賈 賀 榮 偉

(北京空間機(jī)電研究所,北京100076)

1 引言

隨著航天技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,深空探測(cè)作為一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要特征與標(biāo)志,引起了世界各國(guó)的極大關(guān)注?；鹦鞘翘?yáng)系九大行星中最為引人注目的一顆,它是地球外側(cè)的第一近鄰。在九大行星中,按與太陽(yáng)的距離排列,火星是太陽(yáng)的第4顆行星,屬于外行星;由于火星緊靠地球,其自然環(huán)境與其他行星相比更接近地球,屬于類地行星。因此,火星探測(cè)作為深空探測(cè)的一部分,成為現(xiàn)在和未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)人類進(jìn)行宇宙探索的熱點(diǎn)之一。

目前,世界航天大國(guó)均在制定各自的火星探測(cè)計(jì)劃,以實(shí)現(xiàn)火星表面的著陸和取樣返回,甚至載人飛行。我國(guó)作為航天大國(guó)之一,雖然已經(jīng)在空間探測(cè)領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就,但是在火星探測(cè)方面卻剛剛起步。因此,我國(guó)要及時(shí)地借助目前的國(guó)際環(huán)境條件,充分利用已有的技術(shù)基礎(chǔ)和條件,加速開(kāi)展火星探測(cè)的研究,實(shí)現(xiàn)我國(guó)在空間探測(cè)領(lǐng)域的新突破。

火星探測(cè)器減速著陸系統(tǒng)可以借鑒許多地球上成熟的回收與著陸技術(shù),但是由于火星環(huán)境與地球有很大不同,要實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)的軟著陸,完全掌握火星探測(cè)器減速著陸技術(shù)仍具有很大的難度和挑戰(zhàn)性[1]。

2 火星的環(huán)境特征

火星處于地球軌道外側(cè),與太陽(yáng)的平均距離為2.28×108km(1.524AU)。火星軌道形狀近似圓形,軌道偏心率為0.093 5;平均軌道速度為24.1km/s;繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)周期為687天,自轉(zhuǎn)周期為24h37min23s;平均半徑為3389.5km,是地球的0.53;質(zhì)量為6.57×1023kg,是地球的0.11;平均密度為3.94g/cm3;表面重力加速度為3.8m/s2,相當(dāng)于地球的 0.38;表面物體的逃逸速度為5.0m/s,漫反射系數(shù)為0.250,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度589.2W/m2,為地球的0.431?；鹦怯?個(gè)天然衛(wèi)星火衛(wèi)1(福波斯)和火衛(wèi)2(德莫斯)。

火星大氣層很稀薄,一般分為上、中、下3層,200km以上為上層大氣,45～200km為中層大氣,45km以下為下層大氣。平均大氣密度僅相當(dāng)于地球的1%?；鹦潜砻娴拇髿鈮簽?00～1 000Pa,相當(dāng)于地球上空30～40km高度處的大氣壓,其主要成分包括CO2(95.32%)、N2(2.7%)、Ar(1.6%)、O2(0.13%)、CO(0.08%),以及少量的H2O(2.1×10-2%)、NO(1.0×10-2%)、Ne(2.5×10-4%)、H2O2(0.85×10-4%)、Kr(0.3×10-4%)、Xe(0.08×10-4%)。平均分子摩爾質(zhì)量為43.34g/mol。

火星的表面溫度會(huì)隨地理位置、時(shí)間和表面性質(zhì)發(fā)生變化。根據(jù)記錄,火星上的平均溫度為-63℃,最高20℃,最低-140℃?；鹦巧巷L(fēng)的推動(dòng)力跟地球上的風(fēng)一樣,都來(lái)自太陽(yáng)。有數(shù)據(jù)顯示,雖然火星表面空氣稀薄,但由于溫度分布不均勻,火星上大氣的運(yùn)動(dòng)非常劇烈,平均風(fēng)速達(dá)4.3m/s,且風(fēng)向變幻不定,并常常伴有塵暴?；鹦潜砻娴匦纹鸱^大,呈北低南高的不對(duì)稱結(jié)構(gòu),北半球是占總面積30%的低洼平原,南半球是遍布隕石坑的古老高地。

3 火星探測(cè)器減速著陸系統(tǒng)方案的特點(diǎn)

結(jié)合火星的環(huán)境特征,通過(guò)對(duì)國(guó)外典型火星探測(cè)器減速著陸系統(tǒng)方案的分析發(fā)現(xiàn),“海盜1號(hào)”、“海盜2號(hào)”、“火星探路者”、“火星探測(cè)漫游者A”、“火星探測(cè)漫游者B”及“鳳凰號(hào)”這6個(gè)無(wú)人火星探測(cè)器的減速著陸系統(tǒng)的大體框架及使用的主要技術(shù)差別不大,基本都是以“海盜號(hào)”火星探測(cè)器為主要設(shè)計(jì)基準(zhǔn),因此,可以把已成功應(yīng)用的6個(gè)無(wú)人火星探測(cè)器的減速著陸系統(tǒng)稱為“海盜號(hào)系的減速著陸系統(tǒng)”,其特點(diǎn)如下[2]:

