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國外火星探測器推進系統(tǒng)發(fā)展與展望

 小飛俠cawdbof0 2023-05-02 發(fā)布于北京

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來源:空天動力瞭望 
作者:章洪濤

01 引言


     


火星是太陽系中和地球最相似的天體之一,也是曾經最可能宜居的地外天體,為地球生命的產生和宜居環(huán)境的形成提供了重要參照。從1960年至今,全球共開展過48次火星探測任務,成功率約為57%。其中,火星著陸任務風險更高、難度更大,迄今23次著陸任務中只有11次成功。

2021年,中國、美國、阿聯(lián)酋齊聚火星,創(chuàng)造了火星探測歷史的里程碑。2020年7月23日成功發(fā)射的首次火星探測“天問一號”已邁出我國獨立開展行星探測的第一步,通過一次發(fā)射實現(xiàn)對火星的“繞、著、巡”,已于2021年5月成功實施了火星表面軟著陸并開展了巡視探測。

21世紀以來,多個國家提出了載人火星探測計劃,意欲將人類的活動疆域擴展至火星。其中美國的載人火星探測計劃,將首先執(zhí)行機器人先驅任務,并完成火星采樣返回,繼而結合月球或載人小行星探測任務,完成載人火星探測技術的試驗驗證,最后完成載人火星探測任務。

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圖 1 美國火星采樣返回任務

在火星探測任務中,探測器推進系統(tǒng)發(fā)揮著至關重要的作用。推進系統(tǒng)為探測器提供軌道轉移、軌道捕獲、交會對接控制、著陸制動減速、懸??刂啤⒆藨B(tài)控制以及火星表面起飛等所需的沖量,是探測器的重要組成部分。本文對國外典型火星探測器推進系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀進行了調研分析,同時探討了對我國深空探測推進技術發(fā)展的啟示。

02國外典型火星探測器


     


2.1毅力號(Perseverance)探測器

    美國于東部時間2020年7月30日,由“宇宙神-V”火箭執(zhí)行“火星2020”發(fā)射任務。本次任務攜帶的火星車名為毅力號(Perseverance),與“好奇號”同屬美國第三代火星車。毅力號探測器于北京時間2021年2月19日凌晨4點55分左右在火星杰澤羅隕石坑內以“空中起重機”方式安全著陸。

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圖2  “火星2020”探測器系統(tǒng)

“火星2020”巡航器使用專為軌道和姿態(tài)控制設計的單組元肼推進系統(tǒng)。八個4.5 N發(fā)動機安裝在兩個推進器組中,因此可成對工作的發(fā)動機對用于軸向和橫向機動?!盎鹦?020”任務的進入、下降及著陸(EDL)沿用了“好奇號”的三級減速(氣動外形減速、降落傘、反推發(fā)動機)+空中起重機緩沖的著陸方式。下降級通過8個反推發(fā)動機減速,并將火星車安全送到地面。隨后下降級自主飛離。

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圖3  毅力號火星車EDL過程

當然,“火星2020”也不是完全沿用“好奇號”的著陸技術,而是采用了一些新技術,可以達到更高的導航精度和更豐富的數據回傳。

為此,“火星2020”任務小組采用“距離觸發(fā)”技術讓“毅力號”降落到盡量接近目標區(qū)域的位置。這項技術可以把橢圓形預定著陸區(qū)的尺寸減小50%以上,如果研究人員選定了一些價值很高、平地面積卻很小的目標區(qū),也能成功降落下去。

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圖4  毅力號火星車著陸示意圖

2.2 阿聯(lián)酋希望號(Hope)火星探測器

希望號(Hope)火星探測器,是'阿聯(lián)酋火星計劃'(Emirates Mars Mission)的第一步,是阿聯(lián)酋空間局于2020年發(fā)射的第一顆火星探測器。同時,希望號也是伊斯蘭國家領導的第一個行星科學任務。

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圖5  希望號火星探測器

北京時間2020年7月20日凌晨5點58分,阿聯(lián)酋首顆火星探測器希望號在日本種子島航天中心發(fā)射場由一枚H-2A-202型運載火箭發(fā)射升空,于2021年2月9日進入火星環(huán)繞軌道。

