ｉ前沿ＦＲＯＮＴＩＥＲ火星探测技术的发展◎陈昌亚火星是位于地球轨道外侧最近的一颗行星，通过探索火星．人类希望建立第二家园和寻找地球以外的生命。对火星的研究包括磁场、大气和气候、空间环境、地貌和水消失的痕迹等内容。当前火星探测的重点是寻找火星水源和生命迹象，并准备火星样品的回收工作。继苏联１９６２年第一颗火星探测器发射成功后，１９６４年１１月２８日美国经历一系列的失败后终于发射了“水手４号”火星探测器．１９６５年７月１５日。水手４号飞抵火星。称为第一颗抵达火星的探测器。纵观人类火星探测的历史，可以分为两个阶段。第一阶段，１９６０一１９７６年。苏联在这一时期发射了“探测器２号”、“斯普特尼克”２２号、２４号、“火星”系列探测器。美国在这一时期发射了“水手”系列３号、４号、６号、７号、８号、９号和“海盗”系列１号、２号火星探测器。第二阶段．从１９９０年代至今。到２００２年为止．美国先后发射了“火星观测者”、“火星环球勘探者”、“火星探路者”、“火星气候轨道器”、“火星极地着陆器”和“奥德赛号”火星探测器。其中“火星观测者”、“火星气候轨道器”和“火星极地着陆器”都失败了：“火星环球勘探者”和“奥德赛号”在火星附近轨道上工作运转。传回了大量珍贵的资料照片；“火星探路者”携带的漫游车“旅居者号”成为首部在火星表面成功漫游的火星车。２００３年。美国分别于６月１０日、７月７日相继发射了“勇气号”和“机遇号”两辆火星探测车。两者都在２００４年１月成功着陆，目前依然运作正常。美国的“凤凰号”于２００７年８月４日升空，并于２００８年５月２５日成功降落在火星北极的一处平原上。它是迄今为止在火星上着陆最靠北的探测器，其主要使命是探寻火星现在或是过去是否存在适宜生命存活的环境。在火星上工作５个多月后，２００８年１１月“凤凰号”与地面控制中心失去联系。俄罗斯仅在１９９６年发射了“火星９６号”探测器，但该探测器在发射阶段就失败了。日本于１９９８年７月发射了“希望号”火星探测器，由于推进器故障导致失败。２００３年６月。欧洲空间局研制的第一个火星探测器“火星快车”发射升空，携带火星着陆器“猎兔犬２火星探测的历史地球与火星同处于太阳系的大家庭中。是距地球最近的行星．肉眼看上去是一颗引人注目的火红色的亮星，按离太阳由近及远的顺序为第四颗行星。火星由于它发出特殊的红光而令人侧目。西方把它称为“战神”，中国古代则称之为“荧惑”。望远镜发明以后，由于观察到多种特性与地球相似，故一度被誉为“天空中的小地球”。关于“火星人”、“火星生命”等激动人心的问题争论了近一个世纪。寻找火星上的生命和水成为科学家的巨大梦想。人类前往火星探测的最佳时机至少每过两年多才有一次。这时太阳、地球和火星三者形成一条直线，地球和火星这两颗行星之间的距离是每１５—１７年间最近的一次。从１９６０年代开始，美国、苏联、欧洲以及１３本都竞相开始探索火星的历程。１９６０年１０月１０日．苏联发射第一颗火星探测器“火星ｌ号”（Ｍａｒｓｎｉｋ一１），但发射时运载火箭第三级爆炸而使此次任务失败。１９６２年１１月１日，苏联重新发射了火星１号．其任务目标是完成火星飞越。火星１号在飞离地球１亿公里时与地面失去了联系，但它作为人类成功发射的第一个火星探测器，被普遍认为是人类火星之旅的开端。陈昌亚：博士，研究员，中俄联合火星探测型号副总设计师。上海卫星工程研究所，２００２４０。ＣｈｅｎＣｈａｎｇｙａ：Ｐｈ．Ｄ，ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｆｅｓｓｏｒ，ＤｅｐｕｔｙＤｅｓｉｇｎｅｒ－ｉｎ－ｃｈｉｅｆｏｆＣｈｉｎｅｓｅｆｉｒｓｔＭａｒｓＰｒｏｂｅ，ＳｈａｎｇｈａｉｌｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳａｔｅｌｌｉｔｅＥⅡｇｉ日∞亩ｌｇ，Ｓｈａｎｇ－ｈａｌ，２００２４０．