1)探測(cè)器的進(jìn)入質(zhì)量均在1 000kg以下,著陸質(zhì)量在600kg以下;

2)探測(cè)器的彈道系數(shù)較小,均小于100kg/m2;

3)探測(cè)器著陸點(diǎn)的誤差均在100km左右;

4)著陸點(diǎn)高度都在MOLA-1.4km以下;

5)探測(cè)器的氣動(dòng)外形均是采用“海盜號(hào)”70°半錐角、鈍度為0.5的球錐外形;

6)開(kāi)傘速度馬赫數(shù)在1.1～2.0間,處于超聲速狀態(tài)下開(kāi)傘;

7)降落傘是基于“海盜號(hào)”所用的盤縫帶傘,且均是采用彈傘筒直接彈傘和一次開(kāi)傘。

到目前為止,火星探測(cè)減速著陸器的發(fā)展可以大致分為3個(gè)階段。即:可行性研究階段,“快、好、省”政策實(shí)施階段和采樣返回或載人火星探測(cè)減速著陸技術(shù)準(zhǔn)備階段。目前,正在研制的“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”(原計(jì)劃2010年發(fā)射,現(xiàn)因故推遲)及載人火星探測(cè)論證,主要以進(jìn)入質(zhì)量大于1 000kg的探測(cè)器能夠安全避障、精確著陸的相關(guān)減速著陸技術(shù)為研究對(duì)象。

目前,美國(guó)對(duì)于火星探測(cè)器減速著陸方面的研究工作,也主要是針對(duì)未來(lái)采樣返回或載人火星探測(cè)的相關(guān)減速著陸技術(shù)的攻關(guān)研究。

4 火星探測(cè)器減速著陸技術(shù)分析

火星表面大氣稀薄,可以利用氣動(dòng)力進(jìn)行減速,以實(shí)現(xiàn)火星探測(cè)器減速著陸目的。但是,火星大氣層的成分、物理性質(zhì)與地球的大氣存在較大差別,而且火星探測(cè)器減速著陸系統(tǒng)方案受其任務(wù)要求的影響較大,因此,火星探測(cè)器的減速著陸技術(shù)有其自身特點(diǎn)。由于在星際著陸方面,我國(guó)還沒(méi)有系統(tǒng)研究,火星探測(cè)器減速著陸技術(shù)的很多關(guān)鍵和重點(diǎn)環(huán)節(jié)需要進(jìn)行深入研究。本文對(duì)國(guó)外火星探測(cè)器減速著陸技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)分析研究。

4.1 減速著陸系統(tǒng)方案

由于火星大氣密度稀薄(其密度是地球的1%),火星探測(cè)器依靠其自身氣動(dòng)外形進(jìn)行減速時(shí),相比地球上的飛行器需要在高度更低時(shí)才能達(dá)到明顯的減速效果。在火星上,只有進(jìn)入器的彈道系數(shù)小于50kg/m2,且高度非常接近火星表面(10km以下)時(shí),才能將有效載荷的速度降低到亞聲速階段?；蛘哒f(shuō),在這種稀薄大氣環(huán)境下,適合開(kāi)傘時(shí)的高度相對(duì)較低,即留給減速著陸系統(tǒng)剩余部分的時(shí)間縮短,可能導(dǎo)致進(jìn)入器沒(méi)有充足時(shí)間做著陸準(zhǔn)備。同時(shí),火星大氣密度是隨火星年不斷變化的,這使得很難研制出一種通用的減速著陸系統(tǒng)方案來(lái)適應(yīng)所有火星大氣環(huán)境的需要。當(dāng)然,目前成功實(shí)現(xiàn)火星著陸的無(wú)人探測(cè)器著陸點(diǎn)的高度都在MOLA-1.4km以下,著陸點(diǎn)的高度也限制了無(wú)人探測(cè)器減速著陸系統(tǒng)的發(fā)展。

