淺談奔赴火星需要解決的幾大關鍵技術

陳昌亞

研究員，上海衛星工程研究所，上海 200240

本文初步分析了奔赴火星的幾大關鍵技術問題：軌道設計與控制技術；超遠距離通信技術；自主控制技術；火星探測熱控制技術；火星著陸控制技術以及火星返回技術等。對后續火星探測以及相關型號探測器的研制具有一定的參考價值。

1 引言

火星是位于地球軌道外側的一顆行星，是地球的近鄰。火星上存在固態的水，有稀薄的大氣。人類通過探索火星，希望建立第二家園和尋找地球以外的生命，研究火星的磁場、大氣和氣候、空間環境、地貌和水消失的痕跡等內容，并掌握其規律［1］。

按照離太陽由近及遠的順序，火星排名“老四”，位于排名“老三”的地球外側。火星圍繞太陽公轉一年687天，地球圍繞太陽公轉一年365天，因此火星與地球每2年有一次靠近的機會。火星離地球最近處約5670萬km，最遠處約4億km（月球離地球大約38.4萬km）。因為火星與太陽的平均距離為地球的1.52倍，火星獲得的直接太陽光強只有地球光強的43.1%。火星表面溫度比地球低45℃，平均溫度只有零下25℃；火星赤道區的晝夜溫度在20～80℃，最寒冷的極區的溫度變化在－70～－140℃。

火星和地球有很多相似特征。火星上不僅有類似地球上的季節之分，還可明顯的區分出“五帶”（熱帶、南北溫帶、南北寒帶）。此外，科學家還發現火星上有一定量的大氣，有白皚皚的極冠，且隨季節變化大小范圍有明顯的變化。火星探測器從發射到抵達火星軌道要飛行10個月左右。

到目前為止，人類對火星的探測有40次左右，成功率1／3多，認識還很不全面。但是人類對火星寄予了深切的希望，仍在堅持不懈地對火星進行科學探測。

2 奔赴火星需要解決的幾大關鍵技術問題

奔赴火星需要解決的關鍵技術問題，包括軌道設計與控制技術，如何使得探測器安全到達火星并被火星捕獲成為火星的衛星；超遠距離通信技術，使得探測器在離地球最遠4億km的地方仍能夠聽得見，喊得出，地面信號能夠跟蹤得上；自主控制技術，在地面測控不可控和長陰影期間自我控制；適應由近及遠及長陰影期間的熱控制技術；活動部件深冷的休眠喚醒技術；著陸器的安全著陸技術；在軌返回及上升器的火星返回技術等。下面針對以上關鍵技術進行分析［2－3］。

2.1 軌道設計與控制技術

2.1.1 離開地球軌道的轉移飛行能力

一是直接奔火，飛離地球。美國火星探測器發射多采用直接奔火的方式，中國在CE1奔月時采用調相方式，在CE2奔月時就采用了直接奔月的方式。直接奔火要求運載能力足夠大，直接將探測器送入奔火雙曲線軌道，達到第二宇宙速度（大于11.2 km／s），同時對運載發射的控制精度要求高，如果入軌點誤差過大那就得在奔火巡航段的軌道修正中消耗探測器較多燃料。直接奔火如圖1所示。

二是先進入環繞地球的近地駐留軌道，在近地軌道飛行幾圈完成調相后加速奔火。俄羅斯在多次火星發射過程中均采用調相方式奔火。在進入環繞地球的調相軌道后，進行精密測定軌，在獲得滿意的控制精度后加速奔火。調相奔火如圖2所示。

2.1.2 火星影響球與地球影響球

地球的影響球半徑大約92.8萬km，在飛離地球幾天（直接奔火大約2.5天）后即脫離地球的引力而進入環繞太陽的橢圓軌道，經過大約300天的巡航段飛行進入火星的影響球，火星的影響球半徑大約58萬km。在到達火星影響球（距到火星大約1.8天）軌道時必須及時可靠的進行剎車制動，使得探測器被火星捕獲，成為火星的衛星，如圖1所示。

