01 引言
|
01 引言
火星是太阳系中和地球最相似的天体之一，也是曾经最可能宜居的地外天体，为地球生命的产生和宜居环境的形成提供了重要参照。从1960年至今，全球共开展过48次火星探测任务，成功率约为57％。其中，火星着陆任务风险更高、难度更大，迄今23次着陆任务中只有11次成功。 2021年，中国、美国、阿联酋齐聚火星，创造了火星探测历史的里程碑。2020年7月23日成功发射的首次火星探测“天问一号”已迈出我国独立开展行星探测的第一步，通过一次发射实现对火星的“绕、着、巡”，已于2021年5月成功实施了火星表面软着陆并开展了巡视探测。 21世纪以来，多个国家提出了载人火星探测计划，意欲将人类的活动疆域扩展至火星。其中美国的载人火星探测计划，将首先执行机器人先驱任务，并完成火星采样返回，继而结合月球或载人小行星探测任务，完成载人火星探测技术的试验验证，最后完成载人火星探测任务。  在火星探测任务中，探测器推进系统发挥着至关重要的作用。推进系统为探测器提供轨道转移、轨道捕获、交会对接控制、着陆制动减速、悬停控制、姿态控制以及火星表面起飞等所需的冲量，是探测器的重要组成部分。本文对国外典型火星探测器推进系统发展现状进行了调研分析，同时探讨了对我国深空探测推进技术发展的启示。 02国外典型火星探测器
2.1毅力号（Perseverance）探测器 美国于东部时间2020年7月30日，由“宇宙神-V”火箭执行“火星2020”发射任务。本次任务携带的火星车名为毅力号（Perseverance），与“好奇号”同属美国第三代火星车。毅力号探测器于北京时间2021年2月19日凌晨4点55分左右在火星杰泽罗陨石坑内以“空中起重机”方式安全着陆。  “火星2020”巡航器使用专为轨道和姿态控制设计的单组元肼推进系统。八个4.5 N发动机安装在两个推进器组中，因此可成对工作的发动机对用于轴向和横向机动。“火星2020”任务的进入、下降及着陆（EDL）沿用了“好奇号”的三级减速（气动外形减速、降落伞、反推发动机）+空中起重机缓冲的着陆方式。下降级通过8个反推发动机减速，并将火星车安全送到地面。随后下降级自主飞离。  当然，“火星2020”也不是完全沿用“好奇号”的着陆技术，而是采用了一些新技术，可以达到更高的导航精度和更丰富的数据回传。 为此，“火星2020”任务小组采用“距离触发”技术让“毅力号”降落到尽量接近目标区域的位置。这项技术可以把椭圆形预定着陆区的尺寸减小50%以上，如果研究人员选定了一些价值很高、平地面积却很小的目标区，也能成功降落下去。  2.2 阿联酋希望号（Hope）火星探测器 希望号（Hope）火星探测器，是'阿联酋火星计划'（Emirates Mars Mission）的第一步，是阿联酋空间局于2020年发射的第一颗火星探测器。同时，希望号也是伊斯兰国家领导的第一个行星科学任务。  北京时间2020年7月20日凌晨5点58分，阿联酋首颗火星探测器希望号在日本种子岛航天中心发射场由一枚H-2A-202型运载火箭发射升空，于2021年2月9日进入火星环绕轨道。 可压力调节的单组元无水肼推进系统提供轨控推力、姿态控制力和力矩。希望号探测器使用800kg容量的贮箱，在飞行期间以大约 1.79 MPa的压力运行，并由一个27.58 MPa的氦气复合材料气瓶提供增压气体。六个安装在尾部的120N轨控发动机可产生678N的组合推力，而八个5N的RCS发动机可提供探测器姿态控制力和精确机动推力。探测器内的反作用轮允许它在穿越太空时重新定向，帮助它将天线指向地球或将科学仪器指向火星。该架构可容纳多种发动机尺寸和配置。  2.3火星上升飞行器（MAV） 2022年，NASA与洛马公司签订了一份预计将达到1.94亿美元的合同，用于建造一枚小型火箭——火星上升飞行器（Mars Ascent Vehicle，MAV），将毅力号火星车收集的样本运送到火星周围的轨道上。MAV采用固体主推进及液体单组元姿控方案，第一级和第二级固体火箭发动机由诺格公司提供，将成为第一枚从外星球发射的火箭。  作为火星样品返回（MSR）任务的一部分，NASA的样本取回着陆器（Sample Retrieval Lander）将携带MAV在Jezero陨石坑着陆，样本取回着陆器的机械臂将毅力号保存的火星样本装入MAV的样本返回舱中。着陆器将作为MAV的发射平台。确保样本容器安全后，MAV将启动发射。发射时，火箭将首先通过弹簧升空到一定高度，固体火箭第一级点火，将MAV推升到火星轨道。进入轨道后，二级发动机点火，并释放火星样品容器。装有火星样本的容器被地球返回轨道器航天器捕获。该航天器将在21世纪30年代初至中期将样品带到地球。  实际上，在MAV的设计过程中并行进行了多种设计，分别是固体推进系统、固液混合推进系统以及液体推进系统，最终由于技术成熟度的原因NASA选择了固体推进方案。基于固液混合式推进系统的MAV设计如下图所示。  