對(duì)于火星探測(cè)器而言,選擇一個(gè)適合自身的減速著陸系統(tǒng)方案,對(duì)探測(cè)器的設(shè)計(jì)、成本以及具體的實(shí)施都十分重要。由于火星探測(cè)器一般都是以很高的速度進(jìn)入火星大氣層,如“探路者”進(jìn)入火星大氣層時(shí)的速度高達(dá)7.26km/s,所以要實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的安全減速著陸,必須依靠探測(cè)器本身合適的氣動(dòng)外形、降落傘以及著陸緩沖裝置等多種手段共同保證。此外,考慮到探測(cè)器的質(zhì)量和彈道的簡(jiǎn)化,大多數(shù)火星探測(cè)器均以彈道式進(jìn)入火星大氣層,最近發(fā)射成功的“鳳凰號(hào)”火星探測(cè)器計(jì)劃采用升力控制進(jìn)入的方式,但是由于各方面的原因,最終還是采用了彈道式進(jìn)入[3]。原計(jì)劃2010年將要發(fā)射的“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”探測(cè)器則需采用升力控制進(jìn)入的方式,以求獲得更加精確的著陸點(diǎn)。火星探測(cè)器在氣動(dòng)力作用下急劇減速,將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱和制動(dòng)過(guò)載,探測(cè)器的各種減速裝置必須能夠承受這些惡劣環(huán)境條件的考驗(yàn)。盡管火星減速著陸系統(tǒng)外觀上有很大不同,但是這些系統(tǒng)方案也都有著明顯的共同點(diǎn),即通過(guò)降落傘減速到達(dá)離火星表面1km處,接近最終速度時(shí)著陸器與傘分離(速度為55～90m/s)。但是,由于目前火星探測(cè)器的減速著陸系統(tǒng)方案還難以理想地處理火星表面潛在的隨機(jī)危險(xiǎn)[4],所以,要想更好、更安全地實(shí)現(xiàn)火星減速著陸,必須獲取更加準(zhǔn)確的火星表面參數(shù)和大氣參數(shù),合理選擇一個(gè)適合探測(cè)器本身的減速著陸系統(tǒng)方案。

選擇著陸系統(tǒng)最優(yōu)的安全減速方案,不只是對(duì)無(wú)人火星探測(cè)減速著陸系統(tǒng)的要求,對(duì)于載人火星探測(cè)減速著陸系統(tǒng)更為重要。

4.2 氣動(dòng)外形減速技術(shù)

圖1 “鳳凰號(hào)”的氣動(dòng)外形

合適的氣動(dòng)外形是確?；鹦翘綔y(cè)器安全通過(guò)高速高溫飛行區(qū),并最終實(shí)現(xiàn)火星軟著陸的重要保障。根據(jù)現(xiàn)有火星探測(cè)器的數(shù)據(jù),從進(jìn)入火星大氣開(kāi)始,至降落傘開(kāi)傘完成,探測(cè)器的速度由幾千米每秒迅速降低到幾百米每秒左右,這個(gè)階段主要依靠探測(cè)器自身的氣動(dòng)阻力減速。但是由于火星大氣非常稀薄,相比地球上的減速著陸,同樣的有效載荷質(zhì)量需要更大直徑的外形結(jié)構(gòu)和更好的防熱材料,體積和質(zhì)量也會(huì)增加很多。為了減少進(jìn)入時(shí)的制動(dòng)過(guò)載和氣動(dòng)加熱,并能控制好著陸點(diǎn),可以采用升力式或彈道升力式的外形和配置。

火星探測(cè)進(jìn)入器的氣動(dòng)外形必須能夠提供較高的阻力系數(shù)。在已成功實(shí)現(xiàn)無(wú)人火星探測(cè)的減速著陸系統(tǒng)方案中,均借鑒了“海盜號(hào)”成功的經(jīng)驗(yàn),如之后的“探路者”、“漫游者”以及“鳳凰號(hào)”火星探測(cè)器的氣動(dòng)外形均采用“海盜號(hào)”70°半錐角的球錐形外部氣動(dòng)形狀(其零攻角時(shí)阻力系數(shù)為1.68)。這種氣動(dòng)外形可以適應(yīng)各種不同的進(jìn)入軌道以及0°～11°的攻角范圍?！傍P凰號(hào)”的氣動(dòng)外形如圖1所示。

進(jìn)入器的減速及防熱性能都是由進(jìn)入器彈道系數(shù)決定的,低的彈道系數(shù)可以獲得更低的熱峰值和過(guò)載峰值。但是到目前為止,保證探測(cè)器能夠安全進(jìn)入并著陸到火星表面的彈道系數(shù)取值范圍仍保持在63～94kg/m2之間。對(duì)于更大彈道系數(shù)的探測(cè)器,如何安全進(jìn)入并著陸到火星表面是美國(guó)目前正在研究且亟待解決的難題。彈道系數(shù)取決于阻力系數(shù)、質(zhì)量及參考面積,即探測(cè)器的氣動(dòng)外形結(jié)構(gòu),這就對(duì)探測(cè)器的氣動(dòng)外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

目前,火星探測(cè)器上使用的防熱材料為SLA-561V,但是如果氣動(dòng)熱峰值超過(guò)100W/cm2,就需要對(duì)SLA-561V材料進(jìn)行性能改進(jìn)或者尋找一種可以適應(yīng)這種新的飛行環(huán)境的新型材料。

可見(jiàn),氣動(dòng)外形結(jié)構(gòu)及防熱材料的選擇,也是限制火星探測(cè)器減速著陸技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要因素[1]。