１６ｌ科学ｌ２００９年９月（６１卷５期）万方数据ｌ前沿ｌ号”一同奔赴火星。猎兔犬２号１２月１９日从火星快车上脱离．独自向火星进发。但是，就在其按计划于１２月２５日着陆火星时．地面控制中心与其失去了联系。火星快车至今仍运行在环火星轨道上，继续探测火星。到２００８年底．人类已经进行火星探测４０次，其中成功和基本成功的有２０次，失败２０次。所发射的各类探测器中．美国有１９颗．俄罗斯（苏联）有１９颗，日本１颗。欧洲１颗。共有１５颗探测器成功地对火星进行了探测．有５颗飞越火星，６颗成为火星轨道器，４次在火星表面着陆。成功完成任务的航天探测器帮助人们扩大了对火星的认识。火星探测不同于地球卫星如月球的探测。除了轨道设计外，还有探测器的热控、测控、姿控，轻型化等，简称“三控一化”技术。火星探测的主要难点在运载能力与轨道设计、测控数据传输、深空探测的自主姿态确定与控制、探测器的轻型化设计等方面。另外。火星探测过程中的磁防护问题、星际微粒子防护、奔火过程轨道修正问题、星地通信链路建立以及精确测轨等技术。都是火星探测过程中可能会遇到的难点。轨道设计以中俄联合火星探测为例。火星探测器发射时，运载火箭将探测器运送至驻留圆轨道，之后探测器将独立完成其后飞行任务。在驻留轨道运行２圈多后，即大约从发射时刻起１７４分钟后，推进上面级发动机点火工作一次，探测器转移至远地点６０００公里、轨道周期２．６小时的过渡轨道上。在过渡轨道上飞行一圈，大约在从发射时刻起５．５小时后，第二次启动推进上面级发动机。探测器进入飞离地球的双曲轨道，该轨道在脱离地球影响区（１００万公里、３．３昼夜飞行）变化为地球一火星星际轨道。探测器在转移飞行过程中完成３次轨道修正。第一次轨道修正在飞行５～１０昼夜后。第二次轨道修正在轨道中段完成．第三次轨道修正在飞抵火星４～２周前进行。在轨道修正后探测器沿双曲轨道飞抵火星。测控通信人造地球卫星离地球的距离一般从几百公里到几万公里左右。月球离地球约为３８．４万公里，而火星离地球最近约５６００万公里。最远处约４亿公里，卫星的测控数据传输要克服信号衰减和传输时延等困难．实现深空环境下的有效通信，数据传输单程约２２分钟，来回约４４分钟。为了克服巨大的信号衰减，不仅依靠提高星载设备的性能，更迫切需要地面站设备的配合，要求地面深空站能够在Ｘ波段工作，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。自主控制由于火星与地球之间距离甚远。火星探测器接收火星探测技术虽然火星是离地球最近的一颗外行星．在太阳系中其自然环境最接近地球，并被认为是最适合人类移民的星球，但实际上对“适宜居住”来说。火星的环境非常恶劣。与地球卫星相比．火星探测卫星所面临的宇宙空间环境要恶劣的多。地球卫星外部最低温度在一１０００Ｃ左右。而火星探测卫星将会面临一２００。Ｃ左右的低温，据有关资料显示火星地面平均温度大约比地球低３０℃。昼夜温差可达上百摄氏度。火星大气稀薄．因此昼夜温差极大。瞬时温度会骤变。大气空间温差变化大。乱流极度强劲。火星大气中沙尘暴盛行，且没有规律可循，有时一年风平浪静，有时一年持续几个月，尘暴高度可达８公里，遮天蔽日。火星表面的宇宙辐射强度也比地球高上百倍，不仅有太阳宇宙射线辐射．还有银河宇宙射线辐射。行星际空间没有地磁场和行星本体屏蔽．而由银河宇宙射线和太阳质子事件产生的辐射环境及效应比地球轨道卫星严酷得多，这些对许多仪器设备都是严峻的考验，因此登陆火星非常艰难。次主发动．