盧 波 （北京空間科技信息研究所）

國外行星探測進(jìn)入器發(fā)展綜述

Development Review of Foreign Planetary Exploration Entry Probe

盧 波 （北京空間科技信息研究所）

空間技術(shù)的發(fā)展使人類逐步掌握了向太陽系的行星發(fā)射探測器，進(jìn)入其環(huán)繞軌道，以及進(jìn)入其大氣，在其表面著陸，從而實現(xiàn)了就位探測、巡視探測和采樣返回。在人類50多年的深空探測過程中，美國、蘇聯(lián)/俄羅斯、歐洲、中國、日本、印度等國家和組織先后發(fā)射了約234個深空探測器，已探測的太陽系天體有月球、火星、金星、木星、水星、土星、天王星、海王星和冥王星，實現(xiàn)了月球、火星、金星、土衛(wèi)六、小行星和彗星著陸，并實現(xiàn)了月球、小行星及彗星粒子采樣返回。

2004年登陸的美國機遇號火星車目前仍在火星表面進(jìn)行巡視探測

1 引言

在以往的行星探測任務(wù)中，基本的探測方式主要有采用軌道器進(jìn)行遙感探測，采用著陸器和巡視器進(jìn)行就位和巡視探測。然而，這些探測方式探測的區(qū)域有限，例如，著陸器探測范圍為幾平方米，巡視車為幾平方千米的范圍；而且著陸場所只能選在相對平坦的區(qū)域，這大大限制了對一些具有重要科學(xué)價值區(qū)域的探測。特別是，未來深空科學(xué)探索需要進(jìn)行更廣泛區(qū)域的無障礙探測，以全面了解行星大氣、表面及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

對于一些具有大氣層的太陽系行星，例如，火星、金星、木星和土星及其衛(wèi)星等，行星探測器可以進(jìn)入這類行星的大氣層，通過利用該行星的大氣阻力實現(xiàn)探測器的減速，并在其表面安全著陸。也可以利用探測器的大氣進(jìn)入過程，對該行星大氣進(jìn)行各種探測研究，獲得關(guān)于該行星的大氣成分及氣候信息，揭示行星大氣演化過程，建立行星大氣模型，以及為未來的行星探測器設(shè)計提供真實數(shù)據(jù)。深空探測器進(jìn)入行星大氣層的部分稱為進(jìn)入探測器（Entry Probe）。從廣義看，著陸器/巡視器、浮空器（氣球/飛艇）都屬于行星進(jìn)入器的范疇。

太陽系中，除了地球以外，有大氣層的星體有7個：金星、火星、木星、土星、天王星、海王星和土衛(wèi)六，其中，火星、金星、木星系和土衛(wèi)六是未來深空探索的重點探測目標(biāo)。

空間技術(shù)，特別是空間機器人技術(shù)的發(fā)展，將大大改變未來行星探測的格局。對有大氣星球的探測，國外近年來涌現(xiàn)出多種探測平臺概念和方案，主要可以分為行星氣球、飛機和飛艇。另一類是對有液體表面星球的探測，如土衛(wèi)六，提出了行星漂浮器的概念。

行星氣球、飛機和飛艇又可以統(tǒng)稱為行星浮空器，它們可以執(zhí)行星體表面測繪、行星大氣原位測量、表面采樣和投放著陸器等多種任務(wù)。作為大氣原位探測和大氣環(huán)流研究的重要平臺，行星浮空器可填補軌道器和表面巡視器之間的分辨率/覆蓋范圍的空白，還可以作為行星區(qū)域巡航平臺向感興趣區(qū)域投放微型探測器和提供通信中繼。此外，有動力飛艇還能夠進(jìn)行可控全球飛行，部署行星表面網(wǎng)絡(luò)站，以及投放表面儀器進(jìn)行樣品采集。此外，太陽能加熱氣球還能用作行星著陸時的大氣減速裝置等。

迄今，人類探測最多的太陽系內(nèi)有大氣的行星是金星和火星。其中，探測火星的任務(wù)為42次；探測金星的任務(wù)為41次。其他行星中，8個探測器探測了木星，其中1個進(jìn)入木星軌道，另外7個飛越了木星；4個探測器探測了土星，其中1個進(jìn)入土星軌道，另外3個飛越了土星；2個探測器探測了水星，其中1個飛越水星，1個進(jìn)入水星軌道。2015年7月14日，美國“新視野”飛抵太陽系最遠(yuǎn)的冥王星，使人類完成了太陽系原九大行星的探測。