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4.3 降落傘減速技術(shù)

降落傘是航天器減速著陸系統(tǒng)最常用的減速裝置之一,火星探測(cè)器也不例外。已成功實(shí)施的無(wú)人火星探測(cè)器減速著陸系統(tǒng)方案中,都包括超聲速傘減速的部分。超聲速傘的具體作用就是使進(jìn)入器的速度減小至亞聲速段。除此之外,超聲速傘還可以為進(jìn)入器在跨聲速階段提供足夠的穩(wěn)定性。

“海盜號(hào)”使用的最大降落傘直徑為16m。在“海盜號(hào)”任務(wù)之前,美國(guó)就對(duì)火星著陸器使用降落傘進(jìn)行減速的可行性進(jìn)行了專題研究,其中對(duì)降落傘的選型、性能評(píng)估以及環(huán)境的模擬進(jìn)行了大量的試驗(yàn)工作。“海盜號(hào)”任務(wù)正式開(kāi)始后,又進(jìn)行了一系列的風(fēng)洞試驗(yàn)、空投試驗(yàn)和氣球發(fā)射試驗(yàn)。這些試驗(yàn)積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),為后來(lái)的火星著陸器的降落傘研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！疤铰氛摺?、“極地著陸者”、“漫游者”(包括“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”)以及“鳳凰號(hào)”降落傘的設(shè)計(jì)都是基于“海盜號(hào)”降落傘的設(shè)計(jì),并根據(jù)各型號(hào)自身的技術(shù)要求進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn),在研制過(guò)程中通過(guò)一系列對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)行比較和驗(yàn)證。從“海盜號(hào)”到“鳳凰號(hào)”幾次火星探測(cè)著陸任務(wù)中,降落傘均工作正常,這表明美國(guó)已經(jīng)掌握了一套比較成熟的火星探測(cè)用降落傘研制的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)方法[5-7]。

對(duì)火星探測(cè)器使用的降落傘而言,其主要問(wèn)題是火星大氣密度低。在地球大氣中能夠正常工作的降落傘在火星上就會(huì)出現(xiàn)許多意想不到的問(wèn)題,降落傘在超聲速條件下還存在開(kāi)傘困難、開(kāi)傘不穩(wěn)定、阻力系數(shù)下降等問(wèn)題。20世紀(jì)60～70年代,美國(guó)對(duì)低密度條件下超聲速降落傘進(jìn)行研究,包括環(huán)帆傘、十字形傘、盤縫帶傘,并做了風(fēng)洞測(cè)試和全尺寸高空投放等試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)多個(gè)方案比較后,“海盜號(hào)”火星探測(cè)器最終選擇了單個(gè)、不收口的盤縫帶傘作為氣動(dòng)減速裝置,該方案是在滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求下最簡(jiǎn)單的方案。對(duì)于超聲速條件下開(kāi)傘的情況,前體尾流區(qū)的影響是關(guān)鍵因素,要求降落傘與前體間有足夠的距離?！昂１I號(hào)”設(shè)計(jì)的降落傘與前體相對(duì)距離大于前體參考直徑的9倍。另外,為了保證降落傘能可靠彈出尾流區(qū),采用了彈傘筒開(kāi)傘的方案?！昂１I號(hào)”的成功減速與著陸,驗(yàn)證了盤縫帶傘能夠適應(yīng)火星大氣稀薄的環(huán)境以及超聲速開(kāi)傘的條件,并一直被美國(guó)的其他火星探測(cè)減速著陸系統(tǒng)所采用。

未來(lái)的火星表面實(shí)驗(yàn)站和載人登火星計(jì)劃都需要將更大的有效載荷著陸到火星,“海盜號(hào)”所采用的降落傘系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足著陸系統(tǒng)的減速要求,這就需要設(shè)計(jì)全新的降落傘系統(tǒng)來(lái)滿足火星探測(cè)器的發(fā)展?，F(xiàn)在所采用的方法主要有2種:一種就是設(shè)計(jì)更大面積的超聲速傘來(lái)承擔(dān)更大的有效載荷,但是其地面驗(yàn)證試驗(yàn)比較困難,可靠性難以得到保證;另一種方法就是采用兩級(jí)開(kāi)傘的方案,一個(gè)超聲速傘和一個(gè)亞聲速傘相結(jié)合,從而達(dá)到為探測(cè)器減速的目的。