轨道转过渡轨道地面遥控指令时间较长，环绕火星运行时，地面测控站进行遥控的主动控制能力远低于地球卫星，因此对火星探测器星上自主能力的要求大大提高。以降低卫星对地面系统的依赖性。美国在１９９７年发射的“卡西尼号”土星探测器，去土星飞行了６年多，全自主控制。无太阳帆，全靠核动力推进。探测器进入过渡轨道小型化在运载火箭发射重量和包络尺寸严格约束的前提火星探测器发射轨道整体示意图万方数据ｌ前沿ＦＲＯＮＴＩＥＲ下，整个研制任务必须考虑探测器的小型化。同时，由于携带了大量的载荷仪器，要完成多项科研探测任务，因此火星探测器的小型化难度远大于地球探测器小型化的难度。的发展。萤火Ｉ号火星探测器装载２台光学成像仪、１台接收机、２台磁强计探头和３台电子、离子分析仪器，共８台有效载荷。萤火１号探测器服务平台由载荷数管、测控数传、姿控、电源、综合电子、热控、太阳电池阵、推进、总体电路、结构１０个分系统组成。萤火１号火星探测器按照集成化、模块化、一体化和小型化的思路进行设计。探测器轨道选择近火星点为８００公里、远火星点为８万公里的火星大椭圆轨道。探测器本体为六面体，尺寸为７５０ｘ７５０ｘ６００毫米，，帆板展开后长达６８５０毫米。星体内部主要安装有效载荷、电源、姿控、测控、数传等分系统．星体外部安装有效载荷传感器、姿态敏感器、推力器、数传天线等部件．高增益数传天线直径达９５０毫米。探测器与俄罗斯采样返回探测器一同发射。发射日期预计为２００９年１０月，计划２０１０年９月到达火星。萤火１号火星探测器自２００７年６月到２００９年６月，经历了２３个月的攻关研制，完成了初样、正样阶段的工作。２００９年６月完成正样阶段的全部研制工作。总的来说，中国的火星探测为“四步畅想曲”。第一步，通过国际合作，开展火星环境研究，提出探测目标。制定技术方案。通过萤火１号火星探测器的研制，解决火星探测研究中的关键技术等问题。第二步。自主发射环绕火星的卫星，运行轨道为火星极地轨道，一箭三星，一颗环绕火星，一颗硬着陆火星南极．一颗硬着陆火星北极，探测火星环境，同时为火星软着陆作准备。第三步，发射火星软着陆登陆器，试验着陆技术，发展中国的火星探测２００９年，俄罗斯航天机构计划实施一个名为“福布斯一格伦特”（Ｐｈｏｂｏｓ—Ｇｒｕｎｔ）的火星及火卫一采样返回探测项目，计划２００９年１０月实施发射任务，进行火星的环绕探测和火卫一的着陆探测，采集０．１～０．２公斤火卫一土壤样品返回地球。俄方邀请中方参与该计划．提议与俄方探测器（ＦＧＳＣ）共同发射一颗由中国研制的火星探测器（ＹＨ—ｌ，萤火１号），开展“中国与俄罗斯联合火星探测计划”。２００７年３月２６日。中俄两国国家航天局签署了《关于联合探测火星及火卫一合作的协议》。２００７年６月中俄双方合作单位签署了商务合同。２００８年６月温家宝总理正式批复该型号立项。“萤火１号”火星探测器将环绕火星轨道对火星的空间环境进行深入的探测研究，其科学目标是：探测火星空间磁场、电离层和粒子分布及其变化规律；探测火星表面离子的逃逸率；探测火星地形、地貌与沙尘暴；探测火星赤道区重力场。萤火１号火星探测器的研制．将大大缩短中国与美国、俄罗斯、欧空局在深空探测和技术方面的差距；保持我国与世界航天强国的战略平衡：提高我国在深空测控、定轨和入轨方面的精度：促进我国空间卫星的研制水平。推动我国在行星探测和基础物理研究方面火星探测器的发射轨道１８科学ｉ２００９年９月（６１卷５期）万方数据ｌ前沿ｌ火星漫游车、火星机器人．探测火星地理环境和气象条件．为在火星上建立观测站作准备。第四步，在火星上建立观测站。探测火星内部结构、矿物特性和气象：用机械手采集火星岩石样品：发展地球一火星往返式飞船．建立由机器人照料的火星基地，为以后载人火星飞行和建立有人观测基地奠定基础。