火星探測技術(shù)難點淺談

1、火星探測技術(shù)難點淺談一火星概況及探測歷程火星是太陽系八大行星之一，按離太陽由近及遠(yuǎn)的次序排列為第四顆。這顆紅色星球自古以來就深深地吸引著地球人，古羅馬人曾把它作為農(nóng)耕之神來供奉，而好侵略擴(kuò)張的希臘人把其作為戰(zhàn)爭的象征，稱之為戰(zhàn)神Mars。我國古代則稱其為“熒惑”，有“熒熒火光，離離亂惑”之意。因其亮度常有變化，而且在天空中運動，有時從西向東，有時又從東向西，情況復(fù)雜，令人迷惑。經(jīng)過多年的觀察研究，我們了解到這位“鄰居”是太陽系由內(nèi)往外數(shù)的第四顆行星，屬于類地行星，直徑為地球的一半，自轉(zhuǎn)軸傾角、自轉(zhuǎn)周期相近，公轉(zhuǎn)一周則花兩倍時間。橘紅色外表是因為地表的赤鐵礦（氧化鐵）?；鹦腔旧鲜巧衬行?，地表

2、沙丘、礫石遍布，沒有穩(wěn)定的液態(tài)水體。二氧化碳為主的大氣既稀薄又寒冷，沙塵懸浮其中，每年常有塵暴發(fā)生?；鹦莾蓸O皆有水冰與干冰組成的極冠，會隨著季節(jié)消長。圖1火星外表火星與地球有許多相似之處。例如地球上的一天是23小時56分，火星是24小時37分，有幾乎相同的晝夜；地球的軌道面和赤道面的夾角是23度27分，火星是25度11分，它們有幾乎相同的季節(jié)變化。這些相似性都表明，火星是人類向太空移民的最好候選者。因此，各國都加緊開展探索火星計劃，迫不及待要造訪這位近鄰。1960年10月10日，蘇聯(lián)向火星發(fā)射了第一枚探測器。此后各國共計發(fā)射40多顆火星探測器，但是由于火星探測的諸多難點，約三分之二的探測器，特

3、別是早期發(fā)射的探測器，都沒有能夠成功完成它們的使命，由此，火星被航天界稱為“航天器的墓地”。二火星探測的難點雖然火星是離地球最近的一顆外行星.在太陽系中其自然環(huán)境最接近地球，并被認(rèn)為是最適合人類移民的星球，但實際上對“適宜居住”來說，火星的環(huán)境非常惡劣。與地球衛(wèi)星相比.火星探測衛(wèi)星所面臨的宇宙空間環(huán)境要惡劣的多。地球衛(wèi)星外部最低溫度在-200C左右。而火星探測衛(wèi)星將會面臨-1000C左右的低溫，據(jù)有關(guān)資料顯示火星地面平均溫度大約比地球低30Co晝夜溫差可達(dá)上百攝氏度?；鹦谴髿庀”?因此晝夜溫差極大。瞬時溫度會驟變。大氣空間溫差變化大，亂流極度強(qiáng)勁?；鹦谴髿庵猩硥m暴盛行，且沒有規(guī)律可循，有時一年

4、風(fēng)平浪靜，有時一年持續(xù)幾個月，塵暴高度可達(dá)8公里，遮天蔽日?；鹦潜砻娴挠钪孑椛鋸?qiáng)度也比地球高上百倍，不僅有太陽宇宙射線輻射.還有銀河宇宙射線輻射。行星際空間沒有地磁場和行星本體屏蔽.而由銀河宇宙射線和太陽質(zhì)子事件產(chǎn)生的輻射環(huán)境及效應(yīng)比地球軌道衛(wèi)星嚴(yán)酷得多，這些對許多儀器設(shè)備都是嚴(yán)峻的考驗，因此登陸火星非常艱難。火星探測不同于地球衛(wèi)星如月球的探測。運載能力與軌道設(shè)計、測控數(shù)據(jù)傳輸、探測器設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性等技術(shù)，都是火星探測過程中可能會遇到的難點。1 .運載工具及軌道設(shè)計首先，火星探測器發(fā)射時需要準(zhǔn)備長距離、長壽命的運載工具，運載器需具備適應(yīng)長距離、復(fù)雜空間環(huán)境下正常工作的能力；其次，探測器運行軌道

5、設(shè)計復(fù)雜，以中俄聯(lián)合火星探測為例，運載火箭將探測器運送至駐留圓軌道，之后探測器在駐留軌道運行2圈多后，即大約從發(fā)射時刻起174分鐘后，推進(jìn)上面級發(fā)動機(jī)點火工作一次，探測器轉(zhuǎn)移至遠(yuǎn)地點6000公里、軌道周期2.6小時的過渡軌道上。在過渡軌道上飛行一圈，大約在從發(fā)射時刻起5.5小時后，第二次啟動推進(jìn)上面級發(fā)動機(jī)。探測器進(jìn)入飛離地球的雙曲軌道，該軌道在脫離地球影響區(qū)（100萬公里、3.3晝夜飛行）變化為地球一火星星際軌道。探測器在轉(zhuǎn)移飛行過程中完成3次軌道修正。第一次軌道修正在飛行510晝夜后。第二次軌道修正在軌道中段完成.第三次軌道修正在飛抵火星42周前進(jìn)行。在軌道修正后探測器沿雙曲軌道飛抵火星，

6、可見探測器奔火時軌道設(shè)計及修正過程復(fù)雜。2 .探測器整體的設(shè)備和能源設(shè)計火星地理和自然環(huán)境惡劣，充斥著宇宙高能射線。眾所周知，火星是一個布滿著沙丘和石塊的星球，探測器有很大的幾率陷入到了沙丘中（勇氣號就是輪子間接陷入到了沙丘中導(dǎo)致其無法再走動）無法動彈?；鹦巧洗髿庀”?，所以無法保留火星地表接收到的太陽輻射的溫度，造成火星表面巨大的晝夜溫差，因此暴露在火星自然環(huán)境下工作的電子元件需要有極高的耐溫特性。同時稀薄的大氣和較弱的磁場無法抵擋來自宇宙和太陽本身的高能射線，所以對火星探測器電子設(shè)備的抗輻射和高能輻射的屏蔽提出了很高的要求，甚至部分核心設(shè)備設(shè)計成可以在高輻射的環(huán)境下都能正常工作的苛刻要求。3

7、 .測控通信人造地球衛(wèi)星離地球的距離一般從幾百公里到幾萬公里左右。月球離地球約為38.4萬公里，而火星離地球最近約5600萬公里。最遠(yuǎn)處約4億公里，衛(wèi)星的測控數(shù)據(jù)傳輸要克服信號衰減和傳輸時延等困難.實現(xiàn)深空環(huán)境下的有效通信，數(shù)據(jù)傳輸單程約22分鐘，來回約44分鐘。為了克服巨大的信號衰減，不僅依靠提高星載設(shè)備的性能，更迫切需要地面站設(shè)備的配合，要求地面深空站能夠在X波段工作，配備大口徑天線，并且具有發(fā)射上行大功率信號和接收下行微弱信號的能力。4 .自主控制由于火星與地球之間距離甚遠(yuǎn)?；鹦翘綔y器接收地面遙控指令時間較長，環(huán)繞火星運行時，地面測控站進(jìn)行遙控的主動控制能力遠(yuǎn)低于地球衛(wèi)星，因此對火星探測器星上自主能力的要求大大提高。以降低衛(wèi)星對地面系統(tǒng)的依賴性。美國在1997年發(fā)射的“卡西尼號”土星探測器，去土星飛行了6年多，全自主控制。無