基于萤火一号技术的自主火星探测器方案

陈昌亚,方宝东,王 伟,李绿萍,李金岳,朱新波,周必磊

(上海卫星工程研究所,上海 200240)

0 引言

当前深空探测的热点是月球、火星和金星探测。美国、前苏联、欧空局和日本都制定过详细的火星、金星探测计划,印度也提出在2013/2016年发射火星探测器。我国的探月工程与探火/金工程齐头并进。金星/火星至地球的距离为月球至地球的800～1 000多倍,这就要求深空探测器小型化、集成化和轻型化,通过有限的能量进行不同的轨道控制,完成各种探测任务,并可携带较多的有效载荷对火星/金星进行科学探测。

“十一五”期间,在中俄两国政府间航天合作框架协议的基础上,开展了中俄联合探测火星项目。中方独立研制一颗火星探测器(YH-1),作为我国火星探测的先行,并为以后的火星环绕器研制建立良好的技术基础;对我国的甚长基线干涉测量(VLBI)网的火星测定轨能力进行一次很好的检验;为深空通信网的建设和国际合作积累宝贵的经验。通过YH-1火星探测器的工程研制,我国已初步掌握了火星环绕器设计总体技术,包括星际环境条件,姿态控制,星上高度自主控制,深空测控通信,深冷低温环境适应,深空环绕器的小型化、集成化和轻型化,以及深空探测地面试验验证方法等基础技术,并组建和锻炼了一批素质过硬、技术全面、吃苦耐劳的深空探测研制团队,为我国下一步开展火星探测工程奠定了良好的基础。“十二五”期间,我国将在积累YH-1火星探测器技术的基础上进一步开展自主火星探测,用我国研制的运载火箭将环绕器运送到火星轨道,并主要依靠我国的深空站完成深空测控任务。其总目标是：成功自主发射火星环绕器;通过光学等手段,对火星地形地貌进行成像,为比较行星学的研究搜寻相关依据;初步建立国内深空测控体制,使火星环绕器技术趋于成熟;在此基础上,初步建立国内适应深空的测控、运载、发射场和地面应用等各大系统,形成我国深空探测体系;以光学为主,通过环绕器对火星表面进行普查和详查,对成像类载荷分辨率、谱段及探测区域与国外已有成果进行互补;配合环境类载荷,认识火星空间环境,掌握第一手科学数据。

为此,本文提出了一种基于YH-1火星探测器技术的自主火星探测器方案。

1 总体方案简述

火星探测工程的规模庞大,当前的火星探测需为后续火星探测服务。YH-1火星探测器为我国火星探测提供了宝贵的技术积累,且该卫星平台能适应火星后续探测的需要[1～3]。基于YH-1火星探测器平台的自主火星探测方案主要如下。

1.1 主要技术指标

自主火星探测器系统由环绕器和推进舱组成,上部为环绕器,下部为推进舱,其构型如图1、2所示。探测器巡航期间的轨道机动和修正,以及到达火星引力场后的制动和轨道修正均由推进舱实现,环绕器采用基于HY-1火星探测器的SAST100增强型平台,可携带较多较大的有效载荷,进入火星轨道后,开展环绕火星的科学探测。

图1 探测器收拢发射状态构型Fig.1 Stowed conf iguration of Mars probe

图2 探测器展开状态构型Fig.2 Deployed configuration of Mars probe

探测器采用长征三号乙运载火箭发射,探测器的发射质量1 700 kg,环绕器质量300 kg,推进舱1 400 kg。探测器飞行期间长期功耗280 W,短期功耗500 W,初步设计寿命为3年。探测器系统总体主要技术指标见表1。

表1 探测器主要技术指标Tab.1 Parameters of Mars probe

1.2 推进舱

推进舱采用外承力筒结构。氧化剂箱和燃料箱间隔布置。主发动机安装在贮箱之间,仪器舱设备布局于舱体内。姿控发动机置于推进舱舱壁。外承力筒结构推进舱贮箱采用球柱形储箱,用双法兰面连接。推进舱采用4个体积280 L的球柱形表面张力贮箱、单台推力490 N的主推力器,进行轨道控制。该推进舱与火箭采用直径Φ1 666 mm接口,与环绕器采用4只爆炸螺钉的连接接口。环绕器控制推进舱的工作,并对推进舱供电。然后多次调整进入远火点高度2 600 km、近火点高度(250±50)km、轨道倾角95°±5°的第一工作轨道,进行各种科学试验探测。

