火星探测技术难点浅谈

火星探测技术难点浅谈一火星概况及探测历程火星是太阳系八大行星之一，按离太阳由近及远的次序排列为第四颗。这颗红色星球自古以来就深深地吸引着地球人，古罗马人曾把它作为农耕之神来供奉，而好侵略扩张的希腊人把其作为战争的象征，称之为战神Mars。我国古代则称其为“荧惑”，有“荧荧火光，离离乱惑”之意。因其亮度常有变化，而且在天空中运动，有时从西向东，有时又从东向西，情况复杂，令人迷惑。经过多年的观察研究，我们了解到这位“邻居”是太阳系由内往外数的第四颗行星，属于类地行星，直径为地球的一半，自转轴倾角、自转周期相近，公转一周则花两倍时间。橘红色外表是因为地表的赤铁矿（氧化铁）。火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布，没有稳定的液态水体。二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。火星两极皆有水冰与干冰组成的极冠，会随着季节消长。图1火星外表火星与地球有许多相似之处。例如地球上的一天是23小时56分，火星是24小时37分，有几乎相同的昼夜；地球的轨道面和赤道面的夹角是23度27分，火星是25度11分，它们有几乎相同的季节变化。这些相似性都表明，火星是人类向太空移民的最好候选者。因此，各国都加紧开展探索火星计划，迫不及待要造访这位近邻。1960年10月10日，苏联向火星发射了第一枚探测器。此后各国共计发射40多颗火星探测器，但是由于火星探测的诸多难点，约三分之二的探测器，特别是早期发射的探测器，都没有能够成功完成它们的使命，由此，火星被航天界称为“航天器的墓地”。二火星探测的难点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-200℃左右。而火星探测卫星将会面临-1000℃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。火星探测不同于地球卫星如月球的探测。运载能力与轨道设计、测控数据传输、探测器设备环境适应性等技术，都是火星探测过程中可能会遇到的难点。1.运载工具及轨道设计首先，火星探测器发射时需要准备长距离、长寿命的运载工具，运载器需具备适应长距离、复杂空间环境下正常工作的能力；其次，探测器运行轨道设计复杂，以中俄联合火星探测为例，运载火箭将探测器运送至驻留圆轨道，之后探测器在驻留轨道运行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，可见探测器奔火时轨道设计及修正过程复杂。2.探测器整体的设备和能源设计火星地理和自然环境恶劣，充斥着宇宙高能射线。众所周知，火星是一个布满着沙丘和石块的星球，探测器有很大的几率陷入到了沙丘中（勇气号就是轮子间接陷入到了沙丘中导致其无法再走动）无法动弹。火星上大气稀薄，所以无法保留火星地表接收到的太阳辐射的温度，造成火星表面巨大的昼夜温差，因此暴露在火星自然环境下工作的电子元件需要有极高的耐温特性。同时稀薄的大气和较弱的磁场无法抵挡来自宇宙和太阳本身的高能射线，所以对火星探测器电子设备的抗辐射和高能辐射的屏蔽提出了很高的要求，甚至部分核心设备设计成可以在高辐射的环境下都能正常工作的苛刻要求。3.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。4.自主控制由于火星与地球之间距离甚远。火星探测器接收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。四结语虽然火星探测困难重重，但是随着运载技术、大型地面测控站的建立以及对火星了解程度的增加，人类有望通过努力，更多的了解火星，甚至将火星改造成一个拥有蔚蓝色天空、绿色平原、蓝色湖泊和生态环境友好的新世界。