浅谈奔赴火星需要解决的几大关键技术

陈昌亚

研究员，上海卫星工程研究所，上海 200240

本文初步分析了奔赴火星的几大关键技术问题：轨道设计与控制技术；超远距离通信技术；自主控制技术；火星探测热控制技术；火星着陆控制技术以及火星返回技术等。对后续火星探测以及相关型号探测器的研制具有一定的参考价值。

1 引言

火星是位于地球轨道外侧的一颗行星，是地球的近邻。火星上存在固态的水，有稀薄的大气。人类通过探索火星，希望建立第二家园和寻找地球以外的生命，研究火星的磁场、大气和气候、空间环境、地貌和水消失的痕迹等内容，并掌握其规律［1］。

按照离太阳由近及远的顺序，火星排名“老四”，位于排名“老三”的地球外侧。火星围绕太阳公转一年687天，地球围绕太阳公转一年365天，因此火星与地球每2年有一次靠近的机会。火星离地球最近处约5670万km，最远处约4亿km（月球离地球大约38.4万km）。因为火星与太阳的平均距离为地球的1.52倍，火星获得的直接太阳光强只有地球光强的43.1%。火星表面温度比地球低45℃，平均温度只有零下25℃；火星赤道区的昼夜温度在20～80℃，最寒冷的极区的温度变化在－70～－140℃。

火星和地球有很多相似特征。火星上不仅有类似地球上的季节之分，还可明显的区分出“五带”（热带、南北温带、南北寒带）。此外，科学家还发现火星上有一定量的大气，有白皑皑的极冠，且随季节变化大小范围有明显的变化。火星探测器从发射到抵达火星轨道要飞行10个月左右。

到目前为止，人类对火星的探测有40次左右，成功率1／3多，认识还很不全面。但是人类对火星寄予了深切的希望，仍在坚持不懈地对火星进行科学探测。

2 奔赴火星需要解决的几大关键技术问题

奔赴火星需要解决的关键技术问题，包括轨道设计与控制技术，如何使得探测器安全到达火星并被火星捕获成为火星的卫星；超远距离通信技术，使得探测器在离地球最远4亿km的地方仍能够听得见，喊得出，地面信号能够跟踪得上；自主控制技术，在地面测控不可控和长阴影期间自我控制；适应由近及远及长阴影期间的热控制技术；活动部件深冷的休眠唤醒技术；着陆器的安全着陆技术；在轨返回及上升器的火星返回技术等。下面针对以上关键技术进行分析［2－3］。

2.1 轨道设计与控制技术

2.1.1 离开地球轨道的转移飞行能力

一是直接奔火，飞离地球。美国火星探测器发射多采用直接奔火的方式，中国在CE1奔月时采用调相方式，在CE2奔月时就采用了直接奔月的方式。直接奔火要求运载能力足够大，直接将探测器送入奔火双曲线轨道，达到第二宇宙速度（大于11.2 km／s），同时对运载发射的控制精度要求高，如果入轨点误差过大那就得在奔火巡航段的轨道修正中消耗探测器较多燃料。直接奔火如图1所示。

二是先进入环绕地球的近地驻留轨道，在近地轨道飞行几圈完成调相后加速奔火。俄罗斯在多次火星发射过程中均采用调相方式奔火。在进入环绕地球的调相轨道后，进行精密测定轨，在获得满意的控制精度后加速奔火。调相奔火如图2所示。

2.1.2 火星影响球与地球影响球

地球的影响球半径大约92.8万km，在飞离地球几天（直接奔火大约2.5天）后即脱离地球的引力而进入环绕太阳的椭圆轨道，经过大约300天的巡航段飞行进入火星的影响球，火星的影响球半径大约58万km。在到达火星影响球（距到火星大约1.8天）轨道时必须及时可靠的进行刹车制动，使得探测器被火星捕获，成为火星的卫星，如图1所示。

图1 直接奔火示意图

图2 调相奔火示意图

2.1.3 到达火星轨道的制动捕获能力

为了使得探测器顺利被火星捕获而成为火星的卫星，在到达火星轨道前必须进行刹车制动减速使其被火星捕获，如不能够及时制动，探测器便飞越了火星。早些年常存在此失败，2010年12月日本的金星“晓”探测器因为推进故障，未能及时制动，没能被金星捕获，飞越了金星，导致任务失败。

火星捕获一般在近火点600～800km，远火点60000～80000km进行刹车制动，形成环绕火星的大椭圆轨道。如果制动不当，要么探测器飞离火星，不能够被火星捕获成为火星的卫星；要么撞上火星，任务同样失败。

另外星上姿态控制以及刹车制动发动机是关键，如果到达刹车制动的位置而不能很好的调整姿态，任务不能够完成；刹车制动大发动机如不能够很好地工作，不能够有效地刹车制动，任务失败。