推进舱燃料耗尽后,地面上行指令实施推进舱与环绕器分离,环绕器依靠自身携带的燃料主动变轨并验证大气制动技术进入远火点高度600 km、近火点高度(250±50)km、轨道倾角95°±5°的第二工作轨道,在更低轨道进行科学试验探测。

自主火星探测器在巡航段及变轨段过程中均进行相应的科学探测。

1.3 轨道设计

根据引力中心的不同,火星探测器飞行轨道可分为以地球引力场为中心的发射段和初始飞行段、以太阳引力场为中心的地火转移段,以及以火星引力场为中心的捕获段与环绕飞行段三个主要阶段。每个飞行段中,探测器均是一个复杂的等效三体问题,受燃料、各轨道段的动力学、测控和光照条件等因素的影响。探测器飞行中的轨道变化如图3所示。

探测器由长征三号乙运载火箭直接发射至地球双曲线逃逸轨道,沿地火巡航轨迹至火星影响球内,经减速制动被火星捕获,捕获轨道为远火点高度60 000 km、近火点高度400 km极火大椭圆轨道,

1.4 测控方案

YH-1火星探测器在巡航段是由俄方进行测控,环火段是由中方进行测定轨。自主火星探测各飞行轨道段测控任务及主要测控设备配置见表2,其仅在巡航段与YH-1火星探测器不同,测控方案不同之处设计如下：

a)火星探测器通信仪器安装在环绕器上,完成卫星全过程的测控任务。

b)卫星发射至入轨的初期10万km以内测控,由地面测控网和推进舱S波段宽波束天线测控分系统完成;在飞离地球10万km～4亿km,卫星使用环绕器的X波段测控设备直至入轨后的测控。环绕器采用测控数传一体化设计,在继承YH-1火星探测器技术的基础上进行优化。

图3 飞行过程示意Fig.3 Mars probef lying course

表2 探测器各飞行轨道段测控任务及主要测控设备配置Tab.2 TT&Cequipments of Mars probe and ground

c)采用音码混合测距、VLBI和多普勒等多种测轨技术,实现对轨道的精确测量。

从巡航至整个环绕火星飞行的轨道中太阳-探测器-地球的夹角为10°～130°。从发射初期时的130°单调下降至发射后100多天达最小的10°,以后再上升至约45°(不超过50°)的最大值,随后缓慢下降到巡航飞行结束时的约40°。在环火轨道段,日-星-地夹角保持在40°左右。根据此计算结果,X波段测控应答机天线的波束如能覆盖10°～130°的范围就能确保整个飞行轨道段探测器在对日定向条件下,上下行链路可保持对地通信的需求。2013年地火飞行轨道星地距离和日星地夹角的变化如图4所示。测控方案中上下行信道各使用2个低增益天线可满足从巡航飞行到环绕飞行跟踪的需要,为在环绕飞行轨道满足探测数据传输需要,设置中、高增益发射天线各1个。

图4 2013年地火飞行轨道星地距离和日星地夹角Fig.4 Anglebetween sun-Mars and earth of independence launch Mars probe in 2013

2 继承的技术方案

我国火星探测刚起步,已解决多项关键技术,并在YH-1火星探测器的研制过程中通过地面试验得到了验证。其中部分关键技术见表3。

表3 自主火星探测关键技术Tab.3 Key technologies of independence launch Mars probe

a)深空远距离测控数传技术

探测器与地球的最远通信距离达4亿km。为克服巨大的信号衰减,仅依靠提高星载设备或地面站的发射机功率和天线口径的增大受到限制,须采取综合技术措施解决,以确保环绕器与地面间的有效通信。YH-1火星探测器采用的测控通信技术主要有：研制了高灵敏度深空测控接收机,通过了所有地面试验考核,需要进一步飞行验证;为提高射频频段,研制了X波段发射机,通过了所有地面试验考核;采用大口径高增益天线,增大了链路增益;采用信道编码技术,以获取编码增益,降低解调门限值;利用卷积码与RS码级联,获得编码增益9 dB。

