劉華偉，田百義，呼延奇，李偉杰

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引 言

國外火星探測已經(jīng)歷半個多世紀的發(fā)展[1]，開展火星探測和研究，對于認識人類居住的地球環(huán)境，特別是認識地球的長期演化過程，具有非常重要的科學意義。根據(jù)火星及其他深空探測任務經(jīng)驗，人類開展火星探測的主要科學目標包括[2-6]：尋找生命存在痕跡；了解火星上水的存在及消失的過程；了解火星大氣和氣候的演化過程；了解火星物理場和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演變；掌握火星的地貌和地質(zhì)特征。

國外已成功開展的火星環(huán)繞探測任務包括早期的水手3 號、水手4 號、水手9 號、火星全球勘探者、火星探路者、火星奧德賽軌道器、歐洲“火星快車”、火星勘測軌道器，以及后來的火星大氣與揮發(fā)物演化軌道器等。上述任務的順利實施為火星著陸探測提供了必要的火星大氣、地形地貌等空間環(huán)境數(shù)據(jù)支撐，如典型火星著陸探測任務海盜號、勇氣號、機遇號、鳳凰號、好奇號、洞察號等。2021年5月15日，天問一號“祝融號”火星車成功著陸于火星烏托邦平原南部預選著陸區(qū)。中國首次火星探測任務著陸火星取得圓滿成功，成為繼美國后，第二個成功著陸在火星上的國家。

目前，火星探測任務普遍相對單一，主要針對軌道空間及著陸巡視進行既定的、相對有限的探測任務進行開展。隨著在軌組裝與服務技術(shù)發(fā)展，未來通過大型探測器系統(tǒng)對火星及其他深空領域進行探測將逐漸成為可能。例如，美國已提出深空關(guān)口站、大型火星探測轉(zhuǎn)移飛行器、布置于SEL2 的超大型空間望遠鏡系統(tǒng)構(gòu)建及其在軌服務任務設想等。統(tǒng)計和研究發(fā)現(xiàn)[7]，國內(nèi)外關(guān)于在軌組裝、在軌服務的系統(tǒng)級航天器任務，包括已成功實施的和其他公開報道的，已經(jīng)超過130 個。且隨著空間機器人和航天器工程技術(shù)的飛速發(fā)展，這個領域的發(fā)展將日趨受到關(guān)注。

在地火轉(zhuǎn)移策略研究方面，從地球到火星的飛行方式包括脈沖轉(zhuǎn)移和小推力轉(zhuǎn)移等，其中最常采用的方式是脈沖轉(zhuǎn)移[8]，并在已經(jīng)實施的火星探測任務中廣泛采用。近年來，隨著以電推進、太陽帆等為代表的小推力推進系統(tǒng)的發(fā)展和應用，小推力推進以其高比沖、低燃耗的優(yōu)勢，逐漸成為深空探測任務的首選推進方式[9]。

在前期研究的基礎上[10]，本文進一步論證火星探測的必要性，分析研究火星探測的任務序列，確定火星多任務探測器的功能體系，提出火星多任務探測器概念設計和任務實施設想，并分析其關(guān)鍵技術(shù)體系，為后續(xù)相關(guān)研究做好支撐，也為我國火星及深空探測器任務規(guī)劃提供參考。

2 多任務探測設想

通過對國外已成功實施的火星探測任務的調(diào)研分析（如表1 所示）可以看出，探測任務主要包括火星表面形貌、大氣成分、射線、離子體、磁場等火星空間環(huán)境探測。探測器的軌道設計主要包括：飛越探測、環(huán)火探測，以及正圓形約400 km高、大橢圓軌道近火500 km/遠火80000 km 等，這些軌道都是針對特定的火星空間環(huán)境探測需求進行設計的。同時，由于火星探測的長距離通信難題，使得有些火星探測器還兼顧與地球數(shù)據(jù)中繼的任務，比如火星奧德賽探測器。此外，火星空間環(huán)境探測的有效載荷主要包括以下幾類[11-12]。

表1 國外已成功實施的火星空間環(huán)境典型探測任務Table 1 Typical missions to the Martian space environment successfully carried out abroad