歐洲“金星快車”于2006年4月11日進(jìn)入金星軌道

2 金星大氣進(jìn)入、下降及著陸技術(shù)的發(fā)展概況

截至2014年底，全世界共發(fā)射41次金星探測任務(wù)，其中蘇聯(lián)32次，美國7次，歐洲和日本各1次。早期的金星探測集中在1989年之前，共發(fā)射39次。最近的2次金星探測任務(wù)分別是歐洲航天局（ESA）于2005年11月發(fā)射的“金星快車”軌道器和日本于2010年5月發(fā)射的“拂曉”金星探測器，其中“金星快車”在軌運行達(dá)8年之久，于2014年12月22日因燃料耗盡與地球失去聯(lián)系墜入金星大氣；“拂曉”探測器因故障未能進(jìn)入金星軌道。

國外已發(fā)射的金星探測器及任務(wù)類型

目前，人類對金星的探測已實現(xiàn)了撞擊、掠飛、環(huán)繞、著陸等多種形式的探測，蘇聯(lián)1984年發(fā)射的維加－1、2探測器還在進(jìn)入金星大氣過程中釋放了充氦氣球，漂浮了近2天，測量了金星大氣。

金星的直徑和密度與地球相近，但其周圍被濃厚的云層覆蓋，地面望遠(yuǎn)鏡無法觀測到金星表面。金星的大氣溫度很高，達(dá)497℃；大氣密度比地球大60倍；金星表面的大氣壓力是地球表面的90余倍。由于金星的大氣密度很高，依靠大氣阻力，能夠較快地將進(jìn)入器的速度降低到著陸所需要的速度。但金星進(jìn)入器以高速進(jìn)入如此稠密的大氣層，將承受很高的制動過載和氣動加熱。

蘇聯(lián)的金星探測計劃，特別是大氣進(jìn)入和著陸任務(wù)取得巨大成功。1965年11月發(fā)射的金星－3是世界首個進(jìn)入金星大氣并撞擊金星的探測器，但未能傳回數(shù)據(jù)。1967－1969年發(fā)射的金星－4～6是首批成功進(jìn)入金星大氣的探測器，傳回了金星大氣溫度和壓力分布數(shù)據(jù)，但未到達(dá)金星表面便損壞。1970年8月發(fā)射的金星－7首次實現(xiàn)了金星軟著陸，首次在金星表面?zhèn)骰財?shù)據(jù)。金星－7不僅測量了進(jìn)入著陸過程中的大氣參數(shù)，還在金星表面進(jìn)行了53min的探測，獲得了金星表面溫度和壓力、大氣云層的組分、表面土壤的組分等數(shù)據(jù)；其著陸艙質(zhì)量約500kg，測得金星表面溫度為447℃，氣壓為90個大氣壓（1個大氣壓為1.01×105Pa），大氣密度約為地球的100倍。金星－7是第一個成功實現(xiàn)對金星進(jìn)行實地勘察的探測器。基于金星－7的成功，此后的金星－8～12也成功實現(xiàn)了金星軟著陸。

蘇聯(lián)在“金星”系列探測器獲得成功的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展了金星大氣漂浮探測技術(shù)，于1984年12月先后發(fā)射了維加－1、2金星探測器，1985年6月到達(dá)金星，成功向金星大氣層釋放了充氦氣的氣球漂浮器。

金星大氣進(jìn)入過程

金星進(jìn)入器進(jìn)入大氣層后的急劇減速過程主要在40km以上高度完成，40km以下高度的減速可采用降落傘完成。以蘇聯(lián)的金星－9進(jìn)入及著陸器為例，來闡述金星大氣進(jìn)入的基本過程。