b)长时间自主管理技术

因距离遥远,信号从地球发射至被火星探测器接收需约21 min。显然,探测器上任何动作都需地面站注入指令完成是不现实的,这就需要探测器实现高度自主控制。YH-1火星探测器专门设计了绕火飞行期间的长时间自主管理程序,实现了从自主分离、帆板自主展开、自主对日定向、姿态自主机动、自主对地数传、电源及阴影自主管理、故障自主诊断和修复等探测器的综合自主管理功能,均在无地面控制条件下完成,提高了探测器在轨的生存和工作能力。YH-1火星探测器的自主管理功能通过了地面试验的严格检验和考核。

c)多模式姿态控制技术

多数地球观测任务要求卫星具有对地观测姿态、对地数传和对日定向三种主要姿态控制模式,其中前两种姿态模式有时可公用。YH-1火星探测器的任务要求探测器具有的姿态模式更多,如对地通信、对日定向、对火星观测和星-星掩星试验等模式,其复杂度远大于常规地球卫星。经国内专家近3年的技术攻关,该技术已在YH-1火星探测器上使用并经地面考核。

d)活动部件及电子器件的休眠-唤醒技术

地火转移飞行时间约10月,其间展开机构、火工品切割机构等多个机构和单机处于不工作的休眠状态。对长时间内处于休眠状态的机构和单机,在到达火星后唤醒并正常工作是火星探测的关键。YH-1火星探测器研制中对此进行了专题研究和专项试验验证,如太阳阵展开机构和火工品切割器通过了12个月低温贮存试验考核,展开试验正常;星外太阳电池阵(带火工品)在-190℃贮存24 h后展开正常;电源、综合电子、载荷数管等鉴定级电子产品通过了-50℃低温贮存试验考核。

e)长阴影探测器生存技术

YH-1火星探测器在设计初期,由于俄方探测器接口条件的约束,将导致探测器在运行轨道期间遇到最长约8.8 h时的长阴影环境,此情况在我国目前所有航天器中尚属首次。在长阴影导致的-190℃的深冷低温环境中,需探测器合理使用能源、控制星上热环境,保证探测器在长阴影下的生存。为此,总体成立了长火影课题攻关小组,同时建成了我国第一个整星级液氦(可达-269℃)真空试验系统,以满足地面长阴影试验的需要。经近2年的研究,2009年3月YH-1火星探测器在液氦经历了-260℃温度环境考验后,仍可休眠唤醒、工作,方案合理,为后续深空探测类似技术难题解决提供了技术基础。

3 结束语

本文提出了一种基于YH-1火星探测器技术的自主火星探测方案,探测器由推进舱+环绕器组成,环绕器小型化、集成化、轻型化,满足火星后续工程中的环绕器设计要求。基于YH-1火星探测器+推进舱的自主火星探测方案,在充分继承YH-1火星探测器已有成熟技术的基础上,明确了各系统间机、电、热接口关系,对关键技术进行了可行性分析,总体方案合理可行,通过了中国航天科技集团公司的专家评审,满足2013/2016年发射工程任务的需求。该方案的其平台继承性好,成熟度高;集成化、轻型化、小型化,载荷装载能力30%;推进舱携带较多燃料并可扩展,平台的轨道适应能力强;推进舱与环绕器可分离,环绕器轨道机动能力强;环绕器携带一定燃料,满足轨道机动及验证大气制动技术的需求,进一步满足科学探测的需求。

自主火星探测工程难度大、时间紧,其意义和影响巨大。在国际上新一轮深空探测高潮中,我国既要加快研制进度,抓住宝贵的发射窗口,又要切实保证探测的成功率,尽快立项与优化研制流程以确保首发成功。

[1]陈昌亚.火星探测技术的发展[J].科学,2009,61(5)：16-19.

[2]陈昌亚,方宝东,曹志宇,等.YH-1火星探测器设计及研制进展[J].上海航天,2009,26(3)：21-25.

[3]陈昌亚,侯建文,朱光武,等.萤火一号探测器的关键技术及设计特点[J].空间科学学报,2009,29(5)：456-461.