日本“拂曉”金星探測器再次嘗試入軌獲得成功

張揚眉 （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年嘗試進入金星軌道失敗后，日本“拂曉”（Akatsuki）金星探測器再次挑戰入軌金星，克服諸多障礙，最終成功進入金星軌道，使日本成為亞洲首個探測金星的國家。目前，該探測器在軌運行狀態良好，已發回多幅金星圖像，并計劃于2016年4月正式開始科學探測活動。

日本于2010年5月20日從種子島航天中心用H－2A火箭成功發射其首顆金星探測器 “拂曉”。然而當年12月“拂曉”進入金星軌道之前，用于減速噴射的主發動機發生故障，導致“拂曉”入軌失敗，不得不進入繞太陽運行軌道。此次入軌時機是繼5年前那次飛行入軌時機之后的一次最佳機會，也是“拂曉”向金星發起的最后一次沖刺。

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機構（JAXA）管理，日本電氣公司為主承包商，三菱重工業公司為探測器研制主發動機。原本預計發射后于2010年12月進入金星軌道，執行為期2年以上的任務。

探測目標

雖然金星在形狀和質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”現象，在靠近金星表面的區域，大氣運動非常緩慢，而在高層大氣區域，大氣運動極快，云團每4個地球日就會環繞金星快速漂移1周。金星的自轉周期為243天，而大氣循環周期卻只有4天。

“拂曉”探測器的主要目的是研究金星大氣的循環機制，尤其是金星上層大氣的“超旋”現象以及金星低層大氣的三維運動情況，其次是在“拂曉”向金星巡航的過程中調查金星表面情況，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。對金星大氣進行研究，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，研究地球的起源與演變。

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

主要性能參數

“拂曉”的發射質量為480kg，干質量為320kg，有效載荷為34kg，設計壽命4.5年，任務期末功率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。當探測器在金星軌道運行時，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）主發動機、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”采用動量輪進行三軸穩定，通過對探測器主體進行姿態控制使探測器上安裝的照相機指向金星方向。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，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。當與地面站進行通信時，通過姿態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行的橢圓軌道，近金點300km、遠金點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種科學有效載荷，包括近紅外相機1（IR1）、近紅外相機2（IR2）、紫外線成像儀（UVI）、中紅外照相機（LIR）、雷電和氣輝照相機（LAC），以及超穩定振蕩器（USO）。

“拂曉”探測器的主要有效載荷

續 表

“拂曉”探測器結構圖

2 首次入軌嘗試故障原因分析

近紅外相機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準時間（UTC）2010年12月6日23∶49∶00進行軌道控制發動機點火，實施金星運行軌道插入機動。預計持續點火時間為12min，“拂曉”進入環繞金星軌道，初始軌道遠金點為1.8×105～2×105km，近金點為550km，軌道周期為4天。

當時，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）確認“拂曉”準時開始了軌道插入機動，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。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。2010年12月8日，JAXA宣布探測器軌道插入機動失敗，“拂曉”發動機點火時間不到3min，遠短于進入金星軌道所需的點火時間。

之后，JAXA成立調查小組調查故障原因，發現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，因此發動機產生異常燃燒現象，高燃燒溫度損壞了燃燒艙噴管喉道和噴嘴。

經過研究，JAXA決定在2015年12月再次進行金星入軌嘗試。從“拂曉”傳回的遙測數據看，探測器主發動機的噴管喉道仍然密封得較好。2011年9月，JAXA對“拂曉”的主發動機進行了2次點火測試，但發現推力只有預期的10%左右，因此JAXA最后決定放棄使用主發動機，轉而使用4個用于姿態控制的推力器進行機動，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，以減輕探測器質量。

2011年11月，探測器進行了3次接近金星的軌道機動，共獲得243.8m/s的速度增量。由于與主發動機產生的推力相比，姿軌控推力器產生的推力較低，不再可能進入之前計劃的低金星軌道。新計劃是將探測器送入遠金點數十萬千米、近金點數千千米的高橢圓軌道。2015年2月，JAXA宣布將于2015年12月再次嘗試進入金星軌道。2015年8月，探測器進行了最后4次軌道糾正機動，進入金星交會軌道。

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“拂曉”進入了遠金點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方向相同。JAXA宣布收到來自紫外線成像儀、中紅外照相機和近紅外相機1的圖像，其余3臺儀器的狀態也在進一步確認中。“拂曉”將于2016年3月26日再次進行軌道機動，并將軌道周期縮短為約9天。2016年4月開始，“拂曉”將進入為期2年的科學探測階段。

日本媒體在“拂曉”探測器入軌之前報道稱，“拂曉”此次成功進入金星軌道，需要克服三大障礙：一是能否實現入軌，關鍵在于能否實現所需要的減速；二是超出壽命的探測器能否良好運行；三是能否充分完成既定的觀測任務。由于主發動機存在故障，所以需要用4臺姿軌控推力器同時進行逆向噴射，而且需要讓通常只噴射1s以內的推力器連續噴射約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”。目前探測器已經超出4.5年的設計壽命，而且探測器入軌金星失敗后的運行軌道距太陽比原計劃近了0.6AU，經歷的實際溫度比設計參數高了30～40℃，部分元器件溫度已經上升至約140℃，超出了設計預期。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，探測器繞金星運行的軌道比原計劃高，因此多數時間只能從遙遠的位置進行觀測，能在多大程度上完成預期觀測還無法確定。

3 成功進入金星軌道的意義

日本實現金星探測亞洲第一

截至目前，日本共實施8次深空探測任務，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（失敗），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行星探測，使日本成為全球第四個、亞洲第一個成功實現金星探測國家，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。

成為目前唯一運行的金星探測器

20世紀90年代以來，全球共發射2次金星探測任務，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月結束了探測任務，之后墜入金星大氣層。因此，目前“拂曉”是環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星，其最新的觀測數據可擴展并補充歐洲“金星快車”獲得的數據，具有重大的科學意義。

此外，在首次入軌失敗后、繞太陽運行的5年時間里，“拂曉”探測器也開展了少量的科學探測工作，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”，其“隼鳥”探測器也經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臺發生故障等，最終工程團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，反映出項目相關工程團隊臨危不亂的高抗壓能力和高超卓越的工程技術水平，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驗。