圖1 直接奔火示意圖

圖2 調相奔火示意圖

2.1.3 到達火星軌道的制動捕獲能力

為了使得探測器順利被火星捕獲而成為火星的衛星，在到達火星軌道前必須進行剎車制動減速使其被火星捕獲，如不能夠及時制動，探測器便飛越了火星。早些年常存在此失敗，2010年12月日本的金星“曉”探測器因為推進故障，未能及時制動，沒能被金星捕獲，飛越了金星，導致任務失敗。

火星捕獲一般在近火點600～800km，遠火點60000～80000km進行剎車制動，形成環繞火星的大橢圓軌道。如果制動不當，要么探測器飛離火星，不能夠被火星捕獲成為火星的衛星；要么撞上火星，任務同樣失敗。

另外星上姿態控制以及剎車制動發動機是關鍵，如果到達剎車制動的位置而不能很好的調整姿態，任務不能夠完成；剎車制動大發動機如不能夠很好地工作，不能夠有效地剎車制動，任務失敗。

2.1.4 由捕獲軌道變軌到目標軌道

剛開始進入的軌道不一定是所要求工作的軌道，所以在被火星捕獲后，還要經過幾個月多次軌道修正變軌到任務工作軌道，如圖3所示。

圖3 由捕獲軌道變化到任務軌道示意圖

2.2 超遠距離通信技術

由于地球與火星最近相距約5600萬km，最遠相距約4億km，通信信號在如此遠距離的情況下空間信號衰減達280dB，為了克服巨大的信號衰減，不僅依靠提高星載設備的性能，更需要地面站設備的配合。要求地面深空站能夠工作在X波段，配備大口徑天線，并且具有發射上行大功率信號和接收下行微弱信號的能力。這就要求在下行傳輸過程中，探測器上具有較大發射功率，星載天線具有較大的增益，且地面站足以接收來自數億公里遠的火星探測器發回的微弱信號。同時，在上行傳輸過程中，要求星上接收機具有較高的靈敏度，星上接收機要具有非常高的靈敏度，接收機鎖定靈敏度要優于－140～－145 dBm。

另外地面站具有較大的發射效率和較大的天線。國外深空站天線直徑達64 m，70m，且二維定向跟蹤。如圖4所示。

圖4 國外某深空地面站64 m天線且二維定向跟蹤的圖片

需要實施超遠距離的測控和通信，以確保指令的上傳和數據的下傳，這就要求地面測控站的天線孔徑很大，而且，要求地面控制系統可以對探測器的飛行軌跡、姿態、各個系統的工作狀態進行測量、監視與控制。

2.3 自主控制技術

由于火星距地球遙遠，最遠達4億km，信號往返需40多分鐘，實時不能進行控制，因此要求探測器必須高度自主完成事先設置好的功能。包括日凌期間工作的自主模式管理、長火影的能源自主管理與保護、依次關閉載荷等、測控弧段盲區沒有上行指令指導的自主控制、故障模式下自主進入安全模式等，自主姿態確定與控制。自主姿態確定技術及解決途徑如下：

（1）首先，根據任務需求，合理選用姿態基準。在對日定向模式下，利用較精確的行星星歷，以火星公轉軌道坐標系為姿態基準，不需要精確的衛星軌道參數，能保持太陽幾乎垂直照射星體，也可以使得在帆板對日定向的條件下，相機在每隔一定周期內有機會拍攝到火星；對火定向時，以探測器繞火星運行的軌道坐標系為姿態基準，可以近距離拍攝火星；對地定向模式下，利用較精確的行星星歷計算出地球與火星的位置，根據探測器的軌道參數確定探測器與地球的相位。

