日本“拂晓”金星探测器再次尝试入轨获得成功

张扬眉 （北京空间科技信息研究所）



日本“拂晓”金星探测器再次尝试入轨获得成功

张扬眉 （北京空间科技信息研究所）

Japanese Space Probe Akatsuki Successfully Enters Venus Orbit on Second Attempt

2015年12月7日，在继2010年尝试进入金星轨道失败后，日本“拂晓”（Akatsuki）金星探测器再次挑战入轨金星，克服诸多障碍，最终成功进入金星轨道，使日本成为亚洲首个探测金星的国家。目前，该探测器在轨运行状态良好，已发回多幅金星图像，并计划于2016年4月正式开始科学探测活动。

日本于2010年5月20日从种子岛航天中心用H－2A火箭成功发射其首颗金星探测器 “拂晓”。然而当年12月“拂晓”进入金星轨道之前，用于减速喷射的主发动机发生故障，导致“拂晓”入轨失败，不得不进入绕太阳运行轨道。此次入轨时机是继5年前那次飞行入轨时机之后的一次最佳机会，也是“拂晓”向金星发起的最后一次冲刺。

1 “拂晓”概况

“拂晓”探测器立项时定名为行星－C （Planet－C）探测器，也被称为“金星气候轨道器”（VCO），项目由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）管理，日本电气公司为主承包商，三菱重工业公司为探测器研制主发动机。原本预计发射后于2010年12月进入金星轨道，执行为期2年以上的任务。

探测目标

虽然金星在形状和质量等方面都与地球相似，但实际上与地球的差异非常大。金星大气主要由极度浓密和干燥的二氧化碳组成，金星表面还覆盖着由二氧化硫和硫酸组成的云层。金星上层大气存在一种“超旋”现象，在靠近金星表面的区域，大气运动非常缓慢，而在高层大气区域，大气运动极快，云团每4个地球日就会环绕金星快速漂移1周。金星的自转周期为243天，而大气循环周期却只有4天。

“拂晓”探测器的主要目的是研究金星大气的循环机制，尤其是金星上层大气的“超旋”现象以及金星低层大气的三维运动情况，其次是在“拂晓”向金星巡航的过程中调查金星表面情况，并测量金星大气温度，寻找金星火山活动和雷电活动的证据。对金星大气进行研究，不仅有助于理解金星的气象情况，也有助于普遍理解行星流体动力学，研究地球的起源与演变。

“拂晓”原计划环绕金星运行，利用多个高精度观测装置观测金星大气和云的运动情况，研究金星是否存在火山活动和雷电现象等。观测数据还将用于地球大气现象、气候变化和地球起源等研究。

主要性能参数

“拂晓”的发射质量为480kg，干质量为320kg，有效载荷为34kg，设计寿命4.5年，任务期末功率500W。探测器为1.6m×1.6m×1.25m的立方体，上面带有2个太阳电池翼，每个太阳电池翼面积为1.4m2。当探测器在金星轨道运行时，太阳电池翼功率为1200W。探测器采用500N的双组元（肼和四氧化二氮）主发动机、12个单组元（肼）姿轨控推力器，其中8个23N推力，4个3N推力。“拂晓”采用动量轮进行三轴稳定，通过对探测器主体进行姿态控制使探测器上安装的照相机指向金星方向。安装了太阳电池翼的“拂晓”表面总是面向南方或北方，利于辐射冷却。太阳电池翼能够沿南－北轴方向旋转，无论探测器主体的方位如何，太阳电池翼能够受控一直朝向太阳。当与地面站进行通信时，通过姿态控制能够使探测器上的高增益天线阵指向地球。探测器的遥感勘测速率为4kbit/s（1.5AU）、8kbit/s（1.1AU）、16kbit/s（0.7AU）、32kbit/s （0.5AU）。探测器计划轨道类型为绕金星运行的椭圆轨道，近金点300km、远金点8×104km，轨道周期30h，轨道倾角172°。

有效载荷

“拂晓”探测器携带了6种科学有效载荷，包括近红外相机1（IR1）、近红外相机2（IR2）、紫外线成像仪（UVI）、中红外照相机（LIR）、雷电和气辉照相机（LAC），以及超稳定振荡器（USO）。

“拂晓”探测器的主要有效载荷

续 表

“拂晓”探测器结构图

2 首次入轨尝试故障原因分析

近红外相机1在距离金星68000km处获取的金星图像

紫外线成像仪在距离金星72000km处拍摄的金星图像

“拂晓”探测器原计划在世界标准时间（UTC）2010年12月6日23∶49∶00进行轨道控制发动机点火，实施金星运行轨道插入机动。预计持续点火时间为12min，“拂晓”进入环绕金星轨道，初始轨道远金点为1.8×105～2×105km，近金点为550km，轨道周期为4天。

当时，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）确认“拂晓”准时开始了轨道插入机动，但是由于金星遮挡造成一段时间的通信中断后，与探测器的通信未能按计划恢复。由于低增益天线的通信速度较慢，未能立即确定探测器的状态。2010年12月8日，JAXA宣布探测器轨道插入机动失败，“拂晓”发动机点火时间不到3min，远短于进入金星轨道所需的点火时间。

