測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐；

（3）火星空間環(huán)境詳查：主要是火星大氣環(huán)境的詳查，通過(guò)配置相應(yīng)探測(cè)器，獲取不同高度火星大氣環(huán)境的立體數(shù)據(jù)，建立豐富的火星大氣環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，為更安全更合理的火星EDL（進(jìn)入、減速和著陸）探測(cè)任務(wù)規(guī)劃與實(shí)施奠定重要基礎(chǔ)；

（4）火星表面探測(cè)：通過(guò)著陸巡視器著陸至火星表面并進(jìn)行巡視探測(cè)，獲取火星表面的探測(cè)數(shù)據(jù)，可按任務(wù)配置對(duì)火星表面樣品及一定深度的土壤、巖石等進(jìn)行特性研究。

3 探測(cè)器組成與功能定義

隨著智能自主在軌組裝技術(shù)的發(fā)展[14]，模塊化航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平逐漸提高[15]。根據(jù)上述火星探測(cè)任務(wù)分析研究，結(jié)合前期基于模塊化在軌組裝與維護(hù)技術(shù)所構(gòu)建的火星多任務(wù)探測(cè)器系統(tǒng)設(shè)想[10]，火星多任務(wù)探測(cè)器可以配置多種類型， 分批發(fā)射并在近地軌道在軌組裝[16]。整個(gè)探測(cè)器系統(tǒng)除包含上述著陸巡視探測(cè)器、全球遙感探測(cè)器、大氣詳查探測(cè)器、數(shù)據(jù)中繼星之外，還包括母體飛行器以及軌道轉(zhuǎn)移飛行器，初步構(gòu)型設(shè)想如圖1 所示。軌道轉(zhuǎn)移飛行器位于組合體最下端，為不同階段組合體及各類探測(cè)器的軌道轉(zhuǎn)移提供動(dòng)力，母體飛行器為組合體的組裝與轉(zhuǎn)移等提供基本基體，其上配置大型柔性太陽(yáng)翼、可展開(kāi)輻射器、可移動(dòng)操作機(jī)器人等模塊，解決大型系統(tǒng)供電、熱控和組裝操作等問(wèn)題。母體飛行器上端配置擴(kuò)展桁架，擴(kuò)展桁架側(cè)面可安裝多類探測(cè)器、敏感器等，如全球遙感探測(cè)器、大氣詳查探測(cè)器、數(shù)據(jù)中繼星等，組合體最上端安裝著陸巡視器，可在火星表面著陸執(zhí)行星表巡視探測(cè)任務(wù)。各類探測(cè)器的具體功能詳見(jiàn)表2。通過(guò)各類飛行器任務(wù)實(shí)施及按需接受服務(wù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的火星探測(cè)任務(wù)。

表2 火星多任務(wù)探測(cè)器系統(tǒng)組成、功能定義及配置數(shù)量Table 2 System composition, function definition and configurations of Mars multi-mission

圖1 火星多任務(wù)探測(cè)器（組合體）基本構(gòu)型設(shè)想及其組成Fig.1 Basic configuration and composition of the Mars multi-mission probe (combination)

4 探測(cè)器飛行任務(wù)軌道分析

4.1 地火轉(zhuǎn)移策略

火星多任務(wù)探測(cè)器系統(tǒng)有別于一般的火星探測(cè)任務(wù)，該系統(tǒng)由母體飛行器、軌道運(yùn)輸飛行器和多個(gè)不同的任務(wù)探測(cè)器組合而成，系統(tǒng)總質(zhì)量將達(dá)數(shù)十噸的規(guī)模。文獻(xiàn)[10]對(duì)該系統(tǒng)用于地火轉(zhuǎn)移的推進(jìn)提出了初步的需求。本文主要瞄向未來(lái)火星在軌服務(wù)為目標(biāo)，根據(jù)相關(guān)研究報(bào)道[17-20]，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期、火星多任務(wù)探測(cè)，采用小推力轉(zhuǎn)移策略是本項(xiàng)工作的優(yōu)選方案，本文重點(diǎn)開(kāi)展小推力飛行軌道的優(yōu)化設(shè)計(jì)。以衛(wèi)星總質(zhì)量10 t 為例，地火轉(zhuǎn)移階段分別采用100 kW 和200 kW 推力器，則探測(cè)器由地球飛往火星的星際轉(zhuǎn)移段燃料和時(shí)間需求見(jiàn)表3。探測(cè)器地火轉(zhuǎn)移階段的燃料消耗隨推力器功率的增大而減?。话l(fā)動(dòng)機(jī)比沖越大，對(duì)應(yīng)所需的燃料也越少。例如，200 kW 的2 N 推力器完成星際轉(zhuǎn)移所需燃料最少，約0.62 t，探測(cè)器到達(dá)火星時(shí)的剩余質(zhì)量為9.38 t，整個(gè)星際飛行時(shí)間約852 天。地火轉(zhuǎn)移軌道示意圖如圖2 所示。