（2）其次，針對火星的地理環境，采用兩臺星敏感器結合MEMS陀螺進行姿態測量。

（3）最后，根據星歷表，結合程控指令，姿控模塊自主進行對日、對地、對火、對X探測器的定向以及模式切換的姿態確定，如圖5所示。

圖5 探測器自主控制各姿態模式轉換示意圖

2.4 火星探測器熱控制技術

火星探測器相對于地球軌道的衛星來說，衛星熱控存在下列特點和難點：

衛星的運行環境、姿態等的變化引起的外熱流變化劇烈。衛星從地球運行到火星軌道的10個月內，隨著地球、太陽和火星的相對位置變化，太陽輻射強度從地球附近的1353 W／m2減小到火星附近的589.2 W／m2；在火星軌道運行時，因為是大橢圓軌道，在近火點和遠火點附近所接收的火星紅外輻照和反照差異也很大；在衛星從地球軌道向火星軌道轉移的前10個月內，外熱流變化劇烈；在進入火星軌道運行時，衛星天線對地定向的同時，還要考慮太陽電池板對日定向，衛星姿態在一定的方位內調整，衛星各面的外熱流也有較大的變化。

能源方面應考慮在發射初期太陽光強大，電池片效率高，熱量耗散對星體輻射的影響；壽命末期，太陽光強小，電池片效率低，供給能量少的適應性。熱控系統應能夠適應壽命期內太陽帆板供電能源變化大、太陽光強變化大的特點。

2.5 活動部件的深冷休眠、喚醒技術［4］

星上活動部件，如高增益數傳天線在星際巡航段為了避免剎車制動的沖擊處于收攏狀態，在到達火星軌道后才進行展開，火工品切割器在經歷巡航段低溫存貯后的發火和解鎖展開，這就存在深冷休眠喚醒問題，地面根據火星環境必須進行一系列試驗。

2.6 火星著陸控制技術

火星著陸方式分為直接進入和環繞進入二類。直接進入是指著陸器在進入火星影響球范圍前，與探測器分離，以撞擊軌道直接進入火星大氣。環繞進入是指著陸器隨探測器制動捕獲進入環繞軌道后擇機與探測器分離進入火星大氣。

火星著陸要經歷分離起旋、減速載入、開傘減速、緩沖著陸、儀器工作與通信等。到目前為止，只有美國的6次著陸成功，歐空局的獵兔犬2號著陸失敗。

2.7 火星返回技術

由齊奧爾科夫斯基的方程△v＝veloge（M0／M）看出，速度變量與質量比和排氣速度ve有關。

離開火星的航天器的初始質量M0由3個元素組成：實際有效載荷，包括探險隊員、他們的生命補給、物資以及設備；飛行器、火箭發動機、燃料貯箱和設備支撐物；所有重要的結構；最后還有往返途中所要消耗的燃料。任務結束時，探險隊員、攜帶的樣本、飛行器以及空的燃料貯箱用最終質量M表示。

圖6 環繞進入火星著陸過程示意圖

下標字母p，d，f分別代表有效載荷、航天器的干重以及燃料。

假設此時結構因素為5%，可將質量比公式（2）改寫為：

將有效載荷設為0，通過上式可以確定此時基本質量比為21而并非11，該值也是有效載荷能力。實際上，若質量比設為11，新的結構因數5% ，上述方程將會變為Mf＝20Mp，因此，根據簡化假設，每噸有效載荷需要20t的燃料。如果按照阿波羅飛船的有效載荷為47 t，它需要940t的燃料才能實現火星著陸返回探險。

前往火星使用的飛行器可以留在軌道上，只需要一個較小的登陸器便能登陸火星表面并返回。一些設備、備用品、也許還有探險駐地都可以通過無人載貨飛行送到火星上，并且這些東西根本不必返回。當然，現代設計朝著集成化、小型化、輕型化方向發展，并且局部用核燃料作為動力，總重量將會輕得多。