可壓力調節(jié)的單組元無水肼推進系統(tǒng)提供軌控推力、姿態(tài)控制力和力矩。希望號探測器使用800kg容量的貯箱,在飛行期間以大約 1.79 MPa的壓力運行,并由一個27.58 MPa的氦氣復合材料氣瓶提供增壓氣體。六個安裝在尾部的120N軌控發(fā)動機可產生678N的組合推力,而八個5N的RCS發(fā)動機可提供探測器姿態(tài)控制力和精確機動推力。探測器內的反作用輪允許它在穿越太空時重新定向,幫助它將天線指向地球或將科學儀器指向火星。該架構可容納多種發(fā)動機尺寸和配置。

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圖6  希望號探測器結構圖

2.3火星上升飛行器(MAV)

2022年,NASA與洛馬公司簽訂了一份預計將達到1.94億美元的合同,用于建造一枚小型火箭——火星上升飛行器(Mars Ascent Vehicle,MAV),將毅力號火星車收集的樣本運送到火星周圍的軌道上。MAV采用固體主推進及液體單組元姿控方案,第一級和第二級固體火箭發(fā)動機由諾格公司提供,將成為第一枚從外星球發(fā)射的火箭。

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圖7  MAV固體式推進系統(tǒng)設計方案

作為火星樣品返回(MSR)任務的一部分,NASA的樣本取回著陸器(Sample Retrieval Lander)將攜帶MAV在Jezero隕石坑著陸,樣本取回著陸器的機械臂將毅力號保存的火星樣本裝入MAV的樣本返回艙中。著陸器將作為MAV的發(fā)射平臺。確保樣本容器安全后,MAV將啟動發(fā)射。發(fā)射時,火箭將首先通過彈簧升空到一定高度,固體火箭第一級點火,將MAV推升到火星軌道。進入軌道后,二級發(fā)動機點火,并釋放火星樣品容器。裝有火星樣本的容器被地球返回軌道器航天器捕獲。該航天器將在21世紀30年代初至中期將樣品帶到地球。

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圖8  MAV到火星軌道的上升剖面

實際上,在MAV的設計過程中并行進行了多種設計,分別是固體推進系統(tǒng)、固液混合推進系統(tǒng)以及液體推進系統(tǒng),最終由于技術成熟度的原因NASA選擇了固體推進方案?;诠桃夯旌鲜酵七M系統(tǒng)的MAV設計如下圖所示。

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圖9  MAV混合式推進系統(tǒng)設計方案

混合方案MAV由單級混合發(fā)動機提供入軌動力,使用液體MON-25氧化劑和固體石蠟基SP7A 燃料。發(fā)動機燃燒速率取決于氧化劑流量,氧化劑的剪切力在燃料中造成不穩(wěn)定性,充當燃料噴射系統(tǒng)并增加傳統(tǒng)混合燃料的燃燒速率。推進系統(tǒng)本身由液體氧化劑貯箱、固體混合式發(fā)動機、氦氣增壓/RCS(反應控制系統(tǒng))貯箱和發(fā)動機組成。

固體方案相比于固液混合方案起飛質量更小,對工作溫度限制不敏感,系統(tǒng)整體復雜度相對較低,但其需要考慮經歷器間分離、彈傘、拋大底、拋背罩以及著陸等沖擊環(huán)境以及火星表面低溫寬溫域交變環(huán)境貯存后固體推進劑結構完整性、隔熱層脫粘等問題,同時固體發(fā)動機只能耗盡關機,入軌精度低且只能進入橢圓軌道,給兩器火星軌道交會和樣品轉移帶來了極大困難。固液混合單級入軌方案雖然有發(fā)動機開關靈活、入軌精度高和主推進-姿控一體化等優(yōu)勢,但其對工作溫度要求苛刻、系統(tǒng)復雜度高,研發(fā)周期長且技術成熟度尚低,限制了其優(yōu)勢的發(fā)揮。  

而液體推進方案具有系統(tǒng)適應性好、啟停靈敏、有廣泛的低溫和深空使用經驗的優(yōu)點,但其重量更重。NASA的液體推進方案主要分為兩類:常規(guī)擠壓式和電動增壓式(EDPF)雙組元推進系統(tǒng)。推進劑選用MON-25(或MON-30)/MMH。在NASA內部的設計評測中電動增壓式(EDPF)雙組元推進系統(tǒng)因其在性能、質量和預包裝方面的綜合優(yōu)勢,排名更高。雙組元推進系統(tǒng)擬采用一臺3560N主發(fā)動機,RCS系統(tǒng)包括4臺22N發(fā)動機及4臺5N發(fā)動機。但最終因為電動增壓式推進系統(tǒng)的技術成熟度較低,未能入選。

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圖10  MAV電動增壓式雙組元發(fā)動機

2.4樣本返回軌道器(ERO)