之后，JAXA成立调查小组调查故障原因，发现可能的故障原因是氦压缩箱和燃料箱之间的阀门被盐沉积物阻塞，因此发动机产生异常燃烧现象，高燃烧温度损坏了燃烧舱喷管喉道和喷嘴。

经过研究，JAXA决定在2015年12月再次进行金星入轨尝试。从“拂晓”传回的遥测数据看，探测器主发动机的喷管喉道仍然密封得较好。2011年9月，JAXA对“拂晓”的主发动机进行了2次点火测试，但发现推力只有预期的10%左右，因此JAXA最后决定放弃使用主发动机，转而使用4个用于姿态控制的推力器进行机动，将探测器直接送入绕金星的轨道。由于推力器不需要氧化剂，因此JAXA于2011年10月将探测器上剩余的65kg氧化剂释放，以减轻探测器质量。

2011年11月，探测器进行了3次接近金星的轨道机动，共获得243.8m/s的速度增量。由于与主发动机产生的推力相比，姿轨控推力器产生的推力较低，不再可能进入之前计划的低金星轨道。新计划是将探测器送入远金点数十万千米、近金点数千千米的高椭圆轨道。2015年2月，JAXA宣布将于2015年12月再次尝试进入金星轨道。2015年8月，探测器进行了最后4次轨道纠正机动，进入金星交会轨道。

2015年12月7日，“拂晓”上的4个姿轨控推力器点火20min，将“拂晓”成功送入金星轨道。12月9日，JAXA确认“拂晓”进入了远金点4.4×105km、近金点400km的轨道，轨道周期为13天14小时，“拂晓”飞行方向与金星自转方向相同。JAXA宣布收到来自紫外线成像仪、中红外照相机和近红外相机1的图像，其余3台仪器的状态也在进一步确认中。“拂晓”将于2016年3月26日再次进行轨道机动，并将轨道周期缩短为约9天。2016年4月开始，“拂晓”将进入为期2年的科学探测阶段。

日本媒体在“拂晓”探测器入轨之前报道称，“拂晓”此次成功进入金星轨道，需要克服三大障碍：一是能否实现入轨，关键在于能否实现所需要的减速；二是超出寿命的探测器能否良好运行；三是能否充分完成既定的观测任务。由于主发动机存在故障，所以需要用4台姿轨控推力器同时进行逆向喷射，而且需要让通常只喷射1s以内的推力器连续喷射约20min。如此一来，剩余燃料也将基本耗尽，所以JAXA称，“这将是最后一次入轨挑战”。目前探测器已经超出4.5年的设计寿命，而且探测器入轨金星失败后的运行轨道距太阳比原计划近了0.6AU，经历的实际温度比设计参数高了30～40℃，部分元器件温度已经上升至约140℃，超出了设计预期。为了降低由此所带来的影响，只能将探测器的耐热面向着太阳。此外，探测器绕金星运行的轨道比原计划高，因此多数时间只能从遥远的位置进行观测，能在多大程度上完成预期观测还无法确定。

3 成功进入金星轨道的意义

日本实现金星探测亚洲第一

截至目前，日本共实施8次深空探测任务，其中彗星探测2次，月球探测2次，小行星探测2次，火星探测1次（失败），金星探测1次。此次“拂晓”探测器的成功入轨，使得日本第一次成功实现行星探测，使日本成为全球第四个、亚洲第一个成功实现金星探测国家，也是继日本“隼鸟”（Hayabusa）小行星探测器克服诸多困难、将小行星样本带回地球后，日本空间探测的又一壮举。

成为目前唯一运行的金星探测器

20世纪90年代以来，全球共发射2次金星探测任务，即欧洲的“金星快车”（Venus Express）和日本的“拂晓”，“金星快车”已于2014年12月结束了探测任务，之后坠入金星大气层。因此，目前“拂晓”是环绕金星的唯一人造探测器，同时也是亚洲的第一颗金星人造卫星，其最新的观测数据可扩展并补充欧洲“金星快车”获得的数据，具有重大的科学意义。

此外，在首次入轨失败后、绕太阳运行的5年时间里，“拂晓”探测器也开展了少量的科学探测工作，其中包括通过太阳日冕向地球传送无线电信号以观察太阳外层大气将如何对无线电波产生影响等，取得了一定的探测成果。

继“隼鸟”后再次成功实施“二次营救”

日本似乎有“二次营救”空间探测器的“传统”，其“隼鸟”探测器也经历了一波三折的着陆、采样与返回过程，包括3台姿控飞轮中的2台失效、化学推力器因燃料泄漏无法使用、4台离子推力器中先后有3台发生故障等，最终工程团队仍然克服重重障碍，使探测器成功返回地球。此次“拂晓”探测器也经历了首次入轨失败的挫折，但最终仍然入轨成功，反映出项目相关工程团队临危不乱的高抗压能力和高超卓越的工程技术水平，并通过探测器故障的解决过程，为日本今后的空间探测项目实践积累了丰富的工程经验。