圖2 地火轉(zhuǎn)移軌道示意圖Fig.2 Schematic diagram of transfer track from earth to Mars

表3 地火轉(zhuǎn)移方案Table 3 Transfer program from earth to Mars

4.2 火星捕獲及軌道間轉(zhuǎn)移任務(wù)

4.2.1 環(huán)火軌道選擇

一般地，環(huán)火軌道可以選擇極軌圓軌道、凍結(jié)大橢圓軌道、火星傾斜同步軌道、靜止軌道等。除了靜止軌道，其余軌道均存在傾角，火星的非球形攝動(dòng)將造成軌道升交點(diǎn)赤經(jīng)的進(jìn)動(dòng)。這一特點(diǎn)將造成探測(cè)器向其他軌道轉(zhuǎn)移時(shí)，除進(jìn)行傾角調(diào)整外，還需進(jìn)行升交點(diǎn)赤經(jīng)的調(diào)整，這對(duì)系統(tǒng)的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)不利。此外，從火星捕獲的速度增量需求角度考慮，探測(cè)器進(jìn)入火星引力范圍時(shí)的到達(dá)C3為零，環(huán)火軌道傾角等參數(shù)在到達(dá)火星引力范圍附近即可達(dá)到目標(biāo)值，無(wú)須額外的變軌。不妨取探測(cè)器始終沿速度反向進(jìn)行減速，則探測(cè)器所需的速度增量?jī)H與目標(biāo)環(huán)火軌道的半長(zhǎng)軸相關(guān)。因此，選擇不同類型軌道對(duì)火星捕獲的速度增量影響較小。為便于母體飛行器釋放各任務(wù)探測(cè)器，同時(shí)減小軌道攝動(dòng)對(duì)環(huán)火軌道的影響，初步設(shè)計(jì)母體飛行器的軌道為火星靜止軌道?；鹦庆o止軌道參數(shù)如下：

（1）軌道半長(zhǎng)軸：20427.71 km；

（2）軌道高度：17030.71 km；

（3）偏心：0；

（4）傾角：0；

（5）軌道周期：24.623 h。

4.2.2 火星捕獲策略

探測(cè)器由星際空間進(jìn)入火星引力范圍，根據(jù)地火轉(zhuǎn)移策略的設(shè)計(jì)結(jié)果，探測(cè)器到達(dá)火星的C3能量為零，探測(cè)器依靠電推力器工作逐漸進(jìn)入目標(biāo)環(huán)火軌道。由于火星捕獲是火星逃逸的逆過(guò)程，且環(huán)火軌道為確定的目標(biāo)，因此，可采用逆向設(shè)計(jì)的思路開(kāi)展火星捕獲軌道分析，火星捕獲分析時(shí)，以目標(biāo)軌道為初始軌道，探測(cè)器沿速度方向加速逃逸火星，逃逸的目標(biāo)C3 為0。表4 給出了不同功率的推力器完成火星捕獲所需的時(shí)間和燃料需求情況。分析表明，若采用比沖為5000 s 的2N 推力器，完成火星捕獲并到達(dá)目標(biāo)環(huán)火軌道需推力器工作長(zhǎng)達(dá)64.2 天，燃料消耗約0.23 t。

表4 火星捕獲方案Table 4 Scheme of Mars capture

為縮短探測(cè)器火星捕獲時(shí)間，減小推進(jìn)劑消耗，可以通過(guò)增大推力器功率，從而增大發(fā)動(dòng)機(jī)推力和比沖實(shí)現(xiàn)。例如，采用比沖為4000 s 的5 N推力器，完成火星捕獲并到達(dá)目標(biāo)環(huán)火軌道推力器工作時(shí)間可縮短至24.2 天，燃料消耗約0.27 t。