（1）成像探測：火星彩色相機、雷達、高分辨率成像儀、熱紅外成像光譜儀、小型勘測成像光譜儀等；

（2）大氣探測：氣候探測儀、火星外層大氣中性成分分析儀、火星甲烷探測器、離子體探測包、萊曼-阿爾法光度計、電子反射計等；

（3）射線探測：射線譜儀、發(fā)射頻譜儀、輻射測試儀、紫外穩(wěn)定振蕩器、高能中子探測器等；

（4）磁場探測：磁強計等；

（5）高度探測：激光高度計等。

受限于運載，火星探測器一般僅配置有限幾種有效載荷，對火星大氣或星表進行探測，難以實現(xiàn)火星的全面探測。本文在在軌組裝的基礎上，開展多任務探測系統(tǒng)設計，提高火星探測任務的系統(tǒng)效能。在陸空協(xié)同情況下[13]，考慮火星環(huán)繞、著陸、采樣等任務過程，火星多任務探測器系統(tǒng)的任務序列設想主要包括：

（1）兼顧地火數(shù)據(jù)中繼：通過中繼星多星系統(tǒng)配置，建立火星與地球間的中繼數(shù)據(jù)傳輸鏈路，為安全高效地實施火星多任務探測提供全天時數(shù)據(jù)鏈路保障；

（2）火星表面詳查：通過配置相應數(shù)量的遙感探測器，實現(xiàn)火星表面的全球覆蓋，繪制詳實的火星表面形貌圖，也可為后續(xù)火星表面著陸探測提供數(shù)據(jù)支撐；

（3）火星空間環(huán)境詳查：主要是火星大氣環(huán)境的詳查，通過配置相應探測器，獲取不同高度火星大氣環(huán)境的立體數(shù)據(jù)，建立豐富的火星大氣環(huán)境數(shù)據(jù)庫，為更安全更合理的火星EDL（進入、減速和著陸）探測任務規(guī)劃與實施奠定重要基礎；

（4）火星表面探測：通過著陸巡視器著陸至火星表面并進行巡視探測，獲取火星表面的探測數(shù)據(jù)，可按任務配置對火星表面樣品及一定深度的土壤、巖石等進行特性研究。

3 探測器組成與功能定義

隨著智能自主在軌組裝技術(shù)的發(fā)展[14]，模塊化航天器系統(tǒng)設計水平逐漸提高[15]。根據(jù)上述火星探測任務分析研究，結(jié)合前期基于模塊化在軌組裝與維護技術(shù)所構(gòu)建的火星多任務探測器系統(tǒng)設想[10]，火星多任務探測器可以配置多種類型， 分批發(fā)射并在近地軌道在軌組裝[16]。整個探測器系統(tǒng)除包含上述著陸巡視探測器、全球遙感探測器、大氣詳查探測器、數(shù)據(jù)中繼星之外，還包括母體飛行器以及軌道轉(zhuǎn)移飛行器，初步構(gòu)型設想如圖1 所示。軌道轉(zhuǎn)移飛行器位于組合體最下端，為不同階段組合體及各類探測器的軌道轉(zhuǎn)移提供動力，母體飛行器為組合體的組裝與轉(zhuǎn)移等提供基本基體，其上配置大型柔性太陽翼、可展開輻射器、可移動操作機器人等模塊，解決大型系統(tǒng)供電、熱控和組裝操作等問題。母體飛行器上端配置擴展桁架，擴展桁架側(cè)面可安裝多類探測器、敏感器等，如全球遙感探測器、大氣詳查探測器、數(shù)據(jù)中繼星等，組合體最上端安裝著陸巡視器，可在火星表面著陸執(zhí)行星表巡視探測任務。各類探測器的具體功能詳見表2。通過各類飛行器任務實施及按需接受服務，實現(xiàn)系統(tǒng)的火星探測任務。

表2 火星多任務探測器系統(tǒng)組成、功能定義及配置數(shù)量Table 2 System composition, function definition and configurations of Mars multi-mission

圖1 火星多任務探測器（組合體）基本構(gòu)型設想及其組成Fig.1 Basic configuration and composition of the Mars multi-mission probe (combination)

