火星探测工程.doc

一，前言1 火星概况火星是八大行星之一，重力为地球的0.4倍，直径相当于地球的半径，表面积为地球的四分之一，体积为地球的15%，质量只有地球的11%，没有磁场。地表温度白天可达28，夜晚可低至-132，平均-57。大气成分95%的二氧化碳，3%的氮气，1.6%的氢气，很少的氧气，也充斥着很多的悬浮尘埃。2 探测火星的意义1）认识地球：火星是地球上人类可以探索的最近行星，大约40亿年以前, 火星与地球气候相似, 也有河流、湖泊甚至可能还有海洋, 未知的原因使得火星变成今天这个模样。探索使火星的气候变化的原因, 对保护地球的气候条件具有重大意义，有助于了解地球臭氧层一旦消失对地球的极端后果。2）探索外星生命：在火星上寻找历史上曾经有过的生命的化石, 这是行星探测中最激动人心的目的之一, 如果找到, 就意味着只要条件许可生命就能在宇宙中行星上崛起。3）促进科学的发展：火星探测是许多新技术的试验场地, 这些技术包括大气制动，利用火星资源产生氧化剂和燃料，返程用遥控自动仪和取样远程通讯等。4）从长期来看, 火星是一个可供人们移居的星球。由于历史的原因, 公众对火星探测的支持和共鸣是任何其它空间探测对象难以相比的。3 中国的火星探测计划阶段1：（现在到2009年）会对第一次任务进行充足准备，包括定立探测目标、技术研发和寻求国际合作。 阶段2：（2009年后）已发射的卫星将探测火星环境，所得的数据用作火星软着陆之用。 阶段3： 发射火星着陆器并携带一辆火星车，在火星上软着陆。 阶段4： 成立火星表面观察站、发展飞行器穿梭地球与火星、并且建立火星基地供机械探测器进入。此阶段的最终目标是为将来人类登陆火星提供基础，令人类可在火星观察站中观察火星。 4 本文内容本文旨在探讨登陆火星的各项准备和各个阶段发射场，运载器，飞船载荷，深空探测网和发射阶段，登陆阶段，考察阶段，返回阶段二 相关设施发射场文昌航天发射中心位于中国附海南省文昌市近约北纬19度19分0秒，东经109度48分0秒。该发射场纬度低，距离赤道近，发射卫星所需的能耗低，比在西昌发射火箭的运载力提高10%到15%。同时，火箭可以通过水陆运输，火箭大小可以不受铁轨限制。此外，从海南岛发射的火箭，其发射方向1000公里范围内是茫茫大海，因此坠落的残骸不易造成意外。早在20世纪70年代，中国建设航天发射场时，就曾经把海南岛列为最佳场址之一，但鉴于当时冷战的国际环境，沿海地区很容易被外国军队占领，最终不得不改在较为不易被攻击的西昌。发射场由测试区（技术阵地）、发射区（发射阵地）、发射指挥控制中心、地面测控系统及辅助设施组成。测试区是进行技术准备的专用区，主要任务是对运载火箭和航天器进行装配、测试，对其内部各系统的单个仪器设备进行检测、试验。主要设施有火箭装备测试厂房、航天器装配测试厂房、固体火箭装配厂房。供电站、发电站、火工品库、地面设备库和各种实验室。发射区是发射前准备和发射的专门区域；地面测控系统是对运载火箭和航天器进行跟踪测量，接收遥测和外测信息，发送监控、安全指令和通信信息的一整套地面设施，配置在发射场和火箭飞行航区。从天津滨海新区的运载火箭基地装配的火箭可以经由水陆运送至文昌卫星发射中心。 运载器阿波罗登月使用了重达3000吨的土星五号。但是火星距离我们超过6000万公里，登陆火星需要的火箭和宇航技术远远超过了人类目前科技的极限。除了发展大运载火箭，比如中国的长征五号，美国的奥赖恩等，还有一些新型火箭技术可以应用，例如离子体火箭和核推力火箭。1 长征五号长征五号是中国研制的新一代重型运载火箭系列，与欧洲阿丽亚娜5基本同级。其设计思想以通用化、系列化、组合化为重点。可搭载两种专门为其设计的火箭发动机，分别为推力为120吨的YF-100液氧煤油发动机和推力为50吨的YF-77氢氧发动机。