目前我国运载火箭完全可实现自主发射火星探测器的发射任务，发射场可采用西昌或者新建的海南发射场。我国预计将在２０１１年左右建成满足火星探测要求的地面测控站．测控站同时可满足地面应用系统的要求。探测器系统在目前萤火１号的基础上渐进发展，一箭“双星／三星”，一颗绕火星轨道，一颗／两颗落火星，南极与北极各一颗。２０３０年到２０３５年间向火星发射一艘载人飞船，实现欧洲航天员登上红色星球的梦想，寻找生命的迹象。法国也计划发射“火星登陆器网络”。印度准备在２０１２年至２０１３年之间发射火星探测器，向火星发射一个约５００公斤重的无人探测器。配备功能强大的高分辨率远程传感解析装置．以收集火星大气数据，对其化学成分进行分析。以及对火星的地表和地下结构进行观测分析．寻找火星上的生命痕迹。加拿大曾在２００４年１月表示今后ｌＯ年内登陆月球、探测火星。加拿大将与世界各地的航天局进行联系，包括欧洲、日本和印度。他们都是可能的合作伙伴。虽然加拿大没有火箭或发射台。但它可以付费给其他国家发射自己的火星探测器。探测器必须完全由加拿大研发。我们期待着２０１０年底能够看到中国的萤火１号传回来的火星图片和科学探测数据。火星探测将是继地球卫星、返回式卫星、月球探测之后我国航天领域第４个里程碑，未来走出太阳系的探测可能是第５个里程碑。我国还需要进一步改造和建设深空地面站。建设大口径地面站系统。优化我国的深空测控网：提高自主发射火星探测器的能力。发展大运载（甚至电推进、核推进）技术。就探测器本身而言。先进有效载荷技术、热控技术、自主智能控制技术、深空防护技术等关键技术还需不断突破。同时，我国还应积极参与国际合作项目。吸收国外先进火星探测技术经验。（本文相关研究项目受国家国防科工局火星工程、科技部“８６３计划”项目２００８ＡＡｌ２Ａ２０７以及”上海市科委“优秀学科俄罗斯“福布斯一格伦特”探测器组成示意图开状态构型图火星探测的设想与展望目前的火星探测主要是对火星进行深入的研究．火星上到底存储了多少水？火星是否曾经存在生命？火星是否适合人类生活？将是世界各航天国家未来３０年内的探测重点，许多国家都制定了新一轮的火星研究计划。美国总统曾于２００４年１月宣布了探索太空的新计划，计划在２０３０后实现载人登陆火星，将人类的足迹踏上太阳系的更远处。为了实现这一计划，美国火星探测采取的基本途径是从飞越、绕飞到着陆、返回和最终实现人类登陆火星。现阶段美国火星探测的主要战略目标是：在火星上追寻水的踪迹，评估火星上的可居住条件，实施火星样品返回地球的详细分析，准备登陆火星。美国航天局的官员曾表示：“如果科学家在火星上找到了水，在未来２０年至３０年内，人类就将能登上火星。”目前，勇气号和机遇号已发现了火星上曾经存在有水的证据，预计在２０３９年前后人类将登上火星。但这也比１９６９年人类第一次登上月球整整晚了７０年．正是登月容易登火难啊！在美国的影响下，欧空局、日本、意大利、加拿大等国家也开始实施和参与火星探测计划，标志着新一轮火星探测热潮的到来。都希望在深空探测领域占得先机。２００３年。欧洲推出“极光计划”。极光计划时间跨度为３０年：２００７年研制成功具有高速载人技术的飞船；计划２００９年向火星发送“漫游者”探测器。欧空局还于２００４年２月正式宣布了其雄心勃勃的“曙光”超大规模星际探索计划。这一计划的目标是：力争在带头人计划”项目０９ＸＤｌ４２２９００的资助。）关键词：火星探测萤火１号轨道设计测控通信自主控制口ｉ科学；１９ｗｗｗ．ｋｅｘｕｅｍａｇ．ｇｏｒｅ万方数据９１５年创刊ＳＩＮＣＥ１９１５鹞茴ｑ｛萤算轰唇渤ｖ：锈＠１。鳓ｈＲ蛔，莓§礤然霞联火星探测技术的发展纪念达尔文专题万方数据簟涮水：哆姜国２００７年８月４目发射的凤凰号美国的奥德赛号发现火星表层下１米深处有混在±中的冰万方数据ｃＮ３１—１３８５，Ｎ报刊代号４—４５１国外代号８Ｍ１１部定价６５０元火星探测技术的发展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：
