基于螢火一號技術的自主火星探測器方案

陳昌亞,方寶東,王 偉,李綠萍,李金岳,朱新波,周必磊

(上海衛星工程研究所,上海 200240)

0 引言

當前深空探測的熱點是月球、火星和金星探測。美國、前蘇聯、歐空局和日本都制定過詳細的火星、金星探測計劃,印度也提出在2013/2016年發射火星探測器。我國的探月工程與探火/金工程齊頭并進。金星/火星至地球的距離為月球至地球的800～1 000多倍,這就要求深空探測器小型化、集成化和輕型化,通過有限的能量進行不同的軌道控制,完成各種探測任務,并可攜帶較多的有效載荷對火星/金星進行科學探測。

“十一五”期間,在中俄兩國政府間航天合作框架協議的基礎上,開展了中俄聯合探測火星項目。中方獨立研制一顆火星探測器(YH-1),作為我國火星探測的先行,并為以后的火星環繞器研制建立良好的技術基礎;對我國的甚長基線干涉測量(VLBI)網的火星測定軌能力進行一次很好的檢驗;為深空通信網的建設和國際合作積累寶貴的經驗。通過YH-1火星探測器的工程研制,我國已初步掌握了火星環繞器設計總體技術,包括星際環境條件,姿態控制,星上高度自主控制,深空測控通信,深冷低溫環境適應,深空環繞器的小型化、集成化和輕型化,以及深空探測地面試驗驗證方法等基礎技術,并組建和鍛煉了一批素質過硬、技術全面、吃苦耐勞的深空探測研制團隊,為我國下一步開展火星探測工程奠定了良好的基礎。“十二五”期間,我國將在積累YH-1火星探測器技術的基礎上進一步開展自主火星探測,用我國研制的運載火箭將環繞器運送到火星軌道,并主要依靠我國的深空站完成深空測控任務。其總目標是：成功自主發射火星環繞器;通過光學等手段,對火星地形地貌進行成像,為比較行星學的研究搜尋相關依據;初步建立國內深空測控體制,使火星環繞器技術趨于成熟;在此基礎上,初步建立國內適應深空的測控、運載、發射場和地面應用等各大系統,形成我國深空探測體系;以光學為主,通過環繞器對火星表面進行普查和詳查,對成像類載荷分辨率、譜段及探測區域與國外已有成果進行互補;配合環境類載荷,認識火星空間環境,掌握第一手科學數據。

為此,本文提出了一種基于YH-1火星探測器技術的自主火星探測器方案。

1 總體方案簡述

火星探測工程的規模龐大,當前的火星探測需為后續火星探測服務。YH-1火星探測器為我國火星探測提供了寶貴的技術積累,且該衛星平臺能適應火星后續探測的需要[1～3]。基于YH-1火星探測器平臺的自主火星探測方案主要如下。

1.1 主要技術指標

自主火星探測器系統由環繞器和推進艙組成,上部為環繞器,下部為推進艙,其構型如圖1、2所示。探測器巡航期間的軌道機動和修正,以及到達火星引力場后的制動和軌道修正均由推進艙實現,環繞器采用基于HY-1火星探測器的SAST100增強型平臺,可攜帶較多較大的有效載荷,進入火星軌道后,開展環繞火星的科學探測。

圖1 探測器收攏發射狀態構型Fig.1 Stowed conf iguration of Mars probe

圖2 探測器展開狀態構型Fig.2 Deployed configuration of Mars probe

探測器采用長征三號乙運載火箭發射,探測器的發射質量1 700 kg,環繞器質量300 kg,推進艙1 400 kg。探測器飛行期間長期功耗280 W,短期功耗500 W,初步設計壽命為3年。探測器系統總體主要技術指標見表1。

表1 探測器主要技術指標Tab.1 Parameters of Mars probe

1.2 推進艙

推進艙采用外承力筒結構。氧化劑箱和燃料箱間隔布置。主發動機安裝在貯箱之間,儀器艙設備布局于艙體內。姿控發動機置于推進艙艙壁。外承力筒結構推進艙貯箱采用球柱形儲箱,用雙法蘭面連接。推進艙采用4個體積280 L的球柱形表面張力貯箱、單臺推力490 N的主推力器,進行軌道控制。該推進艙與火箭采用直徑Φ1 666 mm接口,與環繞器采用4只爆炸螺釘的連接接口。環繞器控制推進艙的工作,并對推進艙供電。然后多次調整進入遠火點高度2 600 km、近火點高度(250±50)km、軌道傾角95°±5°的第一工作軌道,進行各種科學試驗探測。