4 探測器飛行任務軌道分析

4.1 地火轉(zhuǎn)移策略

火星多任務探測器系統(tǒng)有別于一般的火星探測任務，該系統(tǒng)由母體飛行器、軌道運輸飛行器和多個不同的任務探測器組合而成，系統(tǒng)總質(zhì)量將達數(shù)十噸的規(guī)模。文獻[10]對該系統(tǒng)用于地火轉(zhuǎn)移的推進提出了初步的需求。本文主要瞄向未來火星在軌服務為目標，根據(jù)相關(guān)研究報道[17-20]，為實現(xiàn)長周期、火星多任務探測，采用小推力轉(zhuǎn)移策略是本項工作的優(yōu)選方案，本文重點開展小推力飛行軌道的優(yōu)化設計。以衛(wèi)星總質(zhì)量10 t 為例，地火轉(zhuǎn)移階段分別采用100 kW 和200 kW 推力器，則探測器由地球飛往火星的星際轉(zhuǎn)移段燃料和時間需求見表3。探測器地火轉(zhuǎn)移階段的燃料消耗隨推力器功率的增大而減??；發(fā)動機比沖越大，對應所需的燃料也越少。例如，200 kW 的2 N 推力器完成星際轉(zhuǎn)移所需燃料最少，約0.62 t，探測器到達火星時的剩余質(zhì)量為9.38 t，整個星際飛行時間約852 天。地火轉(zhuǎn)移軌道示意圖如圖2 所示。

圖2 地火轉(zhuǎn)移軌道示意圖Fig.2 Schematic diagram of transfer track from earth to Mars

表3 地火轉(zhuǎn)移方案Table 3 Transfer program from earth to Mars

4.2 火星捕獲及軌道間轉(zhuǎn)移任務

4.2.1 環(huán)火軌道選擇

一般地，環(huán)火軌道可以選擇極軌圓軌道、凍結(jié)大橢圓軌道、火星傾斜同步軌道、靜止軌道等。除了靜止軌道，其余軌道均存在傾角，火星的非球形攝動將造成軌道升交點赤經(jīng)的進動。這一特點將造成探測器向其他軌道轉(zhuǎn)移時，除進行傾角調(diào)整外，還需進行升交點赤經(jīng)的調(diào)整，這對系統(tǒng)的整體優(yōu)化設計不利。此外，從火星捕獲的速度增量需求角度考慮，探測器進入火星引力范圍時的到達C3為零，環(huán)火軌道傾角等參數(shù)在到達火星引力范圍附近即可達到目標值，無須額外的變軌。不妨取探測器始終沿速度反向進行減速，則探測器所需的速度增量僅與目標環(huán)火軌道的半長軸相關(guān)。因此，選擇不同類型軌道對火星捕獲的速度增量影響較小。為便于母體飛行器釋放各任務探測器，同時減小軌道攝動對環(huán)火軌道的影響，初步設計母體飛行器的軌道為火星靜止軌道。火星靜止軌道參數(shù)如下：

（1）軌道半長軸：20427.71 km；

（2）軌道高度：17030.71 km；

（3）偏心：0；

（4）傾角：0；

（5）軌道周期：24.623 h。

4.2.2 火星捕獲策略

探測器由星際空間進入火星引力范圍，根據(jù)地火轉(zhuǎn)移策略的設計結(jié)果，探測器到達火星的C3能量為零，探測器依靠電推力器工作逐漸進入目標環(huán)火軌道。由于火星捕獲是火星逃逸的逆過程，且環(huán)火軌道為確定的目標，因此，可采用逆向設計的思路開展火星捕獲軌道分析，火星捕獲分析時，以目標軌道為初始軌道，探測器沿速度方向加速逃逸火星，逃逸的目標C3 為0。表4 給出了不同功率的推力器完成火星捕獲所需的時間和燃料需求情況。分析表明，若采用比沖為5000 s 的2N 推力器，完成火星捕獲并到達目標環(huán)火軌道需推力器工作長達64.2 天，燃料消耗約0.23 t。

表4 火星捕獲方案Table 4 Scheme of Mars capture

為縮短探測器火星捕獲時間，減小推進劑消耗，可以通過增大推力器功率，從而增大發(fā)動機推力和比沖實現(xiàn)。例如，采用比沖為4000 s 的5 N推力器，完成火星捕獲并到達目標環(huán)火軌道推力器工作時間可縮短至24.2 天，燃料消耗約0.27 t。

