未来的火星飞机—美国新型火星大气层进入探测器概念研究

王燕（上海航天技术基础研究所）

未来的火星飞机—美国新型火星大气层进入探测器概念研究

王燕（上海航天技术基础研究所）

在美国航空航天局（NASA）先进概念研究机构（NIAC）的支持下，有关专家正开展一项新型火星大气层进入探测器的概念研究。这种探测器类似于飞机，被命名为“代达利翁”（Daedalon），以古希腊传统神化人物名字命名。它是一种可改变飞行翼的无人驾驶飞机，造价仅需2.24亿美元，可以满足2020－2040年发射窗口任务。

这种无人飞机探测技术较之传统的着陆器和漫游车的现场勘查技术具有独特的优势。首先，探测范围得以扩大。漫游车可对行星有限的区域进行现场勘查，而这种有动力的飞行器可全星球飞行，进行高分辨率可见光、红外、热、磁和中子等测绘。其次，着陆更加安全。这种飞行器可以现场勘查后，选择最佳着陆区域着陆。此外，还可以对局部区域进行超高分辨率成像，并将数据传送给主着陆器。

1 任务概述

在发射后的地球-火星（简称地火）巡航期间，由巡航级向“代达利翁”提供通信、电源，并进行轨道修正。“代达利翁”采用的是直接进入火星的方式，在进入火星大气层5.5h之前，巡航级对着陆器加电，并从巡航级脱离。在进入火星大气层最密集的阶段，“代达利翁”抛掉防热大底，带着热防护罩高速滑翔进入火星大气层。飞行阶段飞机翼需要变形，速度可以降到Ma为0.7，飞行高度500m。在整个飞行期间，“代达利翁”还要考察着陆点的情况，寻找最佳着陆区域。从防热大底抛弃到着陆，“代达利翁”可持续飞行670km，完全能够满足绕160km的陨石坑飞行（如古谢夫陨石坑）。如果找到理想的着陆点，剩余推进剂还能穿越陨石坑。准备着陆期间，“代达利翁”可以在10m高度处飞行，2个下降助推 器帮助其轮子平稳着陆。着陆后，“代达利翁”展开2个太阳电池翼，并激活有效载荷。“代达利翁”还具备在火星表面巡视的能力，开展与类似火星车的巡视任务。

“代达利翁”火星飞机进入火星大气层示意图

2 系统设计

“代达利翁”火星飞机概念设计包括5个部分：有效载荷、着陆器、热防护系统、巡航级和运载火箭。其中，有效载荷和热防护系统参考传统的设计，本文将重点介绍着陆器的设计。

有效载荷

“代达利翁”设计了一个独特的有效载荷舱，目的是为了容纳更多的有效载荷。在最初的设计中，“代达利翁”无法满足美国第二代火星车“火星探测漫游者”（MER）的容量。然而，由于“代达利翁”任务不需要搭载可巡视的火星车，因为着陆器本身就可以巡视，因此只需满足任务需要的硬件即可。“代达利翁”有效载荷只需和早期任务火星车上的有效载荷进行比较。“火星探测漫游者”有效载荷质量7.9kg，平均工作功耗为32W。美国第一代火星车“索杰纳”（Sojourner）有效载荷质量1.4kg，平均工作功耗为2W。“索杰纳”质量10kg，输出功率为16W。“代达利翁”火星飞机可以容纳“索杰纳”量级的火星车。

“代达利翁”火星飞机与“索杰纳”、“火星探测漫游者” 火星车有效载荷的功耗和质量对比

“代达利翁”火星飞机（左）与“索杰纳”火星车尺寸对比

（1）总体指标

着陆器总质量250.4kg，其中干质量138kg，推进剂101kg，有效载荷12kg。飞行期间峰值功耗226W，火星夜晚和地火巡航期间平均功耗30W。

“代达利翁”着陆器质量分布表

“代达利翁”火星飞机的尺寸

（2）推进系统

着陆器的推进系统包括两部分：巡航推进系统和下降推进系统。推进系统干质量12.5kg，推进剂100.6kg。点火时每个助推器的功耗大约5W。

巡航推进系统有2个36N助推器，比冲235s，分别位于飞机的两侧。在54min的低速巡航阶段，着陆器约消耗90.7kg的单组元推进剂。助推器的选择参考了飞行器稳定阻力状态下的推力参数，阻力的估算参考了美国航空航天局现有试验数据的升阻比和升力系数曲线。在相同的试验条件下，升阻比为14.6，假设稳定状态下飞行，飞行器阻力为64N，因此可选用2个36N的助推器。

下降推进系统包括2个安装在底部的助推器，在飞行器准备着陆时的最后飞行几秒钟点火。这2个比冲235s、444N的助推器，使用0.2kg的单组元推进剂，可在火星表面软着陆。携带的燃料可产生8.6m/s的速度增量，可满足飞行器从10m高度安全着陆。

巡航推进系统和下降推进系统都使用相同的组件，包括推进剂贮箱和增压贮箱。

“代达利翁”火星飞机推进系统

（3）电源系统

“代达利翁”的着陆器主要依靠太阳电池翼供电。在整个飞行阶段，着陆器需要更多的电源，单靠太阳电池翼无法满足。此外，着陆器还必须在火星夜晚维持一定水平的电源。为了满足这些需求，着陆器的电源系统包括670Whr的NiH2电池。电源系统的最终部件包括电源控制单元、转换器和电缆。

电源系统的质量分布较散，质量估算很困难，因此将该系统分成了4种模式：休眠模式、进入前模式、飞行模式和飞行后模式。休眠模式要维持在火星夜晚期间和地火巡航期间的电源供给；进入前模式是防热大底从巡航级抛掉开始，直至进入火星大气层的5.5h；飞行模式是指低速飞行期间；而飞行后模式是指着陆后表面操作阶段。