推進艙燃料耗盡后,地面上行指令實施推進艙與環繞器分離,環繞器依靠自身攜帶的燃料主動變軌并驗證大氣制動技術進入遠火點高度600 km、近火點高度(250±50)km、軌道傾角95°±5°的第二工作軌道,在更低軌道進行科學試驗探測。

自主火星探測器在巡航段及變軌段過程中均進行相應的科學探測。

1.3 軌道設計

根據引力中心的不同,火星探測器飛行軌道可分為以地球引力場為中心的發射段和初始飛行段、以太陽引力場為中心的地火轉移段,以及以火星引力場為中心的捕獲段與環繞飛行段三個主要階段。每個飛行段中,探測器均是一個復雜的等效三體問題,受燃料、各軌道段的動力學、測控和光照條件等因素的影響。探測器飛行中的軌道變化如圖3所示。

探測器由長征三號乙運載火箭直接發射至地球雙曲線逃逸軌道,沿地火巡航軌跡至火星影響球內,經減速制動被火星捕獲,捕獲軌道為遠火點高度60 000 km、近火點高度400 km極火大橢圓軌道,

1.4 測控方案

YH-1火星探測器在巡航段是由俄方進行測控,環火段是由中方進行測定軌。自主火星探測各飛行軌道段測控任務及主要測控設備配置見表2,其僅在巡航段與YH-1火星探測器不同,測控方案不同之處設計如下：

a)火星探測器通信儀器安裝在環繞器上,完成衛星全過程的測控任務。

b)衛星發射至入軌的初期10萬km以內測控,由地面測控網和推進艙S波段寬波束天線測控分系統完成;在飛離地球10萬km～4億km,衛星使用環繞器的X波段測控設備直至入軌后的測控。環繞器采用測控數傳一體化設計,在繼承YH-1火星探測器技術的基礎上進行優化。

圖3 飛行過程示意Fig.3 Mars probef lying course

表2 探測器各飛行軌道段測控任務及主要測控設備配置Tab.2 TT&Cequipments of Mars probe and ground

c)采用音碼混合測距、VLBI和多普勒等多種測軌技術,實現對軌道的精確測量。

從巡航至整個環繞火星飛行的軌道中太陽-探測器-地球的夾角為10°～130°。從發射初期時的130°單調下降至發射后100多天達最小的10°,以后再上升至約45°(不超過50°)的最大值,隨后緩慢下降到巡航飛行結束時的約40°。在環火軌道段,日-星-地夾角保持在40°左右。根據此計算結果,X波段測控應答機天線的波束如能覆蓋10°～130°的范圍就能確保整個飛行軌道段探測器在對日定向條件下,上下行鏈路可保持對地通信的需求。2013年地火飛行軌道星地距離和日星地夾角的變化如圖4所示。測控方案中上下行信道各使用2個低增益天線可滿足從巡航飛行到環繞飛行跟蹤的需要,為在環繞飛行軌道滿足探測數據傳輸需要,設置中、高增益發射天線各1個。

圖4 2013年地火飛行軌道星地距離和日星地夾角Fig.4 Anglebetween sun-Mars and earth of independence launch Mars probe in 2013

2 繼承的技術方案

我國火星探測剛起步,已解決多項關鍵技術,并在YH-1火星探測器的研制過程中通過地面試驗得到了驗證。其中部分關鍵技術見表3。

表3 自主火星探測關鍵技術Tab.3 Key technologies of independence launch Mars probe

a)深空遠距離測控數傳技術

探測器與地球的最遠通信距離達4億km。為克服巨大的信號衰減,僅依靠提高星載設備或地面站的發射機功率和天線口徑的增大受到限制,須采取綜合技術措施解決,以確保環繞器與地面間的有效通信。YH-1火星探測器采用的測控通信技術主要有：研制了高靈敏度深空測控接收機,通過了所有地面試驗考核,需要進一步飛行驗證;為提高射頻頻段,研制了X波段發射機,通過了所有地面試驗考核;采用大口徑高增益天線,增大了鏈路增益;采用信道編碼技術,以獲取編碼增益,降低解調門限值;利用卷積碼與RS碼級聯,獲得編碼增益9 dB。

