張揚(yáng)眉 （北京空間科技信息研究所）

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日本“拂曉”金星探測(cè)器再次嘗試入軌獲得成功

張揚(yáng)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(jìn)入金星軌道失敗后，日本“拂曉”（Akatsuki）金星探測(cè)器再次挑戰(zhàn)入軌金星，克服諸多障礙，最終成功進(jìn)入金星軌道，使日本成為亞洲首個(gè)探測(cè)金星的國(guó)家。目前，該探測(cè)器在軌運(yùn)行狀態(tài)良好，已發(fā)回多幅金星圖像，并計(jì)劃于2016年4月正式開始科學(xué)探測(cè)活動(dòng)。

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(fā)射其首顆金星探測(cè)器 “拂曉”。然而當(dāng)年12月“拂曉”進(jìn)入金星軌道之前，用于減速噴射的主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，導(dǎo)致“拂曉”入軌失敗，不得不進(jìn)入繞太陽(yáng)運(yùn)行軌道。此次入軌時(shí)機(jī)是繼5年前那次飛行入軌時(shí)機(jī)之后的一次最佳機(jī)會(huì)，也是“拂曉”向金星發(fā)起的最后一次沖刺。

1 “拂曉”概況

“拂曉”探測(cè)器立項(xiàng)時(shí)定名為行星－C （Planet－C）探測(cè)器，也被稱為“金星氣候軌道器”（VCO），項(xiàng)目由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）管理，日本電氣公司為主承包商，三菱重工業(yè)公司為探測(cè)器研制主發(fā)動(dòng)機(jī)。原本預(yù)計(jì)發(fā)射后于2010年12月進(jìn)入金星軌道，執(zhí)行為期2年以上的任務(wù)。

探測(cè)目標(biāo)

雖然金星在形狀和質(zhì)量等方面都與地球相似，但實(shí)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(xiàn)象，在靠近金星表面的區(qū)域，大氣運(yùn)動(dòng)非常緩慢，而在高層大氣區(qū)域，大氣運(yùn)動(dòng)極快，云團(tuán)每4個(gè)地球日就會(huì)環(huán)繞金星快速漂移1周。金星的自轉(zhuǎn)周期為243天，而大氣循環(huán)周期卻只有4天。

“拂曉”探測(cè)器的主要目的是研究金星大氣的循環(huán)機(jī)制，尤其是金星上層大氣的“超旋”現(xiàn)象以及金星低層大氣的三維運(yùn)動(dòng)情況，其次是在“拂曉”向金星巡航的過程中調(diào)查金星表面情況，并測(cè)量金星大氣溫度，尋找金星火山活動(dòng)和雷電活動(dòng)的證據(jù)。對(duì)金星大氣進(jìn)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(dòng)力學(xué)，研究地球的起源與演變。

“拂曉”原計(jì)劃環(huán)繞金星運(yùn)行，利用多個(gè)高精度觀測(cè)裝置觀測(cè)金星大氣和云的運(yùn)動(dòng)情況，研究金星是否存在火山活動(dòng)和雷電現(xiàn)象等。觀測(cè)數(shù)據(jù)還將用于地球大氣現(xiàn)象、氣候變化和地球起源等研究。

主要性能參數(shù)

“拂曉”的發(fā)射質(zhì)量為480kg，干質(zhì)量為320kg，有效載荷為34kg，設(shè)計(jì)壽命4.5年，任務(wù)期末功率500W。探測(cè)器為1.6m×1.6m×1.25m的立方體，上面帶有2個(gè)太陽(yáng)電池翼，每個(gè)太陽(yáng)電池翼面積為1.4m2。當(dāng)探測(cè)器在金星軌道運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)電池翼功率為1200W。探測(cè)器采用500N的雙組元（肼和四氧化二氮）主發(fā)動(dòng)機(jī)、12個(gè)單組元（肼）姿軌控推力器，其中8個(gè)23N推力，4個(gè)3N推力?！胺鲿浴辈捎脛?dòng)量輪進(jìn)行三軸穩(wěn)定，通過對(duì)探測(cè)器主體進(jìn)行姿態(tài)控制使探測(cè)器上安裝的照相機(jī)指向金星方向。安裝了太陽(yáng)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(yáng)電池翼能夠沿南－北軸方向旋轉(zhuǎn)，無(wú)論探測(cè)器主體的方位如何，太陽(yáng)電池翼能夠受控一直朝向太陽(yáng)。當(dāng)與地面站進(jìn)行通信時(shí)，通過姿態(tài)控制能夠使探測(cè)器上的高增益天線陣指向地球。探測(cè)器的遙感勘測(cè)速率為4kbit/s（1.5AU）、8kbit/s（1.1AU）、16kbit/s（0.7AU）、32kbit/s （0.5AU）。探測(cè)器計(jì)劃軌道類型為繞金星運(yùn)行的橢圓軌道，近金點(diǎn)300km、遠(yuǎn)金點(diǎn)8×104km，軌道周期30h，軌道傾角172°。