返程時，總速度變化近似等于出航的速度變化。航天器從火星表面升空，之后必須沿著一條上升橢圓軌道升到繞火星的圓形軌道高度。為了利用火星的自轉，航天器將沿著圖7中所示的半個虛線橢圓軌道飛行。完成這一動作所需的速度，包括軌道圓化修正點火，近似等于著陸速度變化。一旦安全進入圍繞火星的圓形軌道，探險者便會等候飛離的最佳時機。火箭發動機點火，將航天器送入逃離雙曲線軌道，這個軌道的形狀和參數都與捕獲雙曲線軌道相同，只是其方向與之相反。這條逃離雙曲線軌道將把航天器送入返回地球的轉移軌道。火星在其圓形軌道上的運動速度比航天器進入轉移軌道所需的速度快，因此，當航天器進入轉移橢圓軌道時，其所在的雙曲線邊，便是反方向阻礙其向前運動的力臂。然后用航天器的速度減去火星公轉速度，便得出航天器進入橢圓軌道所需減少的總的速度量。圖8為上升器從火星升空的構想圖［5－6］。

早在20世紀60年代末，人類就已實現登月夢想，美國的阿姆斯特朗借助世界上最龐大的運載火箭——土星五號，順利登陸月球并平安返回。但是，登陸火星返回并非是登陸月球返回那么簡單。

圖7 飛行器進入地球返回轉移軌道所需的雙曲線軌道

圖8 上升飛行器從火星升空的設想圖（著陸器和空燃料貯箱被留在火星上）

當年美國人登陸月球時，土星五號地球發射時到達近地軌道的總載荷達到118t，到達月球軌道的總載荷達47 t。地球距離月球僅38萬km，但距離火星卻要遙遠得多，因此人類登陸火星進行探測，必須備足糧草和返回地球所需的燃料，這就加重了運載火箭啟程時的負擔。返程更難，月球的重力加速度是地球的1／6左右，而火星的重力加速度是地球的1／3左右，假設依舊借助土星五號完成整個行程，從月球上返回克服0.16 g的加速度都需要攜帶47 t的載荷，那么從火星上返回克服0.38 g的加速度，這需要攜帶多大的載荷到達火星軌道，才能著陸火星表面并克服火星引力返回地球啊？！

即使對美俄這樣擁有火星探測經驗、航天實力領先的國家來說，近期也沒有一個明確的載人登陸火星返回地球的時刻表。美國也只是初定計劃在2030年后將航天員送上火星軌道并返回。要解決引力帶來的返程難題，可能得依靠多次發射、軌道對接以及設置留軌器等方式來集合增大能力。攻克推進動力技術，或許正是火星載人探測的關鍵。

火星著陸返回有待于重型運載的研制或者核動力燃料才有足夠的動力脫離火星的引力返回地球。

3 結束語

以上對奔赴火星環繞、著陸及返回的幾個關鍵技術問題進行了初步分析。我們相信，隨著重型運載、空間對接、高能燃料等技術的發展，人類將在不久的將來登上火星。中國作為負責任的航天大國，隨著國家綜合國力的不斷增強，在不久的將來將適度開展以火星為重點的深空探測活動，中國人自主深空探測的足跡必將踏上距離地球約4億km的火星、乃至10億km以遠的星球，以更好地認識宇宙、服務地球、造福人類［7］。

（2012年1月28日收到）

［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，2009，14（3）：21－25.

［3］陳昌亞，候建文，朱光武.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.

［4］陳昌亞，等.YH－1火星探測器的技術創新點 ［C］／／2010.09八院科技委內部論文集，2010.

［5］高云國.現代小衛星及其相關技術 ［J］.光學與精密工程，1999，7（5）：16－21.

［6］林來興.現代小衛星及其關鍵技術 ［J］.中國空間科學技術，1995，15（4）：37－51.

［7］陳昌亞，等，譯.遠征火星 ［M］.上海：中國宇航出版社，2011.