直径为5米、3.35米和2.25米的三种模块构成，4个助推器，身高59.5米，起飞重量为643吨，起飞推力为833.8吨。他可以实现大负载量“低环球轨道”（LEO）和“同步轨道”（GEO）任务的需求，并且具备了1.2吨至25吨的有效载荷送入近地轨道，将1.8吨至14吨的有效载荷送入地球同步转移轨道。2 可变比冲磁等离子体火箭利用电流将诸如氢、氦或氘等燃料转化为等离子气体。这些等离子气体被加热到1100万摄氏度后，磁场会将其引导进入排气管，从而推动太空飞船的飞行。在这种火箭的推动下，飞往火星或月球的航天器最高速度将可达到每秒55公里。从地球飞往火星的旅行时间缩短为39天，而目前预测的往返火星的旅程则需要大约3年时间，其中包括被迫在火星上停留的18个月时间。地球与火星之间的距离大约为5500万公里到4亿公里（这要根据它们所处的轨道位置而定）。还有另外一个好处，那就是可以在航天器周围形成一个磁场，使得航天器不会受到辐射。3 核推力火箭核火箭的发动机利用核反应或放射性物质衰变释放出的能量加热工作介质，工作介质通过喷管高速排出，产生推力，使宇宙飞船高速飞行。根据核能释放方式的不同，核火箭可分为放射性同位素衰变型、核裂变型和核聚变型三种。所谓核裂变是在一定条件下，原子核发生分裂，同时释放出大量的能量。所谓核聚变是在一定条件下，较轻的原子核会聚合成新的较重的原子核，同时释放出大量的能量。核火箭发动机用核燃料作能源，用液氢、液氦、液氨等作工质。核火箭发动机由装在推力室中的核反应堆、冷却喷管、工质输送系统和控制系统等组成。在核反应堆中，核能转变成热能以加热工质，被加热的工质经喷管膨胀加速后，以650011000米秒的速度从喷口排出而产生推力。核火箭发动机的比冲高（2501000秒）寿命长，但技术复杂，只适用于长期工作的航天器。这种发动机由于核辐射防护、排气污染、反应堆控制，以及高效热能交换器的设计等问题未能解决，至今仍处于试验之中。飞船部分曾经成功登月的阿波罗飞船由指令舱、服务舱和登月舱三部分组成。登陆火星的飞船也需要这三部分，但是由于任务的特殊性，更多的设备和功能是需要完善和加强的。1 增大载重量：由于火星地球之间的距离超过六千多万公里，飞船飞行所需燃料会相当多，这就需要飞船有足够的空间来携带这些燃料。2 增加生命维持系统：航天员会在火星待一年左右的时间进行科学探测以及等待合适的返回窗口，需要飞船携带相应的科学实验的设备和生物再生系统，维持航天员在火星的生活和工作。火星上的平均温度在零下60度左右，需要飞船的各个零件部分有足够的抗寒能力和保护措施。还有长时间，长距离的飞行，以及在火星表面的长时间的停留，宇航员会受到更多的宇宙射线的辐射，因此飞船需要做更多的保护措施来防止射线粒子对宇航员的危害。3 增加飞船的使用寿命，减少维护成本和难度，减少航天员不必要的工作强度4 携带足够的有效载荷，如火星探测车，太阳能电池阵，无线电通讯设备等。现在比较成熟的有美国的猎户座飞船。猎户座飞船的外貌与阿波罗飞船相似。猎户座飞船“载人及服务模块”（CSM）的结构包括两个主要的部分：一个圆锥形的载人舱，以及一个圆柱形的服务舱但内部空间阿波罗飞船大2.5倍，最多可容纳6名宇航员，融入了电脑，电子，维生系统，推进系统及热防护系统等领域的诸多最新技术。同航天飞机比，奥赖恩的使用成本更加低廉，安全系数也提高10倍，而且与航天飞机一样可以回收再用。它没有机翼和尾翼，不再像航天飞机那样通过滑翔方式返回地球，而是像飞船那样通过降落伞降落，因而不需要复杂的气动外形和放热系统，可提高返回时的安全性。空间更大，能携带4到6位宇航员，而阿波罗飞船最多只能承载3名宇航员。装备有太阳能电池板，这将大大减少使用燃料电池和普通电池。