我国首次自主火星探测任务中环绕器的研制与实践

火星探测是国际深空探测的重点和热点,2020年,中国、美国、阿联酋的火星探测器相继发射升空。我国的首颗自主火星探测器——"天问一号"由环绕器、着陆巡视器组成,将一步实现火星的"绕、着、巡"。其中,火星环绕器作为探测器的核心组成部分,承载着地火转移、制动捕获、离轨分离、中继通信以及环火科学探测等重要任务。本文简要回顾了我国火星环绕器的研制历程,介绍了环绕器的基本方案,分析了研制过程中的技术难点和关键技术攻关情况,指出了未来技术发展方向,提出了构建通用化环绕平台的构想,为后期的深空探测任务提供参考。     

轻质化高性能中室压推进系统助力天问一号实现首次火星探测任务

正天问一号首次火星探测任务通过一次发射实现火星环绕、着陆和巡视三项工作目标,开展火星全球性、综合性的环绕探测,以及在火星表面开展区域性的巡视探测。这是一次中国航天史上深空探测的重要里程碑。本次任务的火星探测器系统由环绕探测器和着陆巡视器组成。环绕探测器只在火星的轨道上飞行,相当于火星的卫星。着陆巡视器则真正进入到火星的大气层,并在火星表面着陆。中室压推进系统是着陆巡视器的动力减速装置(图1)。     

“长征”五号运载火箭成功发射“天问”一号火星探测器

正2020年7月23日12时41分,"长征"五号运载火箭在中国文昌航天发射场点火起飞。中国迈出行星探测的第一步——奔向火星。这是"长征"五号运载火箭首次执行应用性发射,成功将"天问"一号火星探测器送入预定轨道。"天问"一号火星探测器由着陆巡视器和环绕器组成,着陆巡视器包括进入舱和火星车。在地火转移轨道飞行约7个月后,"天问"一号探测器将到达火星附近,通过"刹车"完成火星捕获,进入环火轨道,并择机开展着陆、巡视等任务,进行火星科学探测。     

首次火星探测任务新闻发布会在京召开

正2021年6月11日,国家航天局举行了 "天问"一号探测器着陆火星首批科学影像图揭幕仪式,标志着"天问"一号一步实现"绕、着、巡"的目标圆满实现,我国首次火星探测任务取得圆满成功。2021年6月12日上午,国家航天局举行首次火星探测任务新闻发布会,国家航天局新闻发言人许洪亮介绍了工程相关情况,我国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥,探测器系统总设计师孙泽洲,地面应用系统总设计师刘建军,测控系统专家、北京航天飞行控制中心责任总师崔晓峰出席发布会并回答记者问题。     

“天问”一号火星探测器降落伞研制回顾

正2021年5月15日,我国第一个火星探测器"天问"一号终于踏上了着陆火星的征程,01时许,"天问"一号由停泊轨道转入火星进入轨道。3h后,环绕器与着陆巡视器分离,着陆巡视器独自奔赴火星。又3h后,着陆巡视器进入火星大气,开始气动减速。4min后,火星降落伞弹出,充气展开,开始伞系减速,又4min后,降落伞完成减速使命,与着陆平台分离,着陆平台进入动力减速阶段。1min后,着陆平台平稳着陆在火星表面。作为气动减速的主要装置,降落伞不辱使命,表现完美。"天问" 一号所用的降落伞由北京空间机电研究所研制。     

锂氟化碳电池对火星探测任务工况适应性研究

锂氟化碳电池在固体正极体系一次电池中拥有最高的理论比能量(约2180 W·h·kg-1),特别适合对载荷质量要求苛刻的深空探测任务.我国首个火星探测器"天问一号"在其着陆巡视器内部使用了一组锂氟化碳电池用于完成进入—下降—着陆段的供电任务.文章提炼锂氟化碳电池与深空探测应用密切相关的4项基本特性,根据火星探测任务的特点...     