有效載荷

“拂曉”探測(cè)器攜帶了6種科學(xué)有效載荷，包括近紅外相機(jī)1（IR1）、近紅外相機(jī)2（IR2）、紫外線成像儀（UVI）、中紅外照相機(jī)（LIR）、雷電和氣輝照相機(jī)（LAC），以及超穩(wěn)定振蕩器（USO）。

“拂曉”探測(cè)器的主要有效載荷

續(xù) 表

“拂曉”探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

2 首次入軌嘗試故障原因分析

近紅外相機(jī)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(cè)器原計(jì)劃在世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（UTC）2010年12月6日23∶49∶00進(jìn)行軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，實(shí)施金星運(yùn)行軌道插入機(jī)動(dòng)。預(yù)計(jì)持續(xù)點(diǎn)火時(shí)間為12min，“拂曉”進(jìn)入環(huán)繞金星軌道，初始軌道遠(yuǎn)金點(diǎn)為1.8×105～2×105km，近金點(diǎn)為550km，軌道周期為4天。

當(dāng)時(shí)，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）確認(rèn)“拂曉”準(zhǔn)時(shí)開始了軌道插入機(jī)動(dòng)，但是由于金星遮擋造成一段時(shí)間的通信中斷后，與探測(cè)器的通信未能按計(jì)劃恢復(fù)。由于低增益天線的通信速度較慢，未能立即確定探測(cè)器的狀態(tài)。2010年12月8日，JAXA宣布探測(cè)器軌道插入機(jī)動(dòng)失敗，“拂曉”發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)間不到3min，遠(yuǎn)短于進(jìn)入金星軌道所需的點(diǎn)火時(shí)間。

之后，JAXA成立調(diào)查小組調(diào)查故障原因，發(fā)現(xiàn)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(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生異常燃燒現(xiàn)象，高燃燒溫度損壞了燃燒艙噴管喉道和噴嘴。

經(jīng)過研究，JAXA決定在2015年12月再次進(jìn)行金星入軌嘗試。從“拂曉”傳回的遙測(cè)數(shù)據(jù)看，探測(cè)器主發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管喉道仍然密封得較好。2011年9月，JAXA對(duì)“拂曉”的主發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了2次點(diǎn)火測(cè)試，但發(fā)現(xiàn)推力只有預(yù)期的10%左右，因此JAXA最后決定放棄使用主發(fā)動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)而使用4個(gè)用于姿態(tài)控制的推力器進(jìn)行機(jī)動(dòng)，將探測(cè)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(cè)器上剩余的65kg氧化劑釋放，以減輕探測(cè)器質(zhì)量。

2011年11月，探測(cè)器進(jìn)行了3次接近金星的軌道機(jī)動(dòng)，共獲得243.8m/s的速度增量。由于與主發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力相比，姿軌控推力器產(chǎn)生的推力較低，不再可能進(jìn)入之前計(jì)劃的低金星軌道。新計(jì)劃是將探測(cè)器送入遠(yuǎn)金點(diǎn)數(shù)十萬(wàn)千米、近金點(diǎn)數(shù)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(jìn)入金星軌道。2015年8月，探測(cè)器進(jìn)行了最后4次軌道糾正機(jī)動(dòng)，進(jìn)入金星交會(huì)軌道。

2015年12月7日，“拂曉”上的4個(gè)姿軌控推力器點(diǎn)火20min，將“拂曉”成功送入金星軌道。12月9日，JAXA確認(rèn)“拂曉”進(jìn)入了遠(yuǎn)金點(diǎn)4.4×105km、近金點(diǎn)400km的軌道，軌道周期為13天14小時(shí)，“拂曉”飛行方向與金星自轉(zhuǎn)方向相同。JAXA宣布收到來(lái)自紫外線成像儀、中紅外照相機(jī)和近紅外相機(jī)1的圖像，其余3臺(tái)儀器的狀態(tài)也在進(jìn)一步確認(rèn)中。“拂曉”將于2016年3月26日再次進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，并將軌道周期縮短為約9天。2016年4月開始，“拂曉”將進(jìn)入為期2年的科學(xué)探測(cè)階段。