混合方案MAV由单级混合发动机提供入轨动力，使用液体MON-25氧化剂和固体石蜡基SP7A 燃料。发动机燃烧速率取决于氧化剂流量，氧化剂的剪切力在燃料中造成不稳定性，充当燃料喷射系统并增加传统混合燃料的燃烧速率。推进系统本身由液体氧化剂贮箱、固体混合式发动机、氦气增压/RCS（反应控制系统）贮箱和发动机组成。 固体方案相比于固液混合方案起飞质量更小，对工作温度限制不敏感，系统整体复杂度相对较低，但其需要考虑经历器间分离、弹伞、抛大底、抛背罩以及着陆等冲击环境以及火星表面低温宽温域交变环境贮存后固体推进剂结构完整性、隔热层脱粘等问题，同时固体发动机只能耗尽关机，入轨精度低且只能进入椭圆轨道，给两器火星轨道交会和样品转移带来了极大困难。固液混合单级入轨方案虽然有发动机开关灵活、入轨精度高和主推进-姿控一体化等优势，但其对工作温度要求苛刻、系统复杂度高，研发周期长且技术成熟度尚低，限制了其优势的发挥。 而液体推进方案具有系统适应性好、启停灵敏、有广泛的低温和深空使用经验的优点，但其重量更重。NASA的液体推进方案主要分为两类：常规挤压式和电动增压式（EDPF）双组元推进系统。推进剂选用MON-25(或MON-30)/MMH。在NASA内部的设计评测中电动增压式（EDPF）双组元推进系统因其在性能、质量和预包装方面的综合优势，排名更高。双组元推进系统拟采用一台3560N主发动机，RCS系统包括4台22N发动机及4台5N发动机。但最终因为电动增压式推进系统的技术成熟度较低，未能入选。  2.4样本返回轨道器（ERO） 样本返回轨道器（Earth Return Orbiter, ERO）是MSR项目的一个关键组成部分，负责将MAV送至LMO的轨道样本容器（OS）捕获并封存，随后脱离火星轨道并将样本返回地球。ERO将由ESA负责项目管理，空客宇航负责研制，并搭载由GSFC、LaRC和JPL研制的样本抓取、封存和返回分系统（CCRS）。 由于ERO完成既定目标需要的ΔV不亚于载人登陆火星并返回，对推进系统要求极高，因此ERO拟采用离子发动机与化学发动机相结合的组合推进方式，并安装大功率太阳能电池阵为离子发动机提供电力，这将为ERO提供多种推进模式以满足任务需求。在进入火星轨道、进行快速变轨时使用大推力化学发动机，在进行OS捕获时使用小推力化学发动机，在进行地火转移、火星逃逸和火地转移时使用离子发动机持续提供动力，这要求ERO在距离太阳1 AU时应具备不小于40 kW的供电能力，且具有良好的帆板对日定向能力，同时预估的离子发动机平均推力为200 mN。 2.5载人火星探测任务 随着火星探测技术的不断发展和探测任务的不断推进，载人火星探测在未来将会成为火星探测的重要手段。从20世纪末开始，美国不断地提出关于载人火星探测的计划和方案，目前NASA主要以设计参考架构5.0（DRA5.0）以及火星演化行动（EMC）计划为基础，推进深空门户计划（DSG）的开展。DSG计划分多次将货运飞船及载人飞船运送到深空运输平台（DST）；随后进行地火轨道转移，约390天后到达火星高轨道；之后着陆器与DST分离，进行EDL过程，DST继续运行在火星高轨道；约300天后宇航员搭乘上升器与DST交会对接，随后返回地球高轨道。 基于火星资源原位利用的优势，上述计划中火星着陆器及上升器拟采用液氧/甲烷一体化推进系统，其中着陆器采用8台100 kN变推力发动机，比冲大于360s。上升器分别采用3台及1台相同的发动机用于一级上升及二级入轨，同时上升器的RCS系统也采用12台4450 N以及12台445 N小推力液氧/甲烷发动机。 上升器推进剂贮存在4个铝合金贮箱中，贮箱压力保持在0.35 MPa。由于液氧与液态甲烷的贮存温度相近，因此可以考虑使用共底贮箱进行推进剂贮存，这样既降低了上升器的重心，也方便了上升器与着陆器的结构优化。上升器一级发动机用的贮箱外径为2.65 m，高度为4 m；二级发动机用的贮箱外径为2 m，高度为2.9 m。 03结论
纵观国外火星探测器推进系统发展情况，随着火星探测任务由环绕/着陆探测向采样返回及载人探火发展，探测器推进系统总体上呈现可靠性更高、性能更高、轻质化程度更高以及类型更加多样化的特点。可以对我国深空探测推进技术的发展和应用提供参考，具体如下： 01 火星探测器仍以化学推进系统为主。近期，美国火星探测器着陆器推进系统以单组元肼推进系统为主，美国为火星着陆任务研制了2款单组元变推力发动机及多款姿控发动机。 02 针对火星样返回任务，美国未来的火星上升飞行器基于技术成熟度考虑，可能采用两级固体推进系统+单组元液体姿控推进系统，而样本返回轨道器可能采用离子推进系统与化学推进系统相结合的组合推进方式。 03 新一代载人探测器推进系统将仍以化学推进为主，并朝无毒高性能推进技术发展。美国正在研制比冲性能更高且具有火星资源原位利用前景的液氧/甲烷推进系统，计划用于载人登陆火星任务。
|
|
|
来自： 小飞侠cawdbof0 > 《太空》