2.1.4 由捕获轨道变轨到目标轨道

刚开始进入的轨道不一定是所要求工作的轨道，所以在被火星捕获后，还要经过几个月多次轨道修正变轨到任务工作轨道，如图3所示。

图3 由捕获轨道变化到任务轨道示意图

2.2 超远距离通信技术

由于地球与火星最近相距约5600万km，最远相距约4亿km，通信信号在如此远距离的情况下空间信号衰减达280dB，为了克服巨大的信号衰减，不仅依靠提高星载设备的性能，更需要地面站设备的配合。要求地面深空站能够工作在X波段，配备大口径天线，并且具有发射上行大功率信号和接收下行微弱信号的能力。这就要求在下行传输过程中，探测器上具有较大发射功率，星载天线具有较大的增益，且地面站足以接收来自数亿公里远的火星探测器发回的微弱信号。同时，在上行传输过程中，要求星上接收机具有较高的灵敏度，星上接收机要具有非常高的灵敏度，接收机锁定灵敏度要优于－140～－145 dBm。

另外地面站具有较大的发射效率和较大的天线。国外深空站天线直径达64 m，70m，且二维定向跟踪。如图4所示。

图4 国外某深空地面站64 m天线且二维定向跟踪的图片

需要实施超远距离的测控和通信，以确保指令的上传和数据的下传，这就要求地面测控站的天线孔径很大，而且，要求地面控制系统可以对探测器的飞行轨迹、姿态、各个系统的工作状态进行测量、监视与控制。

2.3 自主控制技术

由于火星距地球遥远，最远达4亿km，信号往返需40多分钟，实时不能进行控制，因此要求探测器必须高度自主完成事先设置好的功能。包括日凌期间工作的自主模式管理、长火影的能源自主管理与保护、依次关闭载荷等、测控弧段盲区没有上行指令指导的自主控制、故障模式下自主进入安全模式等，自主姿态确定与控制。自主姿态确定技术及解决途径如下：

（1）首先，根据任务需求，合理选用姿态基准。在对日定向模式下，利用较精确的行星星历，以火星公转轨道坐标系为姿态基准，不需要精确的卫星轨道参数，能保持太阳几乎垂直照射星体，也可以使得在帆板对日定向的条件下，相机在每隔一定周期内有机会拍摄到火星；对火定向时，以探测器绕火星运行的轨道坐标系为姿态基准，可以近距离拍摄火星；对地定向模式下，利用较精确的行星星历计算出地球与火星的位置，根据探测器的轨道参数确定探测器与地球的相位。

（2）其次，针对火星的地理环境，采用两台星敏感器结合MEMS陀螺进行姿态测量。

（3）最后，根据星历表，结合程控指令，姿控模块自主进行对日、对地、对火、对X探测器的定向以及模式切换的姿态确定，如图5所示。

图5 探测器自主控制各姿态模式转换示意图

2.4 火星探测器热控制技术

火星探测器相对于地球轨道的卫星来说，卫星热控存在下列特点和难点：

卫星的运行环境、姿态等的变化引起的外热流变化剧烈。卫星从地球运行到火星轨道的10个月内，随着地球、太阳和火星的相对位置变化，太阳辐射强度从地球附近的1353 W／m2减小到火星附近的589.2 W／m2；在火星轨道运行时，因为是大椭圆轨道，在近火点和远火点附近所接收的火星红外辐照和反照差异也很大；在卫星从地球轨道向火星轨道转移的前10个月内，外热流变化剧烈；在进入火星轨道运行时，卫星天线对地定向的同时，还要考虑太阳电池板对日定向，卫星姿态在一定的方位内调整，卫星各面的外热流也有较大的变化。

能源方面应考虑在发射初期太阳光强大，电池片效率高，热量耗散对星体辐射的影响；寿命末期，太阳光强小，电池片效率低，供给能量少的适应性。热控系统应能够适应寿命期内太阳帆板供电能源变化大、太阳光强变化大的特点。

2.5 活动部件的深冷休眠、唤醒技术［4］

星上活动部件，如高增益数传天线在星际巡航段为了避免刹车制动的冲击处于收拢状态，在到达火星轨道后才进行展开，火工品切割器在经历巡航段低温存贮后的发火和解锁展开，这就存在深冷休眠唤醒问题，地面根据火星环境必须进行一系列试验。

2.6 火星着陆控制技术

火星着陆方式分为直接进入和环绕进入二类。直接进入是指着陆器在进入火星影响球范围前，与探测器分离，以撞击轨道直接进入火星大气。环绕进入是指着陆器随探测器制动捕获进入环绕轨道后择机与探测器分离进入火星大气。

火星着陆要经历分离起旋、减速载入、开伞减速、缓冲着陆、仪器工作与通信等。到目前为止，只有美国的6次着陆成功，欧空局的猎兔犬2号着陆失败。

2.7 火星返回技术

由齐奥尔科夫斯基的方程△v＝veloge（M0／M）看出，速度变量与质量比和排气速度ve有关。

离开火星的航天器的初始质量M0由3个元素组成：实际有效载荷，包括探险队员、他们的生命补给、物资以及设备；飞行器、火箭发动机、燃料贮箱和设备支撑物；所有重要的结构；最后还有往返途中所要消耗的燃料。任务结束时，探险队员、携带的样本、飞行器以及空的燃料贮箱用最终质量M表示。