b)長時間自主管理技術

因距離遙遠,信號從地球發射至被火星探測器接收需約21 min。顯然,探測器上任何動作都需地面站注入指令完成是不現實的,這就需要探測器實現高度自主控制。YH-1火星探測器專門設計了繞火飛行期間的長時間自主管理程序,實現了從自主分離、帆板自主展開、自主對日定向、姿態自主機動、自主對地數傳、電源及陰影自主管理、故障自主診斷和修復等探測器的綜合自主管理功能,均在無地面控制條件下完成,提高了探測器在軌的生存和工作能力。YH-1火星探測器的自主管理功能通過了地面試驗的嚴格檢驗和考核。

c)多模式姿態控制技術

多數地球觀測任務要求衛星具有對地觀測姿態、對地數傳和對日定向三種主要姿態控制模式,其中前兩種姿態模式有時可公用。YH-1火星探測器的任務要求探測器具有的姿態模式更多,如對地通信、對日定向、對火星觀測和星-星掩星試驗等模式,其復雜度遠大于常規地球衛星。經國內專家近3年的技術攻關,該技術已在YH-1火星探測器上使用并經地面考核。

d)活動部件及電子器件的休眠-喚醒技術

地火轉移飛行時間約10月,其間展開機構、火工品切割機構等多個機構和單機處于不工作的休眠狀態。對長時間內處于休眠狀態的機構和單機,在到達火星后喚醒并正常工作是火星探測的關鍵。YH-1火星探測器研制中對此進行了專題研究和專項試驗驗證,如太陽陣展開機構和火工品切割器通過了12個月低溫貯存試驗考核,展開試驗正常;星外太陽電池陣(帶火工品)在-190℃貯存24 h后展開正常;電源、綜合電子、載荷數管等鑒定級電子產品通過了-50℃低溫貯存試驗考核。

e)長陰影探測器生存技術

YH-1火星探測器在設計初期,由于俄方探測器接口條件的約束,將導致探測器在運行軌道期間遇到最長約8.8 h時的長陰影環境,此情況在我國目前所有航天器中尚屬首次。在長陰影導致的-190℃的深冷低溫環境中,需探測器合理使用能源、控制星上熱環境,保證探測器在長陰影下的生存。為此,總體成立了長火影課題攻關小組,同時建成了我國第一個整星級液氦(可達-269℃)真空試驗系統,以滿足地面長陰影試驗的需要。經近2年的研究,2009年3月YH-1火星探測器在液氦經歷了-260℃溫度環境考驗后,仍可休眠喚醒、工作,方案合理,為后續深空探測類似技術難題解決提供了技術基礎。

3 結束語

本文提出了一種基于YH-1火星探測器技術的自主火星探測方案,探測器由推進艙+環繞器組成,環繞器小型化、集成化、輕型化,滿足火星后續工程中的環繞器設計要求。基于YH-1火星探測器+推進艙的自主火星探測方案,在充分繼承YH-1火星探測器已有成熟技術的基礎上,明確了各系統間機、電、熱接口關系,對關鍵技術進行了可行性分析,總體方案合理可行,通過了中國航天科技集團公司的專家評審,滿足2013/2016年發射工程任務的需求。該方案的其平臺繼承性好,成熟度高;集成化、輕型化、小型化,載荷裝載能力30%;推進艙攜帶較多燃料并可擴展,平臺的軌道適應能力強;推進艙與環繞器可分離,環繞器軌道機動能力強;環繞器攜帶一定燃料,滿足軌道機動及驗證大氣制動技術的需求,進一步滿足科學探測的需求。

自主火星探測工程難度大、時間緊,其意義和影響巨大。在國際上新一輪深空探測高潮中,我國既要加快研制進度,抓住寶貴的發射窗口,又要切實保證探測的成功率,盡快立項與優化研制流程以確保首發成功。

[1]陳昌亞.火星探測技術的發展[J].科學,2009,61(5)：16-19.

[2]陳昌亞,方寶東,曹志宇,等.YH-1火星探測器設計及研制進展[J].上海航天,2009,26(3)：21-25.

[3]陳昌亞,侯建文,朱光武,等.螢火一號探測器的關鍵技術及設計特點[J].空間科學學報,2009,29(5)：456-461.