陈昌亚， Chen Changya上海卫星工程研究所,200240科学（上海）SCIENCE2009，61(5)0次
1.期刊论文 平劲松.尚堃.张素君.简念川.王明远.鄢建国.孙靖.史弦.黄倩.戴春丽.韩婷婷.冯礼和.严豪健.王广利.PING Jin-Song.SHANG Kun.ZHANG Su-Jun.JIAN Nian-Chuan.WANG Ming-Yuan.YAN Jian-Guo.SUN Jing.SHI Xian.HUANG Qian.DAI Chun-Li.HAN Ting-Ting.FUNG Li-he.YAN Hao-Jian.WANG Guang-Li 用于\"萤火1号\"火星轨道器的开环电测技术 -物理2009,38(11)
中国首个火星探测器\"萤火1号\"计划于2011年和俄罗斯的火卫一采样探测器一道发射升空.\"萤火1号\"将探测火星的空间环境,并验证深空导航测控与通信技术.与常规的火星探测任务不同,该探测器的轨道与位置测量主要利用天文甚长基线干涉测量技术、开环跟踪测量技术、差分单程测距测速技术、同波束干涉测量技术以及单程多普勒(Doppler)测速技术.
2.期刊论文 鄢建国.平劲松.YAN Jian-Guo.PING Jin-Song 火星重力场研究现状及发展趋势 -物理2009,38(10)
针对近年来月球与火星探测成为各航天大国的热点,以及中国首个火星探测计划\"萤火1号\"拟定的科学研究目标,文章对火星重力场模犁的历史、现状及展望做了简要描述.文中首先探讨了火星探测的多重意义和火星重力场在火星探测中起到的重要作用;接着介绍了火星重力场模型发展的历史和现状;最后介绍了利用中国\"萤火1号\"轨道跟踪数据对火星重力场模型的可能贡献,在此基础上对中国未来火星重力场探测提出了设想.
3.期刊论文 王劲东.赵华.周斌.陈斯文.廖怀哲.朱光武.王赤.张鑫.李磊.孙越强.冯永勇.周敬萱.陶然.WANG Jin-Dong.ZHAO Hua.ZHOU Bin.CHEN Si-Wen.LIAO Huai-Zhe.ZHU Guang-Wu.WANG Chi.ZHANG Xin.LI Lei.SUN Yue-Qiang.FENG Yong-Yong.ZHOU Jing-Xuan.TAO Ran 火星空间环境磁场探测研究——\"萤火1号\"磁强计的研制与应用 -物理2009,38(11)
文章介绍了\"萤火1号\"卫星对火星空问环境磁场进行探测的目的、意义及采用的方式方法.研究火星的空间环境离不开火星磁场,它对于火星弓激波、磁鞘、电离层、大气等绝大多数空间环境效应都有着深刻的影响,因此\"萤火1号\"卫星安装了一台重要的科学探测载荷--高精度磁强计,以满足科学研究和应用目标的需求.磁强计从原理选择到具体没计,都考虑到了火星轨道严酷的工作环境和科学目标所需的测量要求.通过\"萤火1号\"装星前的地面标定测试实验,验证了高精度磁强计可以在-140-75℃温度范围内测量±256nT以内的磁场,分辨率达到了0.01nT,带宽内总噪声小于0.03nT,能够胜任\"萤火1号\"对火星空间环境探测的科学任务.\"萤火1号\"火星探测器将于2011年与俄罗斯的\"福布斯-土壤\"一同飞往火星,这是人类送往火星最精密的磁场探测器之一,将对火星空间环境磁场结构和动力学过程进行精密而详细的探测.