4.3 軌道間轉(zhuǎn)移與探測任務軌道分析

在被火星捕獲后，火星多任務探測器的母體飛行器與各探測器形成分布式[21]火星探測系統(tǒng)，可完成火星的綜合探測。

4.3.1 數(shù)據(jù)中繼星座

火星數(shù)據(jù)中繼星座如圖3 所示，由3 顆靜止軌道衛(wèi)星和6 顆火星閃電軌道衛(wèi)星組成。9 星星座可對火星任意地區(qū)連續(xù)實時覆蓋，實現(xiàn)星間實時通信，可作為地火數(shù)據(jù)鏈路的一部分。星座中的每顆探測器與母體飛行器分離，由軌間轉(zhuǎn)移飛行器運送至工作軌道。軌間轉(zhuǎn)移飛行器具有6N推力器、6000 s 比沖的推進系統(tǒng)，將探測器運輸至閃電工作軌道，往返一次預計所需速度增量為5000 m/s。假設軌間轉(zhuǎn)移飛行器和探測器質(zhì)量均為1000 kg，轉(zhuǎn)移飛行器完成往返一次所需燃料為82 kg；由于母體飛行器位于靜止軌道，軌間飛行器轉(zhuǎn)運靜止軌道中繼星的燃料消耗較少，預留2 kg 即可。因此，軌間轉(zhuǎn)移飛行器完成9 顆中繼星的運輸，往返18 次，燃料需求約500 kg。

圖3 火星數(shù)據(jù)中繼星座示意圖Fig.3 Constellations of Mars data relay

4.3.2 全火遙感

全火遙感衛(wèi)星采用3 星組網(wǎng)，單顆星采用太陽同步圓軌道，軌道高度800 km，預計軌道轉(zhuǎn)移飛行器往返一次所需速度增量為5600 m/s，所需

圖4 全火遙感衛(wèi)星星下點軌跡示意圖Fig.4 Subsatellite point track of remote sensing satellites for Mars

4.3.3 火星大氣詳查探測器

火星大氣詳查探測器位于大橢圓軌道，緩慢進入火星大氣，利用火星大氣攝動效應緩慢進入，并在此過程中實時進行火星大氣環(huán)境探測，將探測數(shù)據(jù)傳回地面。參考MOM 探測器軌道，同時考慮到母體飛行器軌道，火星大氣詳查探測器可采用500 km×17031 km 大橢圓極軌軌道。運輸器往返運輸所需速度增量為3600 m/s，所需燃料約60 kg。

4.3.4 著陸巡視器

實施EDL，進行火星表面巡視探測，完成著陸巡視探測的燃料需求與著陸緯度相關(guān)，為保證全火任意位置的可著陸目標，運輸器應具備傾角調(diào)整90°和軌道近地點高度調(diào)整為零的能力，運輸器往返運輸所需速度增量為4000 m/s，所需燃料約65 kg。

綜上分析，多任務火星探測器在靜止軌道上運行，完成各項任務探測，預計總的推進劑需求為925 kg。

5 結(jié) 論

本文提出了一種火星多任務探測器系統(tǒng)設想，介紹了系統(tǒng)基本組成、任務架構(gòu)及軌道策略等。通過分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）火星探測是深空探測領域從月球探測發(fā)展至行星探測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而模塊化多任務火星探測器系統(tǒng)是實現(xiàn)火星探測跨越式、可持續(xù)發(fā)展的重要途徑；

（2）模塊化多任務火星探測系統(tǒng)發(fā)展既可以帶動深空探測技術(shù)與模塊化航天器設計技術(shù)的發(fā)展，又可以促進火星探測的科學發(fā)現(xiàn)；

（3）發(fā)展模塊化深空探測器，還需開展深空探測頂層任務設計、模塊化航天器總體設計、在軌組裝維護系統(tǒng)設計等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)；

（4）所設計的火星多任務探測器表明，利用電推進技術(shù)開展未來大型復雜深空探測具有較高的可行性，且隨著電推進技術(shù)的發(fā)展，探測器的入軌周期將進一步縮短，以滿足探測周期需求。