日本媒體在“拂曉”探測(cè)器入軌之前報(bào)道稱，“拂曉”此次成功進(jìn)入金星軌道，需要克服三大障礙：一是能否實(shí)現(xiàn)入軌，關(guān)鍵在于能否實(shí)現(xiàn)所需要的減速；二是超出壽命的探測(cè)器能否良好運(yùn)行；三是能否充分完成既定的觀測(cè)任務(wù)。由于主發(fā)動(dòng)機(jī)存在故障，所以需要用4臺(tái)姿軌控推力器同時(shí)進(jìn)行逆向噴射，而且需要讓通常只噴射1s以內(nèi)的推力器連續(xù)噴射約20min。如此一來(lái)，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(zhàn)”。目前探測(cè)器已經(jīng)超出4.5年的設(shè)計(jì)壽命，而且探測(cè)器入軌金星失敗后的運(yùn)行軌道距太陽(yáng)比原計(jì)劃近了0.6AU，經(jīng)歷的實(shí)際溫度比設(shè)計(jì)參數(shù)高了30～40℃，部分元器件溫度已經(jīng)上升至約140℃，超出了設(shè)計(jì)預(yù)期。為了降低由此所帶來(lái)的影響，只能將探測(cè)器的耐熱面向著太陽(yáng)。此外，探測(cè)器繞金星運(yùn)行的軌道比原計(jì)劃高，因此多數(shù)時(shí)間只能從遙遠(yuǎn)的位置進(jìn)行觀測(cè)，能在多大程度上完成預(yù)期觀測(cè)還無(wú)法確定。

3 成功進(jìn)入金星軌道的意義

日本實(shí)現(xiàn)金星探測(cè)亞洲第一

截至目前，日本共實(shí)施8次深空探測(cè)任務(wù)，其中彗星探測(cè)2次，月球探測(cè)2次，小行星探測(cè)2次，火星探測(cè)1次（失敗），金星探測(cè)1次。此次“拂曉”探測(cè)器的成功入軌，使得日本第一次成功實(shí)現(xiàn)行星探測(cè)，使日本成為全球第四個(gè)、亞洲第一個(gè)成功實(shí)現(xiàn)金星探測(cè)國(guó)家，也是繼日本“隼鳥”（Hayabusa）小行星探測(cè)器克服諸多困難、將小行星樣本帶回地球后，日本空間探測(cè)的又一壯舉。

成為目前唯一運(yùn)行的金星探測(cè)器

20世紀(jì)90年代以來(lái)，全球共發(fā)射2次金星探測(cè)任務(wù)，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(jié)束了探測(cè)任務(wù)，之后墜入金星大氣層。因此，目前“拂曉”是環(huán)繞金星的唯一人造探測(cè)器，同時(shí)也是亞洲的第一顆金星人造衛(wèi)星，其最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)可擴(kuò)展并補(bǔ)充歐洲“金星快車”獲得的數(shù)據(jù)，具有重大的科學(xué)意義。

此外，在首次入軌失敗后、繞太陽(yáng)運(yùn)行的5年時(shí)間里，“拂曉”探測(cè)器也開展了少量的科學(xué)探測(cè)工作，其中包括通過太陽(yáng)日冕向地球傳送無(wú)線電信號(hào)以觀察太陽(yáng)外層大氣將如何對(duì)無(wú)線電波產(chǎn)生影響等，取得了一定的探測(cè)成果。

繼“隼鳥”后再次成功實(shí)施“二次營(yíng)救”

日本似乎有“二次營(yíng)救”空間探測(cè)器的“傳統(tǒng)”，其“隼鳥”探測(cè)器也經(jīng)歷了一波三折的著陸、采樣與返回過程，包括3臺(tái)姿控飛輪中的2臺(tái)失效、化學(xué)推力器因燃料泄漏無(wú)法使用、4臺(tái)離子推力器中先后有3臺(tái)發(fā)生故障等，最終工程團(tuán)隊(duì)仍然克服重重障礙，使探測(cè)器成功返回地球。此次“拂曉”探測(cè)器也經(jīng)歷了首次入軌失敗的挫折，但最終仍然入軌成功，反映出項(xiàng)目相關(guān)工程團(tuán)隊(duì)臨危不亂的高抗壓能力和高超卓越的工程技術(shù)水平，并通過探測(cè)器故障的解決過程，為日本今后的空間探測(cè)項(xiàng)目實(shí)踐積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)。