陳昌亞,方寶東,王 偉,李綠萍,李金岳,朱新波,周必磊

(上海衛(wèi)星工程研究所,上海 200240)

0 引言

當(dāng)前深空探測(cè)的熱點(diǎn)是月球、火星和金星探測(cè)。美國(guó)、前蘇聯(lián)、歐空局和日本都制定過詳細(xì)的火星、金星探測(cè)計(jì)劃,印度也提出在2013/2016年發(fā)射火星探測(cè)器。我國(guó)的探月工程與探火/金工程齊頭并進(jìn)。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(cè)器小型化、集成化和輕型化,通過有限的能量進(jìn)行不同的軌道控制,完成各種探測(cè)任務(wù),并可攜帶較多的有效載荷對(duì)火星/金星進(jìn)行科學(xué)探測(cè)。

“十一五”期間,在中俄兩國(guó)政府間航天合作框架協(xié)議的基礎(chǔ)上,開展了中俄聯(lián)合探測(cè)火星項(xiàng)目。中方獨(dú)立研制一顆火星探測(cè)器(YH-1),作為我國(guó)火星探測(cè)的先行,并為以后的火星環(huán)繞器研制建立良好的技術(shù)基礎(chǔ);對(duì)我國(guó)的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量(VLBI)網(wǎng)的火星測(cè)定軌能力進(jìn)行一次很好的檢驗(yàn);為深空通信網(wǎng)的建設(shè)和國(guó)際合作積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。通過YH-1火星探測(cè)器的工程研制,我國(guó)已初步掌握了火星環(huán)繞器設(shè)計(jì)總體技術(shù),包括星際環(huán)境條件,姿態(tài)控制,星上高度自主控制,深空測(cè)控通信,深冷低溫環(huán)境適應(yīng),深空環(huán)繞器的小型化、集成化和輕型化,以及深空探測(cè)地面試驗(yàn)驗(yàn)證方法等基礎(chǔ)技術(shù),并組建和鍛煉了一批素質(zhì)過硬、技術(shù)全面、吃苦耐勞的深空探測(cè)研制團(tuán)隊(duì),為我國(guó)下一步開展火星探測(cè)工程奠定了良好的基礎(chǔ)?！笆濉逼陂g,我國(guó)將在積累YH-1火星探測(cè)器技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展自主火星探測(cè),用我國(guó)研制的運(yùn)載火箭將環(huán)繞器運(yùn)送到火星軌道,并主要依靠我國(guó)的深空站完成深空測(cè)控任務(wù)。其總目標(biāo)是：成功自主發(fā)射火星環(huán)繞器;通過光學(xué)等手段,對(duì)火星地形地貌進(jìn)行成像,為比較行星學(xué)的研究搜尋相關(guān)依據(jù);初步建立國(guó)內(nèi)深空測(cè)控體制,使火星環(huán)繞器技術(shù)趨于成熟;在此基礎(chǔ)上,初步建立國(guó)內(nèi)適應(yīng)深空的測(cè)控、運(yùn)載、發(fā)射場(chǎng)和地面應(yīng)用等各大系統(tǒng),形成我國(guó)深空探測(cè)體系;以光學(xué)為主,通過環(huán)繞器對(duì)火星表面進(jìn)行普查和詳查,對(duì)成像類載荷分辨率、譜段及探測(cè)區(qū)域與國(guó)外已有成果進(jìn)行互補(bǔ);配合環(huán)境類載荷,認(rèn)識(shí)火星空間環(huán)境,掌握第一手科學(xué)數(shù)據(jù)。

為此,本文提出了一種基于YH-1火星探測(cè)器技術(shù)的自主火星探測(cè)器方案。

1 總體方案簡(jiǎn)述

火星探測(cè)工程的規(guī)模龐大,當(dāng)前的火星探測(cè)需為后續(xù)火星探測(cè)服務(wù)。YH-1火星探測(cè)器為我國(guó)火星探測(cè)提供了寶貴的技術(shù)積累,且該衛(wèi)星平臺(tái)能適應(yīng)火星后續(xù)探測(cè)的需要[1～3]?；赮H-1火星探測(cè)器平臺(tái)的自主火星探測(cè)方案主要如下。