金星－9的下降艙采用直徑2.4m的圓形氣動外殼，總質(zhì)量1560kg。下降艙本體高1.6m，質(zhì)量660kg。其下部是直徑1m的圓球，內(nèi)裝有各種科學(xué)儀器，外殼能承受10MPa的外壓；圓球下端是外徑1.7m的著陸環(huán)，圓球上端是直徑2.1m的剛性阻力板。阻力板上端是直徑0.8m、高0.4m的圓柱形儀器艙，內(nèi)裝有儀器設(shè)備和降落傘系統(tǒng)。在進(jìn)入大氣層的前2天，下降艙與軌道器分離，在距離金星表面125km處，下降艙以10.7km/s的速度進(jìn)入金星大氣層。

金星大氣的進(jìn)入及下降過程大致分為3個階段（以金星－9為例）：

1）依靠自身氣動阻力減速階段。從1 2 5 k m處進(jìn)入至下降到65km高度左右，速度由進(jìn)入時的10.7km/s降低到250m/s。

2）降落傘減速階段。在65km高度時，打開傘艙蓋，彈射出引導(dǎo)傘；隨后拉出牽引傘（6m2），牽引傘開傘10～14s后，防熱球上半部分離，拉出減速傘（24m2）；減速傘張滿后經(jīng)過5s延時，防熱球下半部分離，拉出主傘（180m2），主傘工作持續(xù)時間約20min。

3）阻力板減速階段。當(dāng)下降艙下降到48km高度時，主傘分離，此后的下降減速依靠剛性阻力板，最后以7.3～8.5m/s的速度在金星表面著陸。

美國于1962－1989年共實施了7次金星探測任務(wù)，其中6次獲得成功，發(fā)射數(shù)量遠(yuǎn)小于蘇聯(lián)，但成功率很高。其中，1978年8月發(fā)射的先驅(qū)者-金星－2探測器由公用艙和4個大氣進(jìn)入器（一大三小）組成。大進(jìn)入器以11.7km/s速度進(jìn)入金星大氣，在氣囊和降落傘的作用下，經(jīng)過1.5h穿過金星大氣層，以8.9m/s的速度撞擊在金星表面。3個小進(jìn)入器未裝備降落傘，下降較快，進(jìn)入下降過程持續(xù)59min，以10m/s的速度撞擊在金星表面。

先驅(qū)者-金星－2質(zhì)量為290kg，由公用艙、1個大進(jìn)入器和3個小進(jìn)入器組成。公用艙為直徑2.5m的圓柱體結(jié)構(gòu)，自旋穩(wěn)定，自旋速率15r/min。大進(jìn)入器為45°鈍錐體結(jié)構(gòu)，直徑1.5m，進(jìn)入質(zhì)量316kg，裝有碳酚醛熱防護(hù)層氣動外殼、制動導(dǎo)引傘、后罩和主降落傘，在45km處打開主降落傘，峰值過載280g。3個小進(jìn)入器構(gòu)型相同，均為45°鈍錐體結(jié)構(gòu)，直徑0.8m，進(jìn)入質(zhì)量94kg，裝有碳酚醛熱防護(hù)層氣動外殼，但未攜帶降落傘，峰值過載223g～458g。4個子探測器的科學(xué)儀器均采用銀鋅電池組供電。

美國先驅(qū)者-金星－2的公用艙和4個子探測器（進(jìn)入器）

小進(jìn)入器的球形儀器艙和氣動外殼

美國正研制以太陽電池為動力的金星探測飛機

金星大氣漂浮

金星的大氣分為上層、云層和下層3個層次。500～100km為上層較稀薄的大氣，在太陽風(fēng)作用下形成電離層；100～50km為濃密的云層（對流層），大氣密度比地球大氣濃密100倍；50km以下為下層，主要成分為二氧化碳、氟和氫氟酸，下層大氣高溫高壓（表面溫度達(dá)465℃，92個大氣壓），極大地限制了表面著陸器的壽命。而高度55km的對流層環(huán)境較為溫和，溫度30～40℃，與地球?qū)α鲗雍芟嗨?，該區(qū)域最適合利用氣球（或飛艇）進(jìn)行探測，蘇聯(lián)“維加”氣球的飛行高度為54km。