4.3 軌道間轉(zhuǎn)移與探測(cè)任務(wù)軌道分析

在被火星捕獲后，火星多任務(wù)探測(cè)器的母體飛行器與各探測(cè)器形成分布式[21]火星探測(cè)系統(tǒng)，可完成火星的綜合探測(cè)。

4.3.1 數(shù)據(jù)中繼星座

火星數(shù)據(jù)中繼星座如圖3 所示，由3 顆靜止軌道衛(wèi)星和6 顆火星閃電軌道衛(wèi)星組成。9 星星座可對(duì)火星任意地區(qū)連續(xù)實(shí)時(shí)覆蓋，實(shí)現(xiàn)星間實(shí)時(shí)通信，可作為地火數(shù)據(jù)鏈路的一部分。星座中的每顆探測(cè)器與母體飛行器分離，由軌間轉(zhuǎn)移飛行器運(yùn)送至工作軌道。軌間轉(zhuǎn)移飛行器具有6N推力器、6000 s 比沖的推進(jìn)系統(tǒng)，將探測(cè)器運(yùn)輸至閃電工作軌道，往返一次預(yù)計(jì)所需速度增量為5000 m/s。假設(shè)軌間轉(zhuǎn)移飛行器和探測(cè)器質(zhì)量均為1000 kg，轉(zhuǎn)移飛行器完成往返一次所需燃料為82 kg；由于母體飛行器位于靜止軌道，軌間飛行器轉(zhuǎn)運(yùn)靜止軌道中繼星的燃料消耗較少，預(yù)留2 kg 即可。因此，軌間轉(zhuǎn)移飛行器完成9 顆中繼星的運(yùn)輸，往返18 次，燃料需求約500 kg。

圖3 火星數(shù)據(jù)中繼星座示意圖Fig.3 Constellations of Mars data relay

4.3.2 全火遙感

全火遙感衛(wèi)星采用3 星組網(wǎng)，單顆星采用太陽(yáng)同步圓軌道，軌道高度800 km，預(yù)計(jì)軌道轉(zhuǎn)移飛行器往返一次所需速度增量為5600 m/s，所需

圖4 全火遙感衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡示意圖Fig.4 Subsatellite point track of remote sensing satellites for Mars

4.3.3 火星大氣詳查探測(cè)器

火星大氣詳查探測(cè)器位于大橢圓軌道，緩慢進(jìn)入火星大氣，利用火星大氣攝動(dòng)效應(yīng)緩慢進(jìn)入，并在此過(guò)程中實(shí)時(shí)進(jìn)行火星大氣環(huán)境探測(cè)，將探測(cè)數(shù)據(jù)傳回地面。參考MOM 探測(cè)器軌道，同時(shí)考慮到母體飛行器軌道，火星大氣詳查探測(cè)器可采用500 km×17031 km 大橢圓極軌軌道。運(yùn)輸器往返運(yùn)輸所需速度增量為3600 m/s，所需燃料約60 kg。

4.3.4 著陸巡視器

實(shí)施EDL，進(jìn)行火星表面巡視探測(cè)，完成著陸巡視探測(cè)的燃料需求與著陸緯度相關(guān)，為保證全火任意位置的可著陸目標(biāo)，運(yùn)輸器應(yīng)具備傾角調(diào)整90°和軌道近地點(diǎn)高度調(diào)整為零的能力，運(yùn)輸器往返運(yùn)輸所需速度增量為4000 m/s，所需燃料約65 kg。

綜上分析，多任務(wù)火星探測(cè)器在靜止軌道上運(yùn)行，完成各項(xiàng)任務(wù)探測(cè)，預(yù)計(jì)總的推進(jìn)劑需求為925 kg。

5 結(jié) 論

本文提出了一種火星多任務(wù)探測(cè)器系統(tǒng)設(shè)想，介紹了系統(tǒng)基本組成、任務(wù)架構(gòu)及軌道策略等。通過(guò)分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）火星探測(cè)是深空探測(cè)領(lǐng)域從月球探測(cè)發(fā)展至行星探測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而模塊化多任務(wù)火星探測(cè)器系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)跨越式、可持續(xù)發(fā)展的重要途徑；

（2）模塊化多任務(wù)火星探測(cè)系統(tǒng)發(fā)展既可以帶動(dòng)深空探測(cè)技術(shù)與模塊化航天器設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，又可以促進(jìn)火星探測(cè)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)；

（3）發(fā)展模塊化深空探測(cè)器，還需開(kāi)展深空探測(cè)頂層任務(wù)設(shè)計(jì)、模塊化航天器總體設(shè)計(jì)、在軌組裝維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)；

（4）所設(shè)計(jì)的火星多任務(wù)探測(cè)器表明，利用電推進(jìn)技術(shù)開(kāi)展未來(lái)大型復(fù)雜深空探測(cè)具有較高的可行性，且隨著電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，探測(cè)器的入軌周期將進(jìn)一步縮短，以滿足探測(cè)周期需求。