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

自主火星探測(cè)器系統(tǒng)由環(huán)繞器和推進(jìn)艙組成,上部為環(huán)繞器,下部為推進(jìn)艙,其構(gòu)型如圖1、2所示。探測(cè)器巡航期間的軌道機(jī)動(dòng)和修正,以及到達(dá)火星引力場(chǎng)后的制動(dòng)和軌道修正均由推進(jìn)艙實(shí)現(xiàn),環(huán)繞器采用基于HY-1火星探測(cè)器的SAST100增強(qiáng)型平臺(tái),可攜帶較多較大的有效載荷,進(jìn)入火星軌道后,開展環(huán)繞火星的科學(xué)探測(cè)。

圖1 探測(cè)器收攏發(fā)射狀態(tài)構(gòu)型Fig.1 Stowed conf iguration of Mars probe

圖2 探測(cè)器展開狀態(tài)構(gòu)型Fig.2 Deployed configuration of Mars probe

探測(cè)器采用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射,探測(cè)器的發(fā)射質(zhì)量1 700 kg,環(huán)繞器質(zhì)量300 kg,推進(jìn)艙1 400 kg。探測(cè)器飛行期間長(zhǎng)期功耗280 W,短期功耗500 W,初步設(shè)計(jì)壽命為3年。探測(cè)器系統(tǒng)總體主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 探測(cè)器主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Parameters of Mars probe

1.2 推進(jìn)艙

推進(jìn)艙采用外承力筒結(jié)構(gòu)。氧化劑箱和燃料箱間隔布置。主發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在貯箱之間,儀器艙設(shè)備布局于艙體內(nèi)。姿控發(fā)動(dòng)機(jī)置于推進(jìn)艙艙壁。外承力筒結(jié)構(gòu)推進(jìn)艙貯箱采用球柱形儲(chǔ)箱,用雙法蘭面連接。推進(jìn)艙采用4個(gè)體積280 L的球柱形表面張力貯箱、單臺(tái)推力490 N的主推力器,進(jìn)行軌道控制。該推進(jìn)艙與火箭采用直徑Φ1 666 mm接口,與環(huán)繞器采用4只爆炸螺釘?shù)倪B接接口。環(huán)繞器控制推進(jìn)艙的工作,并對(duì)推進(jìn)艙供電。然后多次調(diào)整進(jìn)入遠(yuǎn)火點(diǎn)高度2 600 km、近火點(diǎn)高度(250±50)km、軌道傾角95°±5°的第一工作軌道,進(jìn)行各種科學(xué)試驗(yàn)探測(cè)。

推進(jìn)艙燃料耗盡后,地面上行指令實(shí)施推進(jìn)艙與環(huán)繞器分離,環(huán)繞器依靠自身攜帶的燃料主動(dòng)變軌并驗(yàn)證大氣制動(dòng)技術(shù)進(jìn)入遠(yuǎn)火點(diǎn)高度600 km、近火點(diǎn)高度(250±50)km、軌道傾角95°±5°的第二工作軌道,在更低軌道進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)探測(cè)。

自主火星探測(cè)器在巡航段及變軌段過程中均進(jìn)行相應(yīng)的科學(xué)探測(cè)。

1.3 軌道設(shè)計(jì)

根據(jù)引力中心的不同,火星探測(cè)器飛行軌道可分為以地球引力場(chǎng)為中心的發(fā)射段和初始飛行段、以太陽引力場(chǎng)為中心的地火轉(zhuǎn)移段,以及以火星引力場(chǎng)為中心的捕獲段與環(huán)繞飛行段三個(gè)主要階段。每個(gè)飛行段中,探測(cè)器均是一個(gè)復(fù)雜的等效三體問題,受燃料、各軌道段的動(dòng)力學(xué)、測(cè)控和光照條件等因素的影響。探測(cè)器飛行中的軌道變化如圖3所示。

探測(cè)器由長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭直接發(fā)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(nèi),經(jīng)減速制動(dòng)被火星捕獲,捕獲軌道為遠(yuǎn)火點(diǎn)高度60 000 km、近火點(diǎn)高度400 km極火大橢圓軌道,

1.4 測(cè)控方案

YH-1火星探測(cè)器在巡航段是由俄方進(jìn)行測(cè)控,環(huán)火段是由中方進(jìn)行測(cè)定軌。自主火星探測(cè)各飛行軌道段測(cè)控任務(wù)及主要測(cè)控設(shè)備配置見表2,其僅在巡航段與YH-1火星探測(cè)器不同,測(cè)控方案不同之處設(shè)計(jì)如下：

a)火星探測(cè)器通信儀器安裝在環(huán)繞器上,完成衛(wèi)星全過程的測(cè)控任務(wù)。

b)衛(wèi)星發(fā)射至入軌的初期10萬km以內(nèi)測(cè)控,由地面測(cè)控網(wǎng)和推進(jìn)艙S波段寬波束天線測(cè)控分系統(tǒng)完成;在飛離地球10萬km～4億km,衛(wèi)星使用環(huán)繞器的X波段測(cè)控設(shè)備直至入軌后的測(cè)控。環(huán)繞器采用測(cè)控?cái)?shù)傳一體化設(shè)計(jì),在繼承YH-1火星探測(cè)器技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