世界上第一個行星大氣浮空器是蘇聯(lián)1984年發(fā)射的“維加”金星任務(wù)（2個）釋放的。探測器攜帶質(zhì)量1500kg、直徑2.4m的球形下降艙，下降艙內(nèi)裝有浮空器和著陸器。浮空器質(zhì)量約21kg，是一個特氟龍充氦氣球，直徑3.54m，采用鋰電池（250W）供電，并由13m長的纜繩牽引。當(dāng)下降艙下降至61km處時，從著陸器后蓋釋放浮空器，在55km高度時打開降落傘，在50km時釋放壓艙物，漂浮持續(xù)46h，漂浮高度50～54km，緯度8°（N）。當(dāng)時地面的望遠(yuǎn)鏡跟蹤到氣球在金星大氣層生存了2天。

金星探測發(fā)展趨勢

早期金星探測任務(wù)密度大，但形式單一。未來金星探測的任務(wù)形式和手段將轉(zhuǎn)向多樣化發(fā)展，探測器規(guī)模呈增大趨勢。空間技術(shù)的進(jìn)步和探測手段的不斷豐富，將為開展金星環(huán)繞、進(jìn)入及大氣層內(nèi)探測組合的綜合探測，獲得更多的科學(xué)新發(fā)現(xiàn)提供很好的基礎(chǔ)和可能。特別是針對金星大氣稠密的特點，將出現(xiàn)浮空器、大氣層內(nèi)主動飛行器等多種探測平臺。

美國“海盜”在火星著陸示意圖

3 火星進(jìn)入、下降及著陸技術(shù)的發(fā)展概況

截至2014年底，美國、俄羅斯、歐洲、日本及印度向火星發(fā)射了42次火星探測器，任務(wù)成功或部分成功22次。隨著航天技術(shù)的進(jìn)步和成熟，20世紀(jì)90年代以來的火星探測取得了巨大成就。

迄今有13個軌道器進(jìn)入火星軌道，5個著陸器成功著陸火星，4輛火星車登陸火星，拍攝和傳回大量火星表面圖片，獲得了大量令人振奮的科學(xué)成果。

在42次火星任務(wù)中，包括美國、蘇聯(lián)/俄羅斯、歐洲在內(nèi)共進(jìn)行了15次火星大氣進(jìn)入及著陸任務(wù)，其中有7次著陸任務(wù)失敗。蘇聯(lián)/俄羅斯僅有1個著陸器獲部分成功（火星－3），而美國的7次進(jìn)入著陸任務(wù)全部獲得成功。

火星的大氣與地球相比，稀薄而寒冷?；鹦堑拇髿饷芏缺鹊厍蛐〖s2個數(shù)量級，只相當(dāng)于地球30km高度的大氣密度。進(jìn)入器在火星這樣稀薄的大氣層里降落，僅依靠大氣阻力減速不足以達(dá)到安全著陸的要求。在著陸的最后階段，必須采取附加的減速手段，如反推制動火箭以及著陸緩沖裝置等。

1975年8月和9月，美國發(fā)射了2個“海盜”探測器，每個探測器包括1個軌道器和1個著陸器。1976年7月，海盜－1著陸器在火星克里斯平原成功實現(xiàn)軟著陸。它在火星表面持續(xù)工作了6年多，直到1982年11月才與地球失去聯(lián)系。

火星探測進(jìn)入器從進(jìn)入火星大氣層開始，到在火星表面安全著陸，可分為3個階段，以“海盜”為例，說明其進(jìn)入、下降及著陸（EDL）過程?！昂１I”進(jìn)入器自身質(zhì)量605kg，其氣動外形為錐度140°的圓錐形，后殼為雙錐度的圓錐殼，氣動外形最大直徑3.5m、高1.7m，防熱罩采用碳酚醛燒蝕材料。

火星進(jìn)入、下降及著陸過程可分為3個階段（以“海盜”為例）：

1）氣動減速階段，是指從進(jìn)入大氣層到下降至5～10km的階段。進(jìn)入器在距離火星表面243km高度進(jìn)入火星大氣層。進(jìn)入器上裝有姿控系統(tǒng)，控制其俯仰和偏航姿態(tài)，由雷達(dá)高度計提供高度信息。

2）降落傘減速階段，是指從5～10km高度下降到1km以下的階段。當(dāng)下降到6.4km高度、速度減至366m/s時，彈出直徑16m的降落傘；7s后，前罩殼分離，3根著陸支腿伸出。

3）當(dāng)下降到1.4 k m高度左右、速度減小到60m/s時，后罩殼分離，降落傘帶后罩殼飄走，反推制動火箭點火，進(jìn)入器以3～6m/s的速度著陸在火星表面。