4.期刊论文 杜起飞.孙越强.陶鹏.白伟华.赵华.胡雄.吴小成.李伟.DU Qi-Fei.SUN Yue-Qiang.TAO Peng.BAI Wei-Hua.ZHAO Hua.HU Xiong.WU Xiao-Cheng.LI Wei 用于火星电离层探测的星-星无线电掩星技术 -物理2009,38(10)
火星和地球类似,周围束缚了不同密度的电离层.利用无线电掩星技术可以对火星电离层进行观测.星-地无线电掩星在探测精度和探测区域方面都受到一定的限制.中俄联合火星探测计划将于2011年10月一箭双星发射俄罗斯的Phobos-Grunt探测器和中国的萤火1号火星探测器.该计划将开展国际上首次火星电离层的星-星无线电掩星观测试验,重点是对星-地无线电掩星无法观测的正午和子夜区域的火星电离层进行探测.星-星无线电掩星观测试验采用双频工作模式,接收机灵敏度为-145dBm,相位测量精度优于5%周.在地面对接收机进行了动态模拟测试,测试得到的相位数据能很好地反演出火星电离层电子密度廓线.
5.期刊论文 张素君.平劲松.洪振杰.韩婷婷.毛晓飞.Zhang Su-Jun.Ping Jin-Song.Hong Zhen-Jie.Han Ting-Ting.Mao Xiao-Fei 星-地无线电掩星技术探测火星大气和电离层 -物理2009,38(10)
历史上几乎所有的行星探测任务都开展了无线电掩星实验,以探测行星的大气、电离层、行星环以及磁场,并取得了很多重要的科学成果.掩星发生时刻前后,测量航天器发出的信号穿过行星电离层和大气层时被遮掩而引起的信号频率、相位、幅度或极化等物理特性的变化,通过某种反演技术,可以得到大气的折射率廓线,推出中性大气的密度、温度、压强廓线以及电离层的电子浓度廓线.文章嗣绕中国\"萤火1号\"火星探测器(YH-1)火星探测计划中将要开展的星-地无线电掩星实验,介绍了该技术用于探测火星大气和电离层的相关情况.
6.期刊论文 刘庆会.史弦.王伟华.赵融冰.郝万宏.王震.余赟.叶楠.平劲松.钱志瀚.熊蔚明.王广利.郑为民.洪晓瑜.LIU Qing-Hui.SHI Xian.WANG Wei-Hua.ZHAO Rong-Bing.HAO Wan-Hong.WANG Zhen.YU Yun.YE Nan.PING Jin-Song.QIAN Zhi-Han.XIONG Wei-Ming.WANG Guang-Li.ZHENG Wei-Min.Hong Xiao-Yu 超高精度的甚长基线干涉相位时延推导法及其在我国的应用前景 -物理2009,38(10)
文章简要介绍了同波束甚长基线干涉(VLBI)观测法和相位时延推导法,报道了上海-乌鲁木齐基线的误差为0.0005m的差分相位时延的观测结果,介绍了\"萤火1号\"和\"福布斯\"探测器的同波束VLBI观测技术及正在研究的相位时延推定新方法,展望了超高精度的VLBI相位时延在中国深空探测中的应用前景.
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_kx200905004.aspx
下载时间：2010年6月6日