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亮相珠海航展的螢火一號火星探測器模型

航天科技集團重點推介了火星探測項目,

本次航展。帶來了螢火一號火星探測器模型。螢火一號是項目先鋒,率先拉開波濤壯闊的火星探測帷幕,進一步的火星探測工程正在論證,正在論證嫦娥月球金屬探測器的基礎上開發火星金屬探測儀的可能性,并準備建造地面測控系統。

古代稱火星為 “ 熒惑 ” 火星探測器取其諧音,命名為螢火一號。探測器將由俄羅斯天頂號運載火箭于明年秋天發射升空,搭乘俄羅斯福布斯-土壤火星探測儀( FGSC 一起奔赴火星。主要用于研究火星空間環境、電離層密度等,開展比較行星學研究,和為未來火星探測積累工程經驗。

螢火一號重 110 公斤,長 75 厘米、寬 75 厘米,高 60 厘米,太陽能帆板展開長 6.85 米。攜帶 8 件探測設備,包括 2 臺光學成像儀、 2 臺磁強計、 2 臺離子分析器,以及掩星接收機、電子分析器等。探測儀通過 VLBL 測軌,協同多普勒單向測速方式獲取空間位置參數,確定探測器軌道。數傳分系統直接對地球通信方式。高增益數傳天線直徑 0.95 米。探測器管理、運算和控制由綜合電子及有效載荷數管計算機完成。探測器外部裝置有效載荷傳感器、姿態敏感器、推力器和接收天線、發射天線等部件。探測器采用星敏感器和慣性基準丈量姿態,四個反作用飛輪所組成的零動量控制方式實現對日、對地、對火星和對福布斯探測器定向,姿態控制是三軸穩定。太陽能帆板提供在軌長期運行 115W 電力,短期 200W 使氨氣推進推力器。三結砷化鎵太陽能電池,帆板總面積 4.674 平方米。鋰離子蓄電池。 X 頻段 CCSDS 規范測控數傳。 CPU31750 型,板式結構。探測器主動熱控為主,主動熱控為輔。衛星壽命暫定 1 年,有望延長。火星公轉一周 687 天,而地球只要 365 天,所以每兩年火星才干靠近地球一次。火星最接近地球的時候約 3.6 億公里,最遠達 5.7 億公里,最近時,無線電信號光速往返探測器和地球也要 40 分鐘之久。就是說,地面發出一個指令,無線電經過 20 分鐘才干到達探測器,探測器做出回應,又要經過二十分鐘,地面才干知道指令被勝利接受和執行。所以,螢火一號具備高度自主控制能力和姿態自主確定能力。探測器從地球要火星,通常要飛行長達 11 個月之久,設備需要具備休眠喚醒能力。

螢火一號升空后,福布斯探測器探測器每兩周給螢火一號供電一次,并將探測器信息發送給福布斯,福布斯將信息轉發給地面,此期間,螢火一號程序開機、關機,地面不發送指令。福布斯將進入高度 800 80000 公里、傾角 0 5 度的近火星赤道大橢圓軌道,與螢火一號分道揚鑣。兩個月后,福布斯改為 9910 公里火星圓軌道,伺機放出登陸器登陸火星衛星火衛一。留在原軌道的螢火一號將面臨長達 8.8 小時的長火影,一年中,探測器共需要經歷 7 次長火影。此期間,探測器不能接收太陽光,完全依靠蓄電池提供電力,探測器必需關閉有效載荷以節約電力。探測器隨著時間推移,溫度不時降低,尤其是蓄電池,會因低溫造成損害,導致充電困難,如果溫度過低,甚至無法充電,俗稱 “ 凍死 ” 如果出現這種情況,探測器就將宣布報廢。根據計算,進入火影以前,因為接受長時間的太陽光照,探測器溫度達到最高點;進入火影以后,溫度急劇下降,最低溫度呈現在帆板和帆板頂端的磁強計探頭,臨出火影前,溫度降至最低點,約零下 180 度,探測器內局部溫度約零下 60 度。出了長火影,有效載荷再次開機,所以探測器面臨超低溫適應和休眠喚醒兩大技術難題。

為了將科學數據送回地球,需要保證天線對準地球;為了對火星拍照,需要將相機指向火星。所以探測器必需具備在多種定向模式中切換的能力,因地面控制耗時較長,探測器具備自主姿態確定和控制技術。受探測器體積和電力供應限制,下行發射機體積小、重量輕,發射功率 10 瓦左右,總功耗 71 瓦。磁強計高靈敏,裝置在太陽能帆板頂端,要求探測器剩磁小于 0.5A 地面接收站天線口徑須大約 60 米,中國尚沒有建設,借用俄羅斯的測控站。采用 X 波段射頻,降低接收系統噪音溫度,信道編碼,降低解調門限制,信源壓縮等技術保證數據傳輸。

螢火一號雖然很小,探測器設計的技術含量和科學研究的價值一點都不小。探測器將探測火星弓激波和磁場,研究磁層形狀和結構、個空間區域等離子體特性與分布,電離層密度剖面,正午和子夜電離層區域特性和背陽面電離層發生機制。研究火星離子逃逸物理過程、輸送機制,火星外表水分子逃逸途徑和機制,以及對空間環境和可能存在火星生命的影響等。研究太陽風和弱內稟磁場空間環境相互作用及比較行星學,完善對地球的空間物理認識。螢火一號還將和福布斯進行首次國際火星電離層掩星探測,螢火一號與福布斯連接直線穿越火星電離層的時候,螢火一號接收福布斯信標信號,丈量信號幅值和載波相位。地面對數據進行處置,獲得火星電離層電子密度和總電子含量。

因為中國沒有行星際深空探測經驗,借此良機,展開各種科學探測與試驗,如對無線電傳輸展開一系列研究。通過研究星 - 地和星 - 星鏈路之間高頻無線電載波信號變化,對探測器精密定軌、精密丈量引力變化,研究引力天體質量和萬有引力場數,反演引力天體重力場,研究天體動力學特性。通過掩星探測研究太陽風物理特,利用地頻和微波雷達探測行星內部結構和電離層特性等研究。這些研究只需要共享探測器與測控資源即可,尤其是引力波探測,只有卡西尼 - 惠更斯土星探測器開展過,這個研究嘗試驗證愛因斯坦的引力理論,具有深遠的科學意義。繼螢火一號以后,國還將擇機開展其他火星探測項目,目前正在對火星探測展開全面的研究,以便提出具體的探測計劃。歐陽自遠在 10 月 21 日舉行的空間技術論壇提出了火星探測的科學目標,分成四大目標。

第一類目標是火星地形地貌研究,包括火星全球光學成像,爭取分辨率 10 米。進行地形測繪,重點地區詳查,為登陸做準備。研究地表變化和主要地質營力,地質構造和地形地貌特征。

第二類目標是礦物巖石分布調查和資源分析。進行大尺度礦物分布調查,巖石分布調查,堆積巖分布調查,礦物鑒別和區域調查。

第三類目標是水調查。包括火星外表水體、水冰和大氣水分子探測,大氣水分子分布及變化,可能有水區高精度成像調查等。

第四類目標是火星物理和大氣層探測。研究火星大氣層結構、化學成分和水含量,研究火星天氣系統,丈量大氣與地表溫度,丈量火星磁場、重力場、電離層等。

中國的火星探測將跟隨月球探測多期工程結合展開,如建設深空探測測控站等。現在已經能展望火星探測的美好未來,祝愿火星深空探測項目能夠早日展開,祝福螢火一號順利展開科學研究。

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