2003年,美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了SPTT(亞聲速降落傘技術(shù)研究)項(xiàng)目的研究,以驗(yàn)證兩級(jí)減速方案的可行性。但大型環(huán)帆傘在低密度大氣下開(kāi)傘、穩(wěn)定性等問(wèn)題還沒(méi)有完全解決。此外,由于在研的“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”探測(cè)器著陸質(zhì)量和氣動(dòng)外形直徑的增大,使其降落傘直徑也需要相應(yīng)增大。目前,在地面做過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)的最大降落傘直徑為19.7m,可以滿足“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”的性能要求。但是,對(duì)于更大質(zhì)量的無(wú)人火星探測(cè)減速著陸系統(tǒng)方案而言,必須確定一種新的地面驗(yàn)證方法來(lái)輔助完成直徑大于19.7m的超聲速傘的研制。對(duì)更大質(zhì)量的火星探測(cè)器來(lái)說(shuō),采用分級(jí)的降落傘系統(tǒng)也可以完成任務(wù)需求,這也是解決尺寸問(wèn)題的途徑之一。

4.4 開(kāi)傘控制技術(shù)

開(kāi)傘控制技術(shù)是航天器減速著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),這項(xiàng)技術(shù)能否成功應(yīng)用直接關(guān)系到整個(gè)減速著陸系統(tǒng)工作的成敗?；鹦谴髿馀c地球大氣環(huán)境相比,氣候更加寒冷、空氣更加稀薄,如何確保在這種環(huán)境下順利實(shí)現(xiàn)開(kāi)傘控制是一個(gè)關(guān)鍵。開(kāi)傘控制方案的設(shè)計(jì)需要考慮到各種可能的進(jìn)入軌道,包括標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入軌道和各種偏差軌道,同時(shí)還要考慮到可供選擇的控制方法和器件精度,確保減速著陸系統(tǒng)開(kāi)傘以及開(kāi)傘后各個(gè)程序動(dòng)作均能及時(shí)、可靠地完成,避免開(kāi)傘時(shí)溫度過(guò)高、動(dòng)壓過(guò)大和開(kāi)傘高度過(guò)低等情況發(fā)生。

有關(guān)研究表明,回收航天器常采用的開(kāi)傘控制方法有純時(shí)間控制法、傳統(tǒng)的過(guò)載-時(shí)間控制法和靜壓高度控制法,但這些方法難以滿足火星探測(cè)著陸系統(tǒng)的開(kāi)傘要求[8-9]。美國(guó)“海盜號(hào)”采用的是雷達(dá)高度控制法[10],其他探測(cè)器大多采用自適應(yīng)過(guò)載控制法。目前,對(duì)于新一代無(wú)人火星探測(cè)器而言,隨著其質(zhì)量不斷增加,彈道系數(shù)增大,導(dǎo)致其進(jìn)入軌道的超聲速傘開(kāi)傘區(qū)域進(jìn)一步減小,要想實(shí)現(xiàn)正常的開(kāi)傘控制,面臨著更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。開(kāi)傘控制方法是我國(guó)未來(lái)火星探測(cè)著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須研究和解決的問(wèn)題之一。

4.5 減速著陸過(guò)程控制技術(shù)

“鳳凰號(hào)”及其之前的火星探測(cè)減速著陸任務(wù)大都使用無(wú)制導(dǎo)進(jìn)入方式,著陸器初始狀態(tài)的偏差及火星大氣參數(shù)的不確定性使得著陸點(diǎn)偏差高達(dá)100～200km。

隨著火星探測(cè)任務(wù)的發(fā)展,探測(cè)的目標(biāo)開(kāi)始向建立火星基地、采樣返回及載人登陸火星的方向發(fā)展,需要將探測(cè)器及其有效載荷精確著陸到一定范圍之內(nèi),比如,采樣返回任務(wù)可能使用可分離的進(jìn)入飛行器用于樣品的收集和返回;載人探測(cè)可能需要將成員的進(jìn)入飛行器著陸在居住點(diǎn)和補(bǔ)給點(diǎn)附近,這對(duì)探測(cè)器著陸精度有很高的要求。而目前的減速著陸技術(shù),尤其是在接近火星表面的階段處于不可控狀態(tài),探測(cè)器很難實(shí)現(xiàn)一定精度的著陸。因此,為了提高火星探測(cè)器著陸點(diǎn)的精度,需要對(duì)整個(gè)進(jìn)入減速著陸過(guò)程進(jìn)行制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制,從而補(bǔ)償初始的進(jìn)入誤差和大氣環(huán)境導(dǎo)致的誤差,提高著陸精度。目前,美國(guó)在這方面已開(kāi)始進(jìn)行了一些研究[11],其研究?jī)?nèi)容主要包括以下6個(gè)方向。

(1)用于火星精確著陸的先進(jìn)高超聲速進(jìn)入制導(dǎo)技術(shù)

這項(xiàng)技術(shù)的目標(biāo)是研制一個(gè)高超聲速進(jìn)入制導(dǎo)算法,可以滿足未來(lái)火星減速著陸系統(tǒng)的需求。目前,火星著陸器的進(jìn)入飛行器的升阻比較低,還是屬于彈道式進(jìn)入。今后的火星任務(wù)需要將體積更大、質(zhì)量更大的有效載荷著陸到火星表面,這就要求研制出具有高升阻比的進(jìn)入飛行器,完成升力式進(jìn)入。針對(duì)這些要求,制導(dǎo)算法應(yīng)能完成高超聲速氣動(dòng)的進(jìn)入計(jì)算。