着陆器的电源系统总质量47.9kg。在巡航期间和火星夜晚工作期间，还需要借助储能电池，电池可提供670Whr的电源。太阳电池翼的尺寸是按照飞行后模式来计算的。根据CAD模型，1.5m2的太阳电池翼可以安装在“代达利翁”机身轴上。此外，还有2个0.5m2的太阳电池翼在着陆时会展开。太阳电池阵贴有15%效能的砷化镓（GaAs）电池。太阳电池翼对于飞行模式下的供电起到了很大作用，大大减少了电源系统的质量。

（4）结构系统

结构系统是“代达利翁”着陆器非常具有特色的系统，包括变形翼、垂直尾翼、机身、推进剂吊舱、着陆变速机构、着陆变速轮电机、变形翼和着陆变速机构的增压贮箱。

着陆器变形翼的外形设计是最具挑战性的。变形翼的大小与3个参数有关：翼展、高速飞行和低速飞行。高速/低速状态下的升力系数和飞行速度的估算基于之前火星飞机的相关文件。在综合考虑火星大气密度和飞行器质量的情况下，这些数据可以算出俯视面积。由于翼展跨度大，变形翼的基本结构质量要采取低速飞行的构型，大约为4.66kg。

佐治亚州空间技术系统实验室设计了变形翼的构型，采取了增压舱、套叠和旋转翼梁的设计方案。在这种设计方案中，通过操纵具有旋转和套叠能力的变形翼梁达到变形目的。

变形翼本身没有骨架，但有一个可与翼梁套叠的骨架。翼梁系统由6个旋转翼梁组成，2个翼梁沿纵轴方向，4个较小的翼梁从探测器方向向下伸展，支撑变形翼。变形翼的构型包括主结构，此外还有致动器、变形翼梁，以及增压舱和氦气舱。变形翼的功率很小，飞行状态时只需7W。

“代达利翁”的着陆器电源模式

变形翼的关键设计要素

结构部分还包括起落架、轮子和撑架。起落架的质量约为2.1kg。此外，还有0.2kg的增压舱和着陆前充气的氦气，巡视用的电机质量6.7kg。3个电机可以提供37.3Nm的扭矩，相当于直径为0.37m的车轮可以越过0.09m的障碍物，移动时电机功率为18W。结构与机构系统总质量为33.8kg。

（5）其他

制导导航与控制系统包括惯性测量单元（IMU）、雷达设备、飞行敏感器、陀螺和2台导航相机。指令与数据处理系统控制制导、导航与控制系统的导航设备，但计算机设备的质量不属于制导、导航与控制系统。制导、导航与控制系统质量3.6kg，休眠模式时，该系统设备全部关闭。“代达利翁”着陆器在与巡航级分离后，其上的惯性测量单元、敏感器、陀螺开始加电；飞行期间，所有设备全部正常运行。着陆后模式中，雷达关闭。

指令与数据处理系统（C&DH）包括星上计算机，该系统质量3.2kg，峰值功率20W。休眠状态期间，保持正常功能情况下，需要40%的电功率。

通信系统使用的是512kbit/s特高频（UHF）的信道与在轨中继卫星通信。飞行期间，该卫星是其巡航级。随着巡航级进入自由飞行轨道，着陆器就得依靠这颗中继卫星与地球保持通信。星上设备（包括星上应答机、功率放大器、双工器、鞭状天线、电缆等）总质量4.3kg。

高速和低速飞行状态下的变形翼构型

着陆器的发射功率为2.8W，“代达利翁”与中继卫星之间的信噪比为11.8dB。飞行期间和着陆期间，通信系统将使用峰值功率。在休眠状态和进入后状态，通信系统关闭。

“代达利翁”的热控系统将在整个任务期间为飞行器提供适当的温度，热控系统5.0kg，功耗约为4.3W。

防热系统

在“代达利翁”的着陆器与巡航级分离之前，热防护系统承担了着陆器与巡航级之间的通信任务。后防热罩继承了传统的火星探测器防热系统设计，如“火星探路者”（MPF）、“火星探测漫游者”以及“经济可承受快速响应航天运输系统”（ARES）计划。这使得“代达利翁”防热系统设计更加容易，其进入时防热系统设计直径为2.65m，质量250kg（包括25%的边界余量）。绝热层安装在变形翼底部，在进入时被抛弃，变形翼改变成高速飞行状态下的构型。绝热层面积约6.1m2，质量31kg。

巡航级

巡航级的功能是为“代达利翁”在地火巡航段提供电源、通信和轨道修正的能力。巡航级在进入行星转移轨道后，额定功耗367W，在此之前最低功耗为232W。巡航级直径2.65m，与防热系统垂直。

巡航级包括推进系统，电源系统，结构与机构系统，制导、导航与控制系统，指令与数据处理系统，通信系统，热控系统。在行星转移阶段，巡航级额定功耗367W，发射阶段功耗232W，直径2.65m。巡航级干质量291kg（包括25%边界余量），推进剂55kg，有效载荷549kg，整个系统896kg。

3 结束语

“代达利翁”火星飞机是美国航空航天局一种新型的火星可变形的无人驾驶大气层进入探测器。这项概念的新颖性并不仅仅在于其独特的变形翼技术，更重要的是它是一种可用于行星探测的飞行器。这种类型的飞行器具有相当灵活的操纵性能，可满足进入、飞行、着陆和巡视等功能。由于同时具备飞行和着陆的能力，因此能够在飞行过程中选择理想的着陆点。使用变形翼技术的目的在于使得进入时具有飞行的功能，同时增强其气动性能。“代达利翁”不仅技术可行，而且成本低廉，美国航空航天局已经将其选为未来火星探测可行的技术方案。