既能像阿波罗飞船一样降落于水中，也能依靠降落伞在干燥的沙漠地区着陆。由高科技合成材料制成，重量显著降低，而具有强大处理能力的电脑令它的“大脑”更发达 深空探测网火星上没有GPS，甚至没有磁场，火星飞船的导航控制完全依赖地球测控站。如果是无人飞船，失败就失败了，着陆点偏一点也算大功告成。但是载人飞船就不行，需要极强的通讯能力和地球联络。人造地球卫星离地球的距离一般从几百公里到几万公里左右，月球离地球约为38.4万公里，而火星离地球最近约5600万公里，最远处约4亿公里，卫星的测控数据传输要克服信号衰减和传输时延等困难，实现深空环境下的有效通信，数据传输单程约22分钟，来回约44分钟。为了克服巨大的信号衰减，不仅依靠提高星载设备的性能，更迫切需要地面站设备的配合，要求地面深空站能够在X波段工作，配备大口径天线，并且具有发射上行大功率信号和接收下行微弱信号的能力。这样，除了建立地球火星的通信网络，在火星上也要建立一个测控基站，既可以完成在火星上的通讯联系，也可以加强和地球之间的联系。三 各个阶段前往火星包括了三个步骤。第一发射，摆脱地球的引力场。第二轨道，加速去火星。第三登陆，进入火星的引力场并安全着陆，并且在火星进行一段时间的活动。1发射阶段发射阶段可以有两种方式，一种是分段进行，首先在地球轨道上发射一系列的宇宙飞船，其中包括登陆舱，返回舱，燃料补给舱等进行组装，成为一艘大型飞船，在抵达火星之后，这艘飞船会分解成一个用于把机组人员送回地球的返回飞船以及一个用于登陆火星并且重返火星轨道的着陆飞船。但是这中法案面临的一个问题是需要花费大量的时间和金钱在地球轨道空间张的建设，并且进行大量的太空行走，给飞船的兼容性和安全性带来很大的隐患。对于这一庞杂的计划，需要的是完善的太空站的建立，不是短短几年内可以完成的。 另一种方式是直接发射，利用大推力的核动力火箭将飞船发射到适合的轨道，飞船利用电推力发动机或者等离子发动机推动到达火星轨道，在飞船上不需要携带大量的燃料，因为在返回时，宇航员可以利用先前由货运飞船送来的行星际飞行器返航。或者携带一个资源就地利用设施。其中包括了一个自动化学处理厂、一个核电发生器和液氢“原料”。随后资源就地利用设施会混合液氢原料和火星大气中的二氧化碳由此来制造可做为火箭燃料的甲烷和氧。在下一次火星处于有利发射窗口的时候货运飞船发射之后26个月，火星考察队员便会从地球启程。但前提条件是资源就地利用设施必须已经完成了对返航飞船的燃料加注。宇航员所乘坐的飞船会运送四名宇航员、一辆以甲烷为燃料的火星车以及在未来三年中他们所需的一切。2轨道阶段不同的飞行轨道对应了不同的飞行时间与燃料消耗，并最终直接关系到任务能否最终完成。我们假设火星和地球都在同一个平面上且两者的公转轨道都是圆轨道。1） 地球停泊轨道虽说把飞船送到低地球停泊轨道绝非一件简单的事情，但迄今为止进行过的大多数深空探测任务都在把飞船/航天器送入向目标天体的转移轨道之前先进入停泊轨道。这在理论上没有任何问题，只是需要利用火箭克服地球引力。为了到达高度为r的地球轨道，需要的速度为：其中Me是地球质量，R是地球半径。2）从地球停泊轨道到火星在整个飞行任务中，从地球到火星的转移轨道是最重要的一部分，这段旅程将对推进系统提出严格要求。从能量来考虑，如果不采用光压、引力加速等飞行技术，霍曼转移轨道将是最节省能量的。所谓霍曼转移轨道，即一条分别与地球和火星相切的半椭圆轨道。如果采用霍曼转移轨道，飞船将利用上地球绕太阳的公转速度30千米每秒。飞船只需在停泊轨道上进行一次点火，利用推进器给一个适宜的速度增量，随后在理论上飞船将主要在太阳的引力影响下驶向火星。