美國已掌握了多種火星進(jìn)入及著陸技術(shù)，大氣進(jìn)入控制能力和著陸精度大幅提高

美國從“海盜”計劃開始實施火星進(jìn)入、下降及著陸任務(wù)，其技術(shù)方案繼承了當(dāng)時的“勘測者”月球著陸任務(wù)以及“阿波羅”登月飛船獲得的成功經(jīng)驗，其火星著陸主要技術(shù)包括70°鈍錐體的著陸艙外形、支腿式緩沖機構(gòu)、超聲速盤縫帶傘、制動發(fā)動機。而隨后研制的火星著陸器又大都繼承了“海盜”的研制經(jīng)驗。

目前已使用的火星進(jìn)入最終著陸緩沖階段有4種方式：一是通過制動發(fā)動機減速直接著陸；二是采用緩沖支腿（“海盜”）；三是用緩沖氣囊（“火星探路者”、勇氣號和機遇號）；四是“火星科學(xué)實驗室”（好奇號）使用的“空中吊車”。

好奇號的進(jìn)入、下降及著陸過程

好奇號通過降落傘和“空中吊車”方式在火星表面著陸

由于進(jìn)入質(zhì)量大（2.8t），好奇號在繼承降落傘和制動火箭減速技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型的進(jìn)入、下降及著陸系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點：①采用8臺反推火箭在1.6km處點火，在40s內(nèi)實現(xiàn)快速減速；②距離表面20m高時，“空中吊車”保持低速盤旋（0.75m/s），用繩索緩慢下放漫游車；③著陸精度高，約為20km，而以前的勇氣號/機遇號的著陸精度為80km左右；④漫游車著陸平穩(wěn)，安全性高，可快速進(jìn)入工作狀態(tài)。

蘇聯(lián)/俄羅斯火星進(jìn)入及著陸任務(wù)僅獲得部分成功

蘇聯(lián)/俄羅斯是世界上最先開展火星探測活動的國家，于1960年發(fā)射了世界第一個火星探測器。由于火星環(huán)境復(fù)雜、任務(wù)風(fēng)險高，蘇聯(lián)/俄羅斯的火星探測任務(wù)大部分都以失敗告終。

1960年10月-2011年11月，蘇聯(lián)/俄羅斯共進(jìn)行了19次火星探測任務(wù)發(fā)射，其中因運載火箭故障導(dǎo)致的發(fā)射失敗有9次。在10次成功發(fā)射任務(wù)中，只有5次探測器進(jìn)入火星軌道，另外的5次未能進(jìn)入火星軌道。其中，執(zhí)行著陸任務(wù)6次，失敗5次，只有1971年發(fā)射的火星－3著陸獲得成功，這是世界首次火星軟著陸，但僅傳輸20s的數(shù)據(jù)，著陸器就毀壞在火星沙塵暴中。

蘇聯(lián)/俄羅斯火星著陸器的基本參數(shù)

蘇聯(lián)火星－3著陸器

火星探測大氣進(jìn)入及著陸技術(shù)總結(jié)及其發(fā)展趨勢

火星著陸器從進(jìn)入火星大氣到真正著陸所經(jīng)歷的時間最短約為380s，最長為460s，即平均7min左右。這是整個火星任務(wù)中最危險、最重要的環(huán)節(jié)，人們將登陸火星的最后7min稱為“恐怖7分鐘”。火星上稀薄的大氣和復(fù)雜的表面環(huán)境給航天器的下降和著陸造成了極大的困難，例如，稀薄大氣下的超聲速開傘減速、進(jìn)入過程的過載加熱、最終著陸階段的危險規(guī)避等。

至今，美國共實施了7次火星進(jìn)入及著陸任務(wù)，全部獲得成功。特別是2012年8月6日，美國新一代火星車好奇號采用“空中吊車”技術(shù)在火星表面的蓋爾環(huán)形山成功著陸，是目前進(jìn)入火星大氣質(zhì)量最大的著陸載荷，著陸質(zhì)量達(dá)到1541kg,為“海盜”著陸質(zhì)量的2.6倍，著陸精度從勇氣號/機遇號的80km提高到20km。