未來(lái)的火星探測(cè)任務(wù)需要將不同時(shí)間的多個(gè)著陸器著陸到同一區(qū)域,并且需要在相同的推進(jìn)控制方案要求下,使著陸精度達(dá)到100m左右,這就對(duì)制導(dǎo)計(jì)算方法提出了新的要求。此外,制導(dǎo)算法還應(yīng)該在不改變進(jìn)入器防熱設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下,通過(guò)計(jì)算得到更加精確的降落傘展開(kāi)條件,即降落傘展開(kāi)的高度、速度等參數(shù)[12]。

(2)軌道器和著陸器結(jié)合的進(jìn)入減速著陸(EDL)導(dǎo)航技術(shù)

過(guò)去火星著陸任務(wù)使用的都是無(wú)制導(dǎo)進(jìn)入方式,著陸器的初始狀態(tài)偏差和大氣參數(shù)的不確定性使其著陸點(diǎn)偏差達(dá)到100km以上。研究表明,在進(jìn)入階段的導(dǎo)航功能可以通過(guò)利用軌道飛行器和著陸器之間的無(wú)線電通信來(lái)完成,通過(guò)使用火星著陸器和軌道器之間的無(wú)線電數(shù)據(jù)可以大大提高EDL的導(dǎo)航能力。

該項(xiàng)技術(shù)原本計(jì)劃應(yīng)用在“鳳凰號(hào)”火星探測(cè)器上,但是最終沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)主要是檢驗(yàn)不同的天線設(shè)計(jì),并且開(kāi)發(fā)出一種天線,對(duì)其進(jìn)行熱防護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn),從而驗(yàn)證它在進(jìn)入火星大氣前后的性能。還將對(duì)其進(jìn)行等離子干擾分析,以用來(lái)驗(yàn)證其在進(jìn)入階段可能發(fā)生的通信中斷情況。此外,“鳳凰號(hào)”探測(cè)器原計(jì)劃還開(kāi)發(fā)一個(gè)卡爾曼濾波器用于降低進(jìn)入大氣前后的導(dǎo)航狀態(tài)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。著陸器和軌道器之間的多普勒測(cè)距儀也將在EDL過(guò)程中得到使用。使用該項(xiàng)技術(shù)后,火星探測(cè)器的著陸精度達(dá)到10km以內(nèi)[13-14]。

(3)利用在軌信標(biāo)機(jī)的精確著陸導(dǎo)航技術(shù)

著陸精度在1km以內(nèi)的著陸技術(shù)可以提高探測(cè)器的安全性,并且使其具有降落在預(yù)定區(qū)域的能力。進(jìn)入器上面安裝的信標(biāo)機(jī)發(fā)出的實(shí)時(shí)導(dǎo)航數(shù)據(jù)可以將著陸器原來(lái)3km左右的著陸誤差降低到500m以內(nèi)。

使用信標(biāo)機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航有利于2個(gè)航天器(如著陸器與軌道器)之間的通信連接,特別是在2個(gè)航天器之間的速度與無(wú)線電波束平行的情況下,可以實(shí)時(shí)確定著陸器的位置和速度。信標(biāo)機(jī)提供的導(dǎo)航修正數(shù)據(jù)可以大大降低超聲速降落傘的開(kāi)傘高度誤差,從而提高著陸器的著陸精度[15-16]。

(4)用于精確著陸的艙上自適應(yīng)導(dǎo)航技術(shù)

這項(xiàng)技術(shù)的目的是開(kāi)發(fā)一個(gè)穩(wěn)定的自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng),用于在高超聲速階段主動(dòng)制導(dǎo)著陸器的EDL系統(tǒng),使其滿足降落傘的展開(kāi)條件,并最終安全著陸到火星表面。這個(gè)自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)可以處理慣性測(cè)量單元(IMU)和外部傳感數(shù)據(jù),然后得出一個(gè)著陸器自身的狀態(tài)估計(jì),并且考慮了IMU的失效問(wèn)題和大氣參數(shù)的不確定性。其主要工作內(nèi)容是完成一種算法,用來(lái)在高超聲速階段和氣動(dòng)加熱階段,處理最終制導(dǎo)傳感器(如高度計(jì))測(cè)量的IMU數(shù)據(jù)[17]。

(5)圖像與慣性制導(dǎo)結(jié)合的精確著陸導(dǎo)航技術(shù)

這項(xiàng)技術(shù)的工作重點(diǎn)是估計(jì)著陸器著陸點(diǎn)的精確程度,其目的是研究開(kāi)發(fā)對(duì)于著陸器運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)的實(shí)時(shí)估計(jì)方法[18]。

(6)火星可控降落傘技術(shù)