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

表2 探測(cè)器各飛行軌道段測(cè)控任務(wù)及主要測(cè)控設(shè)備配置Tab.2 TT&Cequipments of Mars probe and ground

c)采用音碼混合測(cè)距、VLBI和多普勒等多種測(cè)軌技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道的精確測(cè)量。

從巡航至整個(gè)環(huán)繞火星飛行的軌道中太陽-探測(cè)器-地球的夾角為10°～130°。從發(fā)射初期時(shí)的130°單調(diào)下降至發(fā)射后100多天達(dá)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(jié)束時(shí)的約40°。在環(huán)火軌道段,日-星-地夾角保持在40°左右。根據(jù)此計(jì)算結(jié)果,X波段測(cè)控應(yīng)答機(jī)天線的波束如能覆蓋10°～130°的范圍就能確保整個(gè)飛行軌道段探測(cè)器在對(duì)日定向條件下,上下行鏈路可保持對(duì)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(cè)控方案中上下行信道各使用2個(gè)低增益天線可滿足從巡航飛行到環(huán)繞飛行跟蹤的需要,為在環(huán)繞飛行軌道滿足探測(cè)數(shù)據(jù)傳輸需要,設(shè)置中、高增益發(fā)射天線各1個(gè)。

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(shù)方案

我國(guó)火星探測(cè)剛起步,已解決多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),并在YH-1火星探測(cè)器的研制過程中通過地面試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。其中部分關(guān)鍵技術(shù)見表3。

表3 自主火星探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)Tab.3 Key technologies of independence launch Mars probe

a)深空遠(yuǎn)距離測(cè)控?cái)?shù)傳技術(shù)

探測(cè)器與地球的最遠(yuǎn)通信距離達(dá)4億km。為克服巨大的信號(hào)衰減,僅依靠提高星載設(shè)備或地面站的發(fā)射機(jī)功率和天線口徑的增大受到限制,須采取綜合技術(shù)措施解決,以確保環(huán)繞器與地面間的有效通信。YH-1火星探測(cè)器采用的測(cè)控通信技術(shù)主要有：研制了高靈敏度深空測(cè)控接收機(jī),通過了所有地面試驗(yàn)考核,需要進(jìn)一步飛行驗(yàn)證;為提高射頻頻段,研制了X波段發(fā)射機(jī),通過了所有地面試驗(yàn)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(shù),以獲取編碼增益,降低解調(diào)門限值;利用卷積碼與RS碼級(jí)聯(lián),獲得編碼增益9 dB。

b)長(zhǎng)時(shí)間自主管理技術(shù)

因距離遙遠(yuǎn),信號(hào)從地球發(fā)射至被火星探測(cè)器接收需約21 min。顯然,探測(cè)器上任何動(dòng)作都需地面站注入指令完成是不現(xiàn)實(shí)的,這就需要探測(cè)器實(shí)現(xiàn)高度自主控制。YH-1火星探測(cè)器專門設(shè)計(jì)了繞火飛行期間的長(zhǎng)時(shí)間自主管理程序,實(shí)現(xiàn)了從自主分離、帆板自主展開、自主對(duì)日定向、姿態(tài)自主機(jī)動(dòng)、自主對(duì)地?cái)?shù)傳、電源及陰影自主管理、故障自主診斷和修復(fù)等探測(cè)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(cè)器在軌的生存和工作能力。YH-1火星探測(cè)器的自主管理功能通過了地面試驗(yàn)的嚴(yán)格檢驗(yàn)和考核。

c)多模式姿態(tài)控制技術(shù)

多數(shù)地球觀測(cè)任務(wù)要求衛(wèi)星具有對(duì)地觀測(cè)姿態(tài)、對(duì)地?cái)?shù)傳和對(duì)日定向三種主要姿態(tài)控制模式,其中前兩種姿態(tài)模式有時(shí)可公用。YH-1火星探測(cè)器的任務(wù)要求探測(cè)器具有的姿態(tài)模式更多,如對(duì)地通信、對(duì)日定向、對(duì)火星觀測(cè)和星-星掩星試驗(yàn)等模式,其復(fù)雜度遠(yuǎn)大于常規(guī)地球衛(wèi)星。經(jīng)國(guó)內(nèi)專家近3年的技術(shù)攻關(guān),該技術(shù)已在YH-1火星探測(cè)器上使用并經(jīng)地面考核。

d)活動(dòng)部件及電子器件的休眠-喚醒技術(shù)