天问一号环绕器中继轨道受摄共振特性分析

“天问一号”环绕器在环火中继轨道为“祝融”火星车提供中继服务时,星下点出现了过着陆点纬度时的经度先增大再减小的特殊漂移现象,需要对该现象产生的原因进行深入分析。基于摄动理论设计了一系列数值实验,提出了一种星下点过指定纬度时经度的简化计算方法;并结合对田谐项引力场位函数的解析推导发现,由于中继轨道周期与火星自转周期比接近1:3,导致3阶3次田谐项产生了轨道共振,从而使得半长轴长周期运动有着较为显著的振荡,进而与带谐项摄动联合导致了该特殊现象。研究揭示了“天问一号”环绕器的轨道共振现象,发现了高阶田谐项对非同步轨道上的环火卫星仍能产生较为明显的轨道共振现象。研究结果可为后续火星环绕探测任务轨道设计提供重要参考。     

火星环境对着陆探测任务的影响及设计考虑

火星着陆探测任务环节多、复杂度高、环境不确定性大,历史成功率低于50%。日前我国首次自主火星探测任务“天问一号”已取得圆满成功,在世界上首次一步实现“绕、落、巡”的火星探测。文章对火星着陆探测任务中考虑的火星环境要素及其量化条件的确定过程进行阐述,包括:探测器系统对环境条件的需求,基于此对火星空间环境、大气环境、表面环境各个要素的梳理分析,重点针对影响探测器进入、下降和着陆过程的环境条件进行量化,并确定偏差范围。实践证明以上设计为火星探测器着陆过程的控制和开伞等关键任务环节提供了重要的输入和约束,也为整个任务的圆满成功提供了有力保障。     

天问一号火星探测器产品保证工作实践

分析了火星探测器任务环境复杂、软件自主性高、验证任务重、材料选用控制难等特点,总结了天问一号火星探测器在狠抓风险识别与管控、聚焦软件系统设计源头,严格试验考核,以及严控材料选用及验证等方面采取的主要产品保证工作措施.上述措施有效保证了天问一号火星探测器的产品质量,可为后续火星探测器及其他行星际探测器研制过程的产品保证工作提供借鉴.     

基于萤火一号技术的自主火星探测器方案

提出了基于萤火一号（YH-1）火星探测器技术的自主火星探测器方案,可携带多种有效载荷在准太阳同步圆轨道上对火星进行科学探测。该方案具有可实现性强、成本低、研制周期短等特点,并能满足火星探测后续工程中的环绕器设计要求,利于我国火星探测的长远发展。利用长征三号乙运载火箭,在西昌卫星发射中心就可实现2013/2016年的我国自主火星探测。     

贺电

正首次火星探测任务指挥部并参加任务的全体同志:在迎来建党100周年之际,天问一号探测器着陆火星取得成功,我代表党中央、国务院和中央军委,向你们致以热烈的祝贺和诚挚的问候!天问一号探测器着陆火星,迈出了我国星际探测征程的重要一步,实现了从地月系到行星际的跨越,在火星上首次留下中国人的印迹,这是我国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展。你们勇于挑战、追求卓越,使我国在行星探测领域进入世界先进行列,祖国和人民将永远铭记你们的卓越功勋!     

火星探测器全任务期空间环境特征与防护要点

火星探测器任务期间依次经历近地环境、行星际环境和火星环境。文章分析了火星探测器从地球发射、地-火转移、火星环绕、直至着陆火星表面并进行巡视探测的任务全过程中的空间环境特征,并对比了火星探测器与地球卫星等面临的空间环境差异;结合火星探测器的任务特点,分析了探测器在不同任务阶段经历的电离总剂量、单粒子、内带电、太阳辐射、真空、火星大气与火星尘等空间环境剖面,提出了火星探测器的空间环境防护设计要点。     

火星环绕探测器电源系统设计分析

针对火星环绕探测任务特点,从空间环境,飞行程序、轨道与姿态,负载需求,电源系统选型,能源自主管理,轻小型化设计6个方面对电源系统设计进行了分析;提出了一种适用于火星环绕探测器的高比能量、高比功率、高自主管理能力的电源系统设计分析方法,可为火星环绕探测器电源系统优化设计提供依据,也可为其他深空探测器电源系统设计提供一定的借鉴与参考。     

猎户座飞船电子系统设计特点分析与启示

2014年12月5日猎户座飞船成功完成"探测飞行试验"任务,标志着美国NASA为实现载人火星探测迈出了关键一步。文章从分析猎户座飞船电子系统入手,总结了其高度灵活、可扩展、高可靠的设计目标,介绍了系统采用的分布式系统架构的设计特点及最终的实现方案;梳理了容错计算机系统、时间触发以太网和分时分区操作系统等关键技术的工作原理,并通过与传统实现方式的对比,分析了上述技术在系统中的应用优势。最后提出了发展建议,可为我国后续开展火星探测任务提供参考。     

天问一号探测器高动态着陆惯导系统设计与试验

考虑到火星探测任务着陆过程动态变化大,稀薄大气环境下开伞会对探测器产生剧烈晃动,为此天问一号探测器研制了一套高动态着陆惯导系统,从硬件产品、使用时序到导航算法方面均进行了针对性设计,以适应着陆过程中的高动态环境.此外,为验证天问一号探测器高动态着陆惯导系统的性能,设计了模拟火星开伞工况的火箭弹高空开伞试验,结果表明该高...     

