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亮相珠海航展的萤火一号火星探测器模型

航天科技集团重点推介了火星探测项目,

本次航展。带来了萤火一号火星探测器模型。萤火一号是项目先锋,率先拉开波涛壮阔的火星探测帷幕,进一步的火星探测工程正在论证,正在论证嫦娥月球金属探测器的基础上开发火星金属探测仪的可能性,并准备建造地面测控系统。

古代称火星为 “ 荧惑 ” 火星探测器取其谐音,命名为萤火一号。探测器将由俄罗斯天顶号运载火箭于明年秋天发射升空,搭乘俄罗斯福布斯-土壤火星探测仪( FGSC 一起奔赴火星。主要用于研究火星空间环境、电离层密度等,开展比较行星学研究,和为未来火星探测积累工程经验。

萤火一号重 110 公斤,长 75 厘米、宽 75 厘米,高 60 厘米,太阳能帆板展开长 6.85 米。携带 8 件探测设备,包括 2 台光学成像仪、 2 台磁强计、 2 台离子分析器,以及掩星接收机、电子分析器等。探测仪通过 VLBL 测轨,协同多普勒单向测速方式获取空间位置参数,确定探测器轨道。数传分系统直接对地球通信方式。高增益数传天线直径 0.95 米。探测器管理、运算和控制由综合电子及有效载荷数管计算机完成。探测器外部装置有效载荷传感器、姿态敏感器、推力器和接收天线、发射天线等部件。探测器采用星敏感器和惯性基准丈量姿态,四个反作用飞轮所组成的零动量控制方式实现对日、对地、对火星和对福布斯探测器定向,姿态控制是三轴稳定。太阳能帆板提供在轨长期运行 115W 电力,短期 200W 使氨气推进推力器。三结砷化镓太阳能电池,帆板总面积 4.674 平方米。锂离子蓄电池。 X 频段 CCSDS 规范测控数传。 CPU31750 型,板式结构。探测器主动热控为主,主动热控为辅。卫星寿命暂定 1 年,有望延长。火星公转一周 687 天,而地球只要 365 天,所以每两年火星才干靠近地球一次。火星最接近地球的时候约 3.6 亿公里,最远达 5.7 亿公里,最近时,无线电信号光速往返探测器和地球也要 40 分钟之久。就是说,地面发出一个指令,无线电经过 20 分钟才干到达探测器,探测器做出回应,又要经过二十分钟,地面才干知道指令被胜利接受和执行。所以,萤火一号具备高度自主控制能力和姿态自主确定能力。探测器从地球要火星,通常要飞行长达 11 个月之久,设备需要具备休眠唤醒能力。

萤火一号升空后,福布斯探测器探测器每两周给萤火一号供电一次,并将探测器信息发送给福布斯,福布斯将信息转发给地面,此期间,萤火一号程序开机、关机,地面不发送指令。福布斯将进入高度 800 80000 公里、倾角 0 5 度的近火星赤道大椭圆轨道,与萤火一号分道扬镳。两个月后,福布斯改为 9910 公里火星圆轨道,伺机放出登陆器登陆火星卫星火卫一。留在原轨道的萤火一号将面临长达 8.8 小时的长火影,一年中,探测器共需要经历 7 次长火影。此期间,探测器不能接收太阳光,完全依靠蓄电池提供电力,探测器必需关闭有效载荷以节约电力。探测器随着时间推移,温度不时降低,尤其是蓄电池,会因低温造成损害,导致充电困难,如果温度过低,甚至无法充电,俗称 “ 冻死 ” 如果出现这种情况,探测器就将宣布报废。根据计算,进入火影以前,因为接受长时间的太阳光照,探测器温度达到最高点;进入火影以后,温度急剧下降,最低温度呈现在帆板和帆板顶端的磁强计探头,临出火影前,温度降至最低点,约零下 180 度,探测器内局部温度约零下 60 度。出了长火影,有效载荷再次开机,所以探测器面临超低温适应和休眠唤醒两大技术难题。

为了将科学数据送回地球,需要保证天线对准地球;为了对火星拍照,需要将相机指向火星。所以探测器必需具备在多种定向模式中切换的能力,因地面控制耗时较长,探测器具备自主姿态确定和控制技术。受探测器体积和电力供应限制,下行发射机体积小、重量轻,发射功率 10 瓦左右,总功耗 71 瓦。磁强计高灵敏,装置在太阳能帆板顶端,要求探测器剩磁小于 0.5A 地面接收站天线口径须大约 60 米,中国尚没有建设,借用俄罗斯的测控站。采用 X 波段射频,降低接收系统噪音温度,信道编码,降低解调门限制,信源压缩等技术保证数据传输。

萤火一号虽然很小,探测器设计的技术含量和科学研究的价值一点都不小。探测器将探测火星弓激波和磁场,研究磁层形状和结构、个空间区域等离子体特性与分布,电离层密度剖面,正午和子夜电离层区域特性和背阳面电离层发生机制。研究火星离子逃逸物理过程、输送机制,火星外表水分子逃逸途径和机制,以及对空间环境和可能存在火星生命的影响等。研究太阳风和弱内禀磁场空间环境相互作用及比较行星学,完善对地球的空间物理认识。萤火一号还将和福布斯进行首次国际火星电离层掩星探测,萤火一号与福布斯连接直线穿越火星电离层的时候,萤火一号接收福布斯信标信号,丈量信号幅值和载波相位。地面对数据进行处置,获得火星电离层电子密度和总电子含量。

因为中国没有行星际深空探测经验,借此良机,展开各种科学探测与试验,如对无线电传输展开一系列研究。通过研究星 - 地和星 - 星链路之间高频无线电载波信号变化,对探测器精密定轨、精密丈量引力变化,研究引力天体质量和万有引力场数,反演引力天体重力场,研究天体动力学特性。通过掩星探测研究太阳风物理特,利用地频和微波雷达探测行星内部结构和电离层特性等研究。这些研究只需要共享探测器与测控资源即可,尤其是引力波探测,只有卡西尼 - 惠更斯土星探测器开展过,这个研究尝试验证爱因斯坦的引力理论,具有深远的科学意义。继萤火一号以后,国还将择机开展其他火星探测项目,目前正在对火星探测展开全面的研究,以便提出具体的探测计划。欧阳自远在 10 月 21 日举行的空间技术论坛提出了火星探测的科学目标,分成四大目标。

第一类目标是火星地形地貌研究,包括火星全球光学成像,争取分辨率 10 米。进行地形测绘,重点地区详查,为登陆做准备。研究地表变化和主要地质营力,地质构造和地形地貌特征。

第二类目标是矿物岩石分布调查和资源分析。进行大尺度矿物分布调查,岩石分布调查,堆积岩分布调查,矿物鉴别和区域调查。

第三类目标是水调查。包括火星外表水体、水冰和大气水分子探测,大气水分子分布及变化,可能有水区高精度成像调查等。

第四类目标是火星物理和大气层探测。研究火星大气层结构、化学成分和水含量,研究火星天气系统,丈量大气与地表温度,丈量火星磁场、重力场、电离层等。

中国的火星探测将跟随月球探测多期工程结合展开,如建设深空探测测控站等。现在已经能展望火星探测的美好未来,祝愿火星深空探测项目能够早日展开,祝福萤火一号顺利展开科学研究。

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