“海盜”采用了著陸支腿緩沖方案，借鑒了當(dāng)時的“勘測者”月球探測器的著陸技術(shù)。其優(yōu)點是容易與著陸器結(jié)構(gòu)集成，能夠承受很大的質(zhì)量，并可為表面操作提供穩(wěn)定平臺；缺點是對著陸點地形要求較高，著陸位置不能有大的坡度和巖石。

“火星探路者”和“火星漫游者”（勇氣號和機遇號）采用了緩沖氣囊，優(yōu)點是簡化了著陸系統(tǒng)的設(shè)計，能以較大的速度著陸，對著陸姿態(tài)無要求，可適應(yīng)復(fù)雜的地形，缺點是只適合質(zhì)量較小的著陸裝置。

著陸支腿、氣囊緩沖方式各有優(yōu)點，要針對具體任務(wù)進(jìn)行具體分析，其設(shè)計和控制要充分考慮各種著陸風(fēng)險，并提高承受惡劣環(huán)境的能力。

從發(fā)展趨勢看，火星大氣進(jìn)入載荷質(zhì)量將不斷增大，從數(shù)百千克提高到數(shù)千千克；火星進(jìn)入及著陸的方式由無控式變?yōu)榭煽厥?，即進(jìn)入、下降及著陸階段都會加入動力控制來修正由于各種因素導(dǎo)致的著陸偏差，從而保證著陸精度和提高安全可靠性；火星著陸的精度將迅速提高，將從幾十千米提高到百米以內(nèi)。

火星車著陸時使用的氣囊對在火星安全著陸有重要作用。它使用了一種新型合成材料，可以在低溫的條件下保持性能

“伽利略”向木星表面釋放進(jìn)入器示意圖

4 木星探測及進(jìn)入器的發(fā)展概況

目前，只有美國發(fā)射了2顆木星探測器，另有7顆探測器以“路過”方式飛掠了木星，飛掠木星的探測器包括先驅(qū)者－10和11、旅行者－1和2、“尤里塞斯”、“卡西尼”和“新視野”，它們是在飛往目標(biāo)途中進(jìn)行木星借力飛行。美國1989年發(fā)射的“伽利略”是首個進(jìn)入木星軌道的探測器，并向木星大氣釋放了大氣進(jìn)入器，以48km/s的高速進(jìn)入木星大氣，并在下墜過程中探測了木星大氣的成分和物理特性。美國又于2011年8月發(fā)射了“朱諾”木星探測器，預(yù)計將于2016年進(jìn)入木星極軌道。

木星是太陽系行星中體積最大的一顆行星，但平均密度最小。木星質(zhì)量是地球的318倍，平均密度只有1.33g/cm3，而體積是地球的1316倍，因而被稱為巨行星。

根據(jù)“伽利略”探測器傳回的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在木星的背陽面，有30000km長的極光，這表明木星大氣受到很多高能粒子的轟擊。木星具有比地球更強的磁場和輻射帶，木星磁場比地球磁場約強10倍，木星磁層比地球磁層大得多。木衛(wèi)一～木衛(wèi)五都在木星的磁層內(nèi)運行，目前確認(rèn)的木星衛(wèi)星數(shù)目已達(dá)63個。

1989年10月18日，“伽利略”探測器由“阿特蘭蒂斯”航天飛機發(fā)射升空。它是美國發(fā)射的第一個專門探測木星及其衛(wèi)星的深空探測器，它還是首個進(jìn)入木星軌道的探測器，并首次采用大氣進(jìn)入器對木星大氣進(jìn)行了測量。

“伽利略”軌道器于1995年12月7日到達(dá)木星，軌道器圍繞木星完成了為期8年、35圈的軌道飛行，最終于2003年9月21日受控撞向木星，為長達(dá)14年的太空之旅畫上了句號。

在到達(dá)木星軌道前150天，軌道器釋放出大氣進(jìn)入器，而軌道器繼續(xù)沿著木星橢圓軌道進(jìn)行探測，拍攝木星及其衛(wèi)星的高分辨率照片。大氣進(jìn)入器則深入木星大氣層的深處，詳細(xì)探測大氣層的成分和物理特性。