火星可控降落傘(MGP)是美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室火星技術(shù)工程(MTP)的一部分。其目的是驗(yàn)證在下降階段利用降落傘的風(fēng)飄補(bǔ)償(WDC)控制,提高著陸點(diǎn)精度技術(shù)的可行性。這項(xiàng)技術(shù)將在火星EDL過(guò)程的下降段中使用,可以將著陸精度提高到幾十米的量級(jí),并將用于未來(lái)的無(wú)人著陸和載人登火星任務(wù)[19]。

4.6 自主避障著陸技術(shù)

迄今為止,所有的火星探測(cè)著陸器都尚未具備自主避障的能力。然而由于火星表面分布有火山坑、巖石、溝壑等,這些特殊地形對(duì)于火星探測(cè)器的安全著陸,特別是未來(lái)火星基地的建立、采樣返回及載人登火星來(lái)說(shuō)是非常危險(xiǎn)的。這就為未來(lái)的火星探測(cè)器提出了自主避障能力的要求。

自主避障著陸技術(shù)主要涉及以下3個(gè)方向:1)地形特性信息的采集和處理技術(shù);2)地形安全性的識(shí)別技術(shù);3)避障技術(shù)。

4.7 著陸緩沖技術(shù)

一般火星探測(cè)著陸器經(jīng)降落傘減速后,接近火星表面時(shí)的穩(wěn)定下降速度仍在55～90m/s左右,如果直接采用緩沖氣囊或著陸支架等機(jī)械式緩沖裝置進(jìn)行著陸都難以實(shí)現(xiàn)。因此,在觸地緩沖之前,必須采用反推發(fā)動(dòng)機(jī)將著陸器的下降速度進(jìn)一步減小,最后再采用緩沖裝置進(jìn)行緩沖著陸[1]。目前,工程上比較成熟的航天器著陸緩沖裝置有反推發(fā)動(dòng)機(jī)、緩沖氣囊、機(jī)械式緩沖支架和吸收能量的易損結(jié)構(gòu)等。而采用何種緩沖著陸方案要考慮工程目標(biāo)、探測(cè)方式、著陸點(diǎn)條件、研制成本以及可靠性安全性等方面的因素[4]。

目前,已經(jīng)在火星上成功應(yīng)用的2種方案是著陸支架和緩沖氣囊。著陸支架方案在“海盜號(hào)”上成功應(yīng)用,該方案借鑒了當(dāng)時(shí)月球探測(cè)器“勘測(cè)者”的著陸技術(shù)。“勘測(cè)者”、“海盜號(hào)”和“鳳凰號(hào)”采用的是三支腿著陸支架方案,“阿波羅”載人登月艙和其他月球系列都是采用4條支腿進(jìn)行著陸支撐。著陸支架一般由3根支腿組成:1個(gè)主承力支腿,2個(gè)側(cè)向的輔助支腿。著陸支腿的構(gòu)型有倒三角式和懸臂式2種,如圖2所示。倒三角式結(jié)構(gòu)和受力簡(jiǎn)單,但相比懸臂式結(jié)構(gòu),質(zhì)量大,穩(wěn)定性差,對(duì)著陸地形的適應(yīng)能力較差。在緩沖吸能設(shè)計(jì)上,“勘測(cè)者”和“月球系列”均采用液壓緩沖結(jié)構(gòu),而“海盜號(hào)”是采用鋁蜂窩緩沖材料。液壓緩沖具有很高的能量吸收效率,但緩沖性能容易受到溫度等環(huán)境影響,且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜;鋁蜂窩緩沖方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能比較穩(wěn)定。

倒三角式是主支腿和2個(gè)輔助支腿在主支腿內(nèi)筒下端的足墊附近相連接,構(gòu)成三角錐桿系。優(yōu)點(diǎn)是適合于承受集中載荷。懸臂式是指2個(gè)輔助支腿在主支腿外套筒下端與主支腿相連。這種形式的主支腿承受壓縮和彎曲載荷,最大彎矩在副支腿的連接處,副支腿承受壓力或拉力。

圖2 著陸支架的構(gòu)型

著陸支架方案的優(yōu)點(diǎn)是其技術(shù)已在月球和火星著陸工程中被多次驗(yàn)證,容易與著陸器結(jié)構(gòu)集成,能夠承受很大的質(zhì)量;缺點(diǎn)是受支架高度和穩(wěn)定性的限制,對(duì)著陸點(diǎn)的地形要求高,火星表面不能有大的坡度、巖石和凹坑等特殊情況。采用支架后,火星探測(cè)器離地面有一定的高度,過(guò)高的著陸器重心會(huì)增大著陸時(shí)危險(xiǎn)發(fā)生幾率。為了保證著陸安全,需要配備大推力的制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速,將垂直著陸速度減小到2m/s左右,水平著陸速度小于1m/s。同時(shí),為避免對(duì)著陸姿態(tài)產(chǎn)生干擾,發(fā)動(dòng)機(jī)需要在觸地前關(guān)機(jī),因此,會(huì)導(dǎo)致著陸器自由落下,使著陸速度增大。另外,由于支架高度較高,需要采用某種手段將巡視器安全降落到火星表面。