图6 环绕进入火星着陆过程示意图

下标字母p，d，f分别代表有效载荷、航天器的干重以及燃料。

假设此时结构因素为5%，可将质量比公式（2）改写为：

将有效载荷设为0，通过上式可以确定此时基本质量比为21而并非11，该值也是有效载荷能力。实际上，若质量比设为11，新的结构因数5% ，上述方程将会变为Mf＝20Mp，因此，根据简化假设，每吨有效载荷需要20t的燃料。如果按照阿波罗飞船的有效载荷为47 t，它需要940t的燃料才能实现火星着陆返回探险。

前往火星使用的飞行器可以留在轨道上，只需要一个较小的登陆器便能登陆火星表面并返回。一些设备、备用品、也许还有探险驻地都可以通过无人载货飞行送到火星上，并且这些东西根本不必返回。当然，现代设计朝着集成化、小型化、轻型化方向发展，并且局部用核燃料作为动力，总重量将会轻得多。

返程时，总速度变化近似等于出航的速度变化。航天器从火星表面升空，之后必须沿着一条上升椭圆轨道升到绕火星的圆形轨道高度。为了利用火星的自转，航天器将沿着图7中所示的半个虚线椭圆轨道飞行。完成这一动作所需的速度，包括轨道圆化修正点火，近似等于着陆速度变化。一旦安全进入围绕火星的圆形轨道，探险者便会等候飞离的最佳时机。火箭发动机点火，将航天器送入逃离双曲线轨道，这个轨道的形状和参数都与捕获双曲线轨道相同，只是其方向与之相反。这条逃离双曲线轨道将把航天器送入返回地球的转移轨道。火星在其圆形轨道上的运动速度比航天器进入转移轨道所需的速度快，因此，当航天器进入转移椭圆轨道时，其所在的双曲线边，便是反方向阻碍其向前运动的力臂。然后用航天器的速度减去火星公转速度，便得出航天器进入椭圆轨道所需减少的总的速度量。图8为上升器从火星升空的构想图［5－6］。

早在20世纪60年代末，人类就已实现登月梦想，美国的阿姆斯特朗借助世界上最庞大的运载火箭——土星五号，顺利登陆月球并平安返回。但是，登陆火星返回并非是登陆月球返回那么简单。

图7 飞行器进入地球返回转移轨道所需的双曲线轨道

图8 上升飞行器从火星升空的设想图（着陆器和空燃料贮箱被留在火星上）

当年美国人登陆月球时，土星五号地球发射时到达近地轨道的总载荷达到118t，到达月球轨道的总载荷达47 t。地球距离月球仅38万km，但距离火星却要遥远得多，因此人类登陆火星进行探测，必须备足粮草和返回地球所需的燃料，这就加重了运载火箭启程时的负担。返程更难，月球的重力加速度是地球的1／6左右，而火星的重力加速度是地球的1／3左右，假设依旧借助土星五号完成整个行程，从月球上返回克服0.16 g的加速度都需要携带47 t的载荷，那么从火星上返回克服0.38 g的加速度，这需要携带多大的载荷到达火星轨道，才能着陆火星表面并克服火星引力返回地球啊？！

即使对美俄这样拥有火星探测经验、航天实力领先的国家来说，近期也没有一个明确的载人登陆火星返回地球的时刻表。美国也只是初定计划在2030年后将航天员送上火星轨道并返回。要解决引力带来的返程难题，可能得依靠多次发射、轨道对接以及设置留轨器等方式来集合增大能力。攻克推进动力技术，或许正是火星载人探测的关键。

火星着陆返回有待于重型运载的研制或者核动力燃料才有足够的动力脱离火星的引力返回地球。

3 结束语

以上对奔赴火星环绕、着陆及返回的几个关键技术问题进行了初步分析。我们相信，随着重型运载、空间对接、高能燃料等技术的发展，人类将在不久的将来登上火星。中国作为负责任的航天大国，随着国家综合国力的不断增强，在不久的将来将适度开展以火星为重点的深空探测活动，中国人自主深空探测的足迹必将踏上距离地球约4亿km的火星、乃至10亿km以远的星球，以更好地认识宇宙、服务地球、造福人类［7］。

（2012年1月28日收到）

［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，2009，14（3）：21－25.

［3］陈昌亚，候建文，朱光武.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.

［4］陈昌亚，等.YH－1火星探测器的技术创新点 ［C］／／2010.09八院科技委内部论文集，2010.

［5］高云国.现代小卫星及其相关技术 ［J］.光学与精密工程，1999，7（5）：16－21.

［6］林来兴.现代小卫星及其关键技术 ［J］.中国空间科学技术，1995，15（4）：37－51.

［7］陈昌亚，等，译.远征火星 ［M］.上海：中国宇航出版社，2011.