樣本返回軌道器(Earth Return Orbiter, ERO)是MSR項目的一個關鍵組成部分,負責將MAV送至LMO的軌道樣本容器(OS)捕獲并封存,隨后脫離火星軌道并將樣本返回地球。ERO將由ESA負責項目管理,空客宇航負責研制,并搭載由GSFC、LaRC和JPL研制的樣本抓取、封存和返回分系統(tǒng)(CCRS)。

由于ERO完成既定目標需要的ΔV不亞于載人登陸火星并返回,對推進系統(tǒng)要求極高,因此ERO擬采用離子發(fā)動機與化學發(fā)動機相結合的組合推進方式,并安裝大功率太陽能電池陣為離子發(fā)動機提供電力,這將為ERO提供多種推進模式以滿足任務需求。在進入火星軌道、進行快速變軌時使用大推力化學發(fā)動機,在進行OS捕獲時使用小推力化學發(fā)動機,在進行地火轉移、火星逃逸和火地轉移時使用離子發(fā)動機持續(xù)提供動力,這要求ERO在距離太陽1 AU時應具備不小于40 kW的供電能力,且具有良好的帆板對日定向能力,同時預估的離子發(fā)動機平均推力為200 mN。

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圖11  ERO結構及推進系統(tǒng)

2.5載人火星探測任務

隨著火星探測技術的不斷發(fā)展和探測任務的不斷推進,載人火星探測在未來將會成為火星探測的重要手段。從20世紀末開始,美國不斷地提出關于載人火星探測的計劃和方案,目前NASA主要以設計參考架構5.0(DRA5.0)以及火星演化行動(EMC)計劃為基礎,推進深空門戶計劃(DSG)的開展。DSG計劃分多次將貨運飛船及載人飛船運送到深空運輸平臺(DST);隨后進行地火軌道轉移,約390天后到達火星高軌道;之后著陸器與DST分離,進行EDL過程,DST繼續(xù)運行在火星高軌道;約300天后宇航員搭乘上升器與DST交會對接,隨后返回地球高軌道。

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圖12  DSG載人火星探測計劃

基于火星資源原位利用的優(yōu)勢,上述計劃中火星著陸器及上升器擬采用液氧/甲烷一體化推進系統(tǒng),其中著陸器采用8臺100 kN變推力發(fā)動機,比沖大于360s。上升器分別采用3臺及1臺相同的發(fā)動機用于一級上升及二級入軌,同時上升器的RCS系統(tǒng)也采用12臺4450 N以及12臺445 N小推力液氧/甲烷發(fā)動機。

上升器推進劑貯存在4個鋁合金貯箱中,貯箱壓力保持在0.35 MPa。由于液氧與液態(tài)甲烷的貯存溫度相近,因此可以考慮使用共底貯箱進行推進劑貯存,這樣既降低了上升器的重心,也方便了上升器與著陸器的結構優(yōu)化。上升器一級發(fā)動機用的貯箱外徑為2.65 m,高度為4 m;二級發(fā)動機用的貯箱外徑為2 m,高度為2.9 m。

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圖13  火星載人上升器
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圖14  火星載人上升器貯箱示意圖

03結論


     


縱觀國外火星探測器推進系統(tǒng)發(fā)展情況,隨著火星探測任務由環(huán)繞/著陸探測向采樣返回及載人探火發(fā)展,探測器推進系統(tǒng)總體上呈現(xiàn)可靠性更高、性能更高、輕質化程度更高以及類型更加多樣化的特點。可以對我國深空探測推進技術的發(fā)展和應用提供參考,具體如下:

01

火星探測器仍以化學推進系統(tǒng)為主。近期,美國火星探測器著陸器推進系統(tǒng)以單組元肼推進系統(tǒng)為主,美國為火星著陸任務研制了2款單組元變推力發(fā)動機及多款姿控發(fā)動機。

02

針對火星樣返回任務,美國未來的火星上升飛行器基于技術成熟度考慮,可能采用兩級固體推進系統(tǒng)+單組元液體姿控推進系統(tǒng),而樣本返回軌道器可能采用離子推進系統(tǒng)與化學推進系統(tǒng)相結合的組合推進方式。

03

新一代載人探測器推進系統(tǒng)將仍以化學推進為主,并朝無毒高性能推進技術發(fā)展。美國正在研制比沖性能更高且具有火星資源原位利用前景的液氧/甲烷推進系統(tǒng),計劃用于載人登陸火星任務。

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