木星進(jìn)入器的球形儀器艙

“伽利略”大氣進(jìn)入器是一個120°錐角的鈍頭圓錐殼體，由氣動防熱罩和一個球形儀器艙組成，總質(zhì)量約339kg，其中僅防熱殼質(zhì)量就達(dá)220kg，占進(jìn)入器總質(zhì)量的65%?！百だ浴边M(jìn)入器安裝了6臺科學(xué)儀器，包括大氣結(jié)構(gòu)探測儀、中子質(zhì)譜儀、氦分量檢測儀、測云計、凈通量輻射計、閃電和射電監(jiān)測儀。進(jìn)入器還裝有2臺L頻段發(fā)射機，能以128bit/s的速率發(fā)送測量數(shù)據(jù)，經(jīng)軌道器中繼傳回地球。

1995年12月7日，“伽利略”大氣進(jìn)入器以48km/s的高速在450km高處進(jìn)入木星大氣層。它承受的峰值過載高達(dá)400g，表面承受的壓力達(dá)14個大氣壓，表面溫度達(dá)780℃。在它打開降落傘徐徐下降的過程中，對木星進(jìn)行了各種測量。隨著高度的下降，大氣壓力和氣溫越來越高，最后壓力高達(dá)20個大氣壓，這時，球形的進(jìn)入器被大氣壓垮，探測工作終止。整個進(jìn)入過程約歷時57min。

5 土星探測及進(jìn)入器的發(fā)展概況

土星與木星同屬太陽系中的巨行星，其大小和質(zhì)量僅次于木星。土星的體積是地球的745倍，質(zhì)量是地球的95倍，但土星的平均密度在八大行星中是最小的，比水還輕，約為0.7g/cm3。土星表面的重力加速度與地球差不多，為地球的1.07倍。

1997年10月發(fā)射的美歐合作的“卡西尼-惠更斯”探測器在深空飛行7年后，于2004年7月進(jìn)入土星軌道，是目前唯一進(jìn)入土星軌道的探測器（目前仍然在軌工作），探測了土星環(huán)及其衛(wèi)星，其攜帶的“惠更斯”子探測器于2005年1月14日進(jìn)入土衛(wèi)六大氣并登陸到其表面。

“卡西尼-惠更斯”探測器是美國航空航天局、歐洲航天局和意大利航空航天局合作實施的一個國際探測項目。該探測任務(wù)的軌道器以意大利出生的法國天文學(xué)家“卡西尼”來命名，其主要任務(wù)是環(huán)繞土星飛行，對土星的大氣、光環(huán)、磁場及其衛(wèi)星進(jìn)行長期考察。在該國際合作項目中，歐洲航天局設(shè)計研制了“惠更斯”進(jìn)入器（即子探測器），以荷蘭的天文學(xué)家和物理學(xué)家惠更斯命名?！盎莞埂边M(jìn)入器的任務(wù)是進(jìn)入、下降及著陸在土衛(wèi)六（即泰坦）表面，并在進(jìn)入過程中對其大氣和表面進(jìn)行探測研究。

土衛(wèi)六是土星系最大的衛(wèi)星，其赤道直徑為5150km，相當(dāng)于一顆小行星。它的大氣化學(xué)成分復(fù)雜，主要是氮氣、富碳水化合物等，與早期的地球大氣很相似，因而成為行星探測的重點目標(biāo)。通過“惠更斯”進(jìn)入器對其大氣的探測和表面的研究，不僅能了解這些奇特物體的狀態(tài)和形成，同時也能對地球的早期歷史有所了解。而在靠近土衛(wèi)六飛行時，“卡西尼”軌道器上的儀器還能對它的表面進(jìn)行遙感觀測，并對其電離層和上層大氣進(jìn)行就位測量。

2004年12月25日，“惠更斯”進(jìn)入器與“卡西尼”軌道器分離。經(jīng)過21天的慣性飛行，2005年1月14日，“惠更斯”到達(dá)土衛(wèi)六，并以土衛(wèi)六“白天”一面的高緯度著陸點作為登陸目標(biāo)?！盎莞埂边M(jìn)入器利用降落傘減速，歷時2.5h穿過其稠密大氣降落到土衛(wèi)六表面。