表2 著陸支架與緩沖氣囊的比較

由于著陸支架方案的系統(tǒng)配置相對(duì)復(fù)雜,NASA在“探路者”、“漫游者”上采用緩沖氣囊來(lái)實(shí)現(xiàn)緩沖著陸,并全部取得成功。緩沖氣囊系統(tǒng)由4個(gè)氣囊和氣體發(fā)生器組成,氣囊包裹著四面體結(jié)構(gòu)的著陸器。由于探測(cè)器在進(jìn)入火星大氣時(shí)速度很高,首先需要利用飛行器的氣動(dòng)外形在高超聲速階段進(jìn)行減速,當(dāng)速度降低到Ma≈2時(shí),降落傘展開(kāi)工作,在距離地面一定高度后,利用反推發(fā)動(dòng)機(jī)最后減速,然后釋放包裹探測(cè)器的緩沖氣囊,完成著陸緩沖?！疤铰氛摺笔紫炔捎昧诉@種緩沖氣囊的軟著陸技術(shù),其進(jìn)入器直接進(jìn)入火星大氣層,在降落傘和反推火箭的協(xié)助下緩慢穿過(guò)稀薄的火星大氣層,在距離地面100m左右時(shí),“探路者”變?yōu)樽杂上侣錉顟B(tài),并展開(kāi)安全氣囊,著陸后整個(gè)著陸器在火星表面彈跳,并慢慢平穩(wěn)。平穩(wěn)后,氣囊放氣,著陸器艙壁板展開(kāi),放出火星漫游車。

氣囊的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了著陸系統(tǒng)的設(shè)計(jì),可以以較大的速度進(jìn)行著陸,對(duì)著陸姿態(tài)沒(méi)有太多的要求,更適應(yīng)相對(duì)復(fù)雜的著陸地形。缺點(diǎn)是氣囊結(jié)構(gòu)相對(duì)有效載荷質(zhì)量較大,適合著陸質(zhì)量小于1 000kg的著陸器。另外,由于受到承擔(dān)的有效載荷的質(zhì)量限制,全向氣囊方案不適合將來(lái)的取樣返回和載人登火星計(jì)劃。

目前,NASA正在加緊研制新的火星著陸技術(shù),例如原計(jì)劃2010年將發(fā)射的“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”,其要求著陸點(diǎn)海拔高度1km,著陸器質(zhì)量800kg,著陸精度為10km。為了滿足這些要求,“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”設(shè)計(jì)了不同于以前的著陸緩沖方案——“空中吊車”(Sky Crane)精確著陸技術(shù),如圖3所示。

圖3 “空中吊車”精確著陸技術(shù)

在該項(xiàng)技術(shù)中,由“空中吊車”直接將漫游車送到火星表面,無(wú)需安全緩沖氣囊。主要工作原理是:探測(cè)器在大約離地面1 500m處動(dòng)力下降段和后體分離,8個(gè)制動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作,同時(shí)有8個(gè)小推力姿控發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行俯仰、滾動(dòng)、偏航控制;在下降到離地面19.5m時(shí),動(dòng)力下降段的垂直速度減小到0.75m/s,水平速度為0,動(dòng)力下降段通過(guò)3根吊帶釋放漫游車,吊帶長(zhǎng)7.5m;同時(shí),動(dòng)力下降段以0.75m/s的速度勻速下降,直到漫游車觸地。漫游車著陸后切斷吊帶,動(dòng)力下降段飛離擺脫著陸點(diǎn)。漫游車在著陸時(shí)靠6個(gè)車輪進(jìn)行緩沖,類似汽車的減震設(shè)計(jì),保證能以小于1m/s的垂直速度、0.5m/s的水平速度著陸在15°的斜坡上。這種著陸方式可使漫游車著陸在20～40km范圍的區(qū)域,比以前探測(cè)器在火星的著陸范圍縮小了很多[20]。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)目前國(guó)外火星探測(cè)器減速著陸技術(shù)的分析,可以發(fā)現(xiàn),火星著陸的著陸精度要求越來(lái)越高,著陸有效載荷的質(zhì)量越來(lái)越大,著陸過(guò)程的可控性越來(lái)越強(qiáng),著陸方式越來(lái)越多。因此,我國(guó)應(yīng)加緊對(duì)火星探測(cè)器減速著陸系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)或環(huán)節(jié)進(jìn)行研究,在充分研究關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出符合我國(guó)實(shí)際情況的火星探測(cè)器減速著陸系統(tǒng)方案,為進(jìn)一步開(kāi)展我國(guó)對(duì)火星探測(cè)的研究奠定基礎(chǔ)。

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