如下图所示，飞船相对太阳的转移角度为180，注意：为了方便考虑问题，在转移轨道两端分别没有考虑地球引力和火星引力的影响，将转移轨道近似处理为只在太阳引力影响下的二体问题，由于地球和火星的引力范围要远远小于转移轨道的弧段所在范围，这样的处理是合理的。为了将飞船从地球的绕日运行轨道转移到地球轨道以外的火星轨道上，我们需要额外的燃料来使飞船加速，因此，稍后我们将要来计算这种转移轨道所需要的速度增量。让我们先来计算发射窗口。我们知道，除了对飞行总时间和能量消耗等条件有要求之外，整个任务还对发射时的地球、火星在空间上的排列位置也有约束。对于霍曼转移轨道，要求在地球停泊轨道上点火加速后的转移轨道近日点在地球（离日心距离称为dEarth），远日点在火星轨道上（离日心距离称为dMars），并且当飞船抵达火星轨道时，火星恰好也运行到那个点上。如果既不考虑地球与火星之间的轨道夹角，也不考虑它们各自在轨道偏心率，那么我们可以很容易计算出发射时（即在地球停泊轨道上点火加速切入转移轨道时）地球和火星与太阳连线的夹角（即上图的aMars-aEarth），当火星地球与日心连线夹角等于这个值时即为一次发射时机，即发射窗口开启。为了计算这个夹角值，我们首先要计算从一条轨道转移到另外一条轨道所需要的速度增量，并进一步计算轨道转移所需时间Ttransfer，一旦转移时间知道了，我们就可以逆推出发射时刻火星所在的位置（从而使得经过Ttransfer时间后火星刚好与飞船同时到达），从而计算出发射时刻火星与地球的日心夹角。（1） 计算进入转移轨道所需要的速度从逻辑上来说，第一步需要确定从地球到火星的转移轨道在地球处的速度。对于任何一条椭圆轨道，能量必须守恒，从而在轨道上的任何一点都有下式成立：其中m是飞船的质量，G是引力常数，Ms是太阳的质量，a是转移轨道的半长径。这些常数值为：Ms = 1.989E+30 kg G = 6.67 E -11 N m2/kg2 dEarth = 149,600,000,000 mdMars = 227,900,000,000 m正如我们前面所提到的，霍曼转移轨道的起点和终点分别与地球、火星相切，是一条半椭圆轨道，从而有：于是由(1)式可以推出：(2)式给出的是在霍曼转移轨道上距离日心为r时的速度。将dEarth代入（2）式可得从地球轨道进入转移轨道所需要的速度：由于飞船是从地球上起飞的，因此可以利用地球轨道的速度来抵消一部分转移轨道速度。这样一来，我们实际上更关心地球处的转移轨道速度（即Vperihelion）与地球轨道速度的差值。假设地球轨道为圆轨道，则利用(1)式可以得到地球轨道速度为：从而推进系统所应产生的速度增量为：代入数值后得：DeltaV = 2942 m/s或者近似为3 km/s（2） 转移轨道时间一旦速度增量已经确定，接下来我们将要计算轨道转移时间，从而确定发射时刻火星与地球的相对位置，以方便进一步确定发射日期。由万有引力定律可以推出行星的周期与半径的关系 由于转移轨道是半椭圆，因此有： 将相应数据代入的转移时间为259天，或8.5个月。（3） 求火星与地球发射时刻的日心夹角一旦转移时间已经确定，那么两行星的初始位置即可以计算出来。由于火星轨道、转移轨道、地球轨道的周期有以下关系：火星轨道周期转移轨道周期地球轨道周期因此发射时刻火星所在位置要比地球更“超前”，而飞船到达火星时地球比火星更“超前”，从而有：计算得=0.773弧度，或44。（4） 计算发射日期为了计算发射日期，首先要制定一个参考日期。我们的第一个参考日期选择为1997年03月27日，此时地球要比火星“超前”5.586（或0.0975弧度），正如下图所示假设火星固定不动，地球以地球火星公转速度之差绕日运动，则：或根据前面的计算结果：Ainitial = 0.0975弧度(参考日期03/27/97)Alaunch= 0.773弧度计算得Tlaunch=6