“惠更斯”進(jìn)入器的進(jìn)入、下降及著陸過程：

1）高速進(jìn)入階段，進(jìn)入器以6.1km/s的速度進(jìn)入土衛(wèi)六大氣層，進(jìn)入段持續(xù)約3min，這期間進(jìn)入器的速度降到大約400m/s。

進(jìn)入土衛(wèi)六的大氣層后，在防熱罩正前方激波中的等離子體溫度將達(dá)到12000℃；同時，進(jìn)入器的最大過載也將達(dá)到約16g。進(jìn)入器的外殼必須能夠耐住土衛(wèi)六大氣的極度寒冷（－200℃）而不屈曲。

2）降落傘減速階段，“惠更斯”進(jìn)入器的減速過程使用了多頂降落傘。當(dāng)加速度計測出馬赫數(shù)Ma為1.5時，先展開一頂2m直徑的引導(dǎo)傘，并拉掉后蓋；緊接著打開直徑8.3m的主傘。

主傘展開約30s后，進(jìn)入器速度從1.5Ma降到0.6Ma。前防熱罩隨后被拋掉，進(jìn)入器隨著主傘慢慢降落，時間約15min，這時開始進(jìn)行最初的科學(xué)測量。然后主傘與進(jìn)入器分離，并釋放一頂較小的3m直徑的拖曳傘，使進(jìn)入器更快的下降。

“卡西尼”軌道器向土衛(wèi)六釋放“惠更斯”進(jìn)入器

“惠更斯”進(jìn)入器的下降、開傘及著陸過程

3）最終下降階段，在下降的最后幾百米，進(jìn)入器上的白光燈照亮土衛(wèi)六表面，使探測儀器能對其表面成分進(jìn)行光譜分析。在整個下降過程中，軌道器將對進(jìn)入器發(fā)回的無線電信號頻移進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，由此推斷出土衛(wèi)六大氣陣風(fēng)的強度，而進(jìn)入器上的大氣構(gòu)造探測儀則測量土衛(wèi)六溫度、氣壓以及是否存在導(dǎo)致閃電的電場。最后，進(jìn)入器以大約7m/s的速度到達(dá)土衛(wèi)六表面?！盎莞埂边M(jìn)入器的整個進(jìn)入、下降及著陸過程歷時2.5h。

“惠更斯”進(jìn)入器的前防熱罩包敷有類似航天飛機用的AQ60材料制成的防熱瓦，這種隔熱材料是一種低密度纖維“柵網(wǎng)”。前罩防熱瓦的厚度是按照保證結(jié)構(gòu)不超過150℃計算得出的，它低于鉛的熔化溫度。進(jìn)入器背面的溫度要低得多，所以后罩采用一種叫“Prosial”涂層的石英泡沫材料。整個熱控分系統(tǒng)的質(zhì)量約為100kg，占整個進(jìn)入器質(zhì)量的1/3。

“惠更斯”進(jìn)入器攜帶了6臺科學(xué)儀器，包括大氣構(gòu)造儀（HASI）、多普勒風(fēng)實驗裝置（DWE）、下降成像儀/光譜輻射計（D I S R）、氣體層析/質(zhì)譜儀（G C M S）、懸浮微粒收集器和熱解器（ACP）、表面科學(xué)裝置（SSP）。

“惠更斯”進(jìn)入器取得的技術(shù)突破和科學(xué)成就主要有：

1）首次實現(xiàn)在行星衛(wèi)星上著陸，也是探測器首次在外太陽系星體表面著陸；

2）首次獲得了土衛(wèi)六大氣成分、溫度、陣風(fēng)強度等信息，確認(rèn)了土衛(wèi)六具有厚厚的大氣層；

3）確認(rèn)了土衛(wèi)六具有液體表面，測量了著陸點溫度及表面物質(zhì)成分；確認(rèn)了土衛(wèi)六表面的水被冰層封鎖；

4）“惠更斯”從進(jìn)入、下降到著陸的2.5h期間，共拍攝了700多幅土衛(wèi)六及其周圍大氣環(huán)境圖像；著陸后又生存了約30min，拍攝了土衛(wèi)六表面圖片；軌道器成功中繼傳回350幅圖像。但由于“卡西尼”軌道器接收機的一個軟件故障，導(dǎo)致另外350幅圖像未能傳回。

著陸后的“惠更斯”進(jìn)入器