嫦娥一号月球探测卫星研制综述

嫦娥一号卫星是我国第一个月球探测卫星,将实现对月球的环绕探测。嫦娥一号卫星的研制和发射是我国深空探测活动的开端,在我国航天史上将成为继人造卫星和载人航天后的第三个里程碑。与近地卫星相比,嫦娥一号卫星面临更复杂的控制过程和环境,因此,嫦娥一号卫星必须突破一系列的关键技术,实现既定的任务目标。文章介绍了嫦娥一号卫星的任务目标、主要技术方案和研制过程;概要性地说明了嫦娥一号卫星的研制过程。     

火星移动智能体技术探讨

在火星表面巡视探测任务中,环境的复杂性、火地之间遥远的距离和探测器的安全性要求,决定了火星车必须具有较强的自主能力,自主实现环境感知、路径规划、科学探测、故障诊断等功能。移动智能体技术的发展和应用,为上述功能的更好实现提供了可能。文章通过对火星车自主能力的发展历程进行调研,结合当前我国巡视器技术的发展状况,从任务规划、能源管理、热控管理、通信管理等方面对火星移动智能体技术的应用需求进行了分析,提出了一种采用三层递阶式体系结构的解决方案框架,可为火星乃至其他地外天体移动智能体的技术实现提供参考。     

木星环绕探测器电源系统设计研究

木星环绕探测任务的规划,对电源系统的设计提出了新的需求和挑战。文章结合木星及木星系环绕探测器任务各个阶段的温度、光照、辐射等空间环境特点,分析了电源方案的设计需求,并调研了以美国伽利略号(Galileo)、朱诺号(Juno)和欧洲木星冰卫星探测器(JUICE)为代表的国外木星环绕探测器的电源系统设计。根据我国的能源和航天技术发展现状,比较了同位素电源和太阳电池阵2种技术路径,提出"太阳电池-蓄电池"是木星环绕探测电源系统的可行方案。最后给出了电源系统的初步设计方案和输出仿真,并通过分析建议在低温低光照太阳电池、宽域电源控制器和太阳电池辐照防护等技术方面针对任务进行适应性改进,以满足木星环绕探测的任务需求。     

“长征”五号:中国新一代运载火箭的旗舰

正"长征"五号运载火箭是我国全新研制的新一代大型低温运载火箭,2006年获得国家立项、正式开始工程研制;2016年11月3日,"长征"五号火箭在海南文昌航天发射场首飞取得圆满成功;2020年7月23日,"长征"五号火箭执行首次应用性发射,成功将我国首次火星探测任务"天问"一号探测器准确送入直接地火转移轨道,"天问"一号探测器也是世界航天史上发射过的最重的火星探测器。"长征"五号火箭首次突破第二宇宙速度,其成功发射拉开了我国行星际探测的序幕,使得我国的航天发射能力迈上了一个新台阶。"长征"五号运载火箭的成功研制及工程应用,标志着中国人独立、自主、自由进入空间的能力大幅提升,具备了更大、更强的空间探测及开发应用能力,是我国由航天大国迈向航天强国的重要标志。     

火星探测进入、下降、着陆过程通信方案

基于火星探测任务进入、下降、着陆过程(Entry,Descent and Landing,EDL)的特点,从信号微弱、高多普勒动态和黑障通信等3方面提出了该过程中通信的主要技术难点;简述了国外成功完成火星表面软着陆探测任务——海盗号、"火星探路者"、"火星探测巡视器"、凤凰号、"火星科学实验室"EDL过程采用的通信方案,并在其基础上进行了归纳总结;详细介绍了EDL过程所采用的直接对地通信、中继通信方案组成、通信能力和关键单机等;论述了中继通信、信号调制、信道编码以及黑障分析、防护与减轻等通信关键技术及其工程现状。最后给出了对我国火星探测EDL过程通信技术方案设计的一些建议。