“萤火一号”火星探测器模型亮相珠海航展
2010年的珠海航展,航天科技集团重点推介了火星探测项目,带来了萤火一号火星探测器模型。萤火一号是项目先锋,率先拉开波澜壮阔的火星探测帷幕,进一步的火星探测工程正在论证,正在论证嫦娥月球探测器的基础上开发火星探测器的可能性,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-土壤火星探测器(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。探测器通过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。探测器外部安装有效载荷传感器、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测量姿态,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的电力,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。探测器被动热控为主,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,所以每两年火星才能靠近地球一次。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分钟才能到达探测器,探测器做出回应,又要经过二十分钟,地面才能知道指令被成功接受和执行。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,在此期间,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,在一年中,探测器共需要经历7次长火影。在此期间,探测器不能接收太阳光,完全依靠蓄电池提供电力,探测器必须关闭有效载荷以节约电力。探测器随着时间推移,温度不断降低,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,最低温度出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。所以探测器必须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,安装在太阳能帆板顶端,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。