地火轉(zhuǎn)移飛行時(shí)間約10月,其間展開機(jī)構(gòu)、火工品切割機(jī)構(gòu)等多個(gè)機(jī)構(gòu)和單機(jī)處于不工作的休眠狀態(tài)。對(duì)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于休眠狀態(tài)的機(jī)構(gòu)和單機(jī),在到達(dá)火星后喚醒并正常工作是火星探測(cè)的關(guān)鍵。YH-1火星探測(cè)器研制中對(duì)此進(jìn)行了專題研究和專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證,如太陽陣展開機(jī)構(gòu)和火工品切割器通過了12個(gè)月低溫貯存試驗(yàn)考核,展開試驗(yàn)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(shù)管等鑒定級(jí)電子產(chǎn)品通過了-50℃低溫貯存試驗(yàn)考核。

e)長(zhǎng)陰影探測(cè)器生存技術(shù)

YH-1火星探測(cè)器在設(shè)計(jì)初期,由于俄方探測(cè)器接口條件的約束,將導(dǎo)致探測(cè)器在運(yùn)行軌道期間遇到最長(zhǎng)約8.8 h時(shí)的長(zhǎng)陰影環(huán)境,此情況在我國(guó)目前所有航天器中尚屬首次。在長(zhǎng)陰影導(dǎo)致的-190℃的深冷低溫環(huán)境中,需探測(cè)器合理使用能源、控制星上熱環(huán)境,保證探測(cè)器在長(zhǎng)陰影下的生存。為此,總體成立了長(zhǎng)火影課題攻關(guān)小組,同時(shí)建成了我國(guó)第一個(gè)整星級(jí)液氦(可達(dá)-269℃)真空試驗(yàn)系統(tǒng),以滿足地面長(zhǎng)陰影試驗(yàn)的需要。經(jīng)近2年的研究,2009年3月YH-1火星探測(cè)器在液氦經(jīng)歷了-260℃溫度環(huán)境考驗(yàn)后,仍可休眠喚醒、工作,方案合理,為后續(xù)深空探測(cè)類似技術(shù)難題解決提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于YH-1火星探測(cè)器技術(shù)的自主火星探測(cè)方案,探測(cè)器由推進(jìn)艙+環(huán)繞器組成,環(huán)繞器小型化、集成化、輕型化,滿足火星后續(xù)工程中的環(huán)繞器設(shè)計(jì)要求?；赮H-1火星探測(cè)器+推進(jìn)艙的自主火星探測(cè)方案,在充分繼承YH-1火星探測(cè)器已有成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上,明確了各系統(tǒng)間機(jī)、電、熱接口關(guān)系,對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了可行性分析,總體方案合理可行,通過了中國(guó)航天科技集團(tuán)公司的專家評(píng)審,滿足2013/2016年發(fā)射工程任務(wù)的需求。該方案的其平臺(tái)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(jìn)艙攜帶較多燃料并可擴(kuò)展,平臺(tái)的軌道適應(yīng)能力強(qiáng);推進(jìn)艙與環(huán)繞器可分離,環(huán)繞器軌道機(jī)動(dòng)能力強(qiáng);環(huán)繞器攜帶一定燃料,滿足軌道機(jī)動(dòng)及驗(yàn)證大氣制動(dòng)技術(shù)的需求,進(jìn)一步滿足科學(xué)探測(cè)的需求。

自主火星探測(cè)工程難度大、時(shí)間緊,其意義和影響巨大。在國(guó)際上新一輪深空探測(cè)高潮中,我國(guó)既要加快研制進(jìn)度,抓住寶貴的發(fā)射窗口,又要切實(shí)保證探測(cè)的成功率,盡快立項(xiàng)與優(yōu)化研制流程以確保首發(fā)成功。

[1]陳昌亞.火星探測(cè)技術(shù)的發(fā)展[J].科學(xué),2009,61(5)：16-19.

[2]陳昌亞,方寶東,曹志宇,等.YH-1火星探測(cè)器設(shè)計(jì)及研制進(jìn)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(hào)探測(cè)器的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(5)：456-461.