[科普中国]-火星全球勘测者探测器

任务概况

1996年11月7日,美国“火星全球勘测者”(MGS)在卡纳维拉尔角由“德尔它”火箭成功发射,开始了为期10个月、航程6.69亿公里的火星之旅,这标志着,自“海盗”号以来,沉寂了20年的火星探测又掀热潮。

自从1993年,“火星观测者”抵达火星轨道即将开始探测之时丢失后,美国决心要重返火星,制定了系列探测计划。第一项便是1996~2005年每隔两年向火星发射一次“火星全球勘测者”。另外还有“火星探路者”,它虽然比GMS晚发射,但它走捷径,将先抵达火星。俄罗斯、日本和西欧也不甘示弱,纷纷推出自己的火星探测计划,如俄罗斯的火星-96、日本的行星B等。2

在MGS发射成功后,美国航宇局局长戈尔丁信心十足地宣布:“如果向火星发射的轨道飞行器、登陆车和机器人中大多数能获得成功,人类可能在2010年以后登上火星”。

“火星全球勘测者”发射质量为1060千克,相对“火星观测者”的2250千克要轻得多。它将于1997年9月12日进入围绕火星的椭圆形轨道,然后逐渐降低高度、脱离轨道进入火星稀薄的大气层,并利用其像机翼一样的太阳能电池板作为空气制动器。从367公里的高空,勘测者上的远摄照相机将能看清楚火星表面小汽车那么小的物体。到一个火星年一地球上的687天一结束时,将绘制完火星99%的表面图。2

任务目标全球勘测者是从环绕火星的轨道上观测和研究火星表面,大气层和磁场的情况,为此装备了如下观测设备:远摄照相机,能从380千米高空轨道上拍摄分辨率达1.5米的图像;广角照相机,能拍摄分辨率为280米而视场为1400的广角图像;激光高度计,用以调查火星地形高度的分布情况,其全球范围的绝对精度达到30米,局部场所的相对精度达到2米,是研究火星地貌和引力场的得力工具;热辐射计,用于测量表面的水含量,大气温度与压力,尘埃和沙粒的化学成分;磁力计,用于测量火星磁场情况。3

全球勘测者的另一项重要任务是无线电观测。由勘测者向地球发射无线电波,由于二者之间的相对位置关系,无线电波将穿过火星大气,其时大气将起象透镜那样的作用,使无线电波的路径发生微小变化。由此可以调查大气的温度、压力和化学组成。3

主要性能参数探测器质量为1030kg，长方体结构，尺寸为1.17m×1.17m×1.7m。探测器包括设备舱和推进舱两部分，探测器两侧装有太阳翼，太阳翼翼展12m。直径1.5m的高增益抛物面天线安装在沿平台一侧伸出的2m支杆上。探测器采用三轴稳定，巡航主推进采用596N双组元发动机，4组12个4.45N单元肼推力器用于姿态控制。电源系统包括功率为900W的太阳翼和2个20A·h的镍氢蓄电池组。通信采用X和Ka频段，包括1副高增益天线和2副低增益天线，上行为X频段，下行为X和Ka频段。科学数据下行最小数据率21.33kbit/s，工程数据以2kbit/s下行，紧急情况以lOkbit/s的数据率下行。热控采用多层隔热材料、热辐射器和百叶窗。1

探测器携带的有效载荷包括火星轨道器相机、火星轨道器激光高度计、热发射光谱仪、磁强计/电子反射计和无线电科学装置。

入轨过程美国航宇局的火星全球勘测者(MGS)探测器已在1997年9月11日减速进入火星轨道,现已开始利用火星大气进一步减速,以进入最终测绘轨道。这是1989年1月前苏联的火卫-2进入火星轨道后,人类送到火星的第一个轨道器。火卫-2在入轨2个月后报废。4

入轨过程中发生的主要事件包括:

(1)解除安全模式。地面控制人员9月1日关闭了探测器的“安全模式” ,以防因意外事件而使所有星上指令自动终止。不必要的“保险”措施有可能会使MGS停止执行入轨程序,从而毁掉整个探测任务。为此,控制人员只得不停地对卫星的运行状况进行监控,并根据判断做出反应。安全模式已在探测器完成入轨点火机动工作后1分钟被重新启动。4

(2)为主火箭发动机解除保险。遥测数据表明推进剂贮箱的再增压在9月9日顺利完成。在去年11月21日探测器完成了首次轨道修正机动后,氦增压剂就被切断了,此后贮箱一直在以落压方式工作。由于这一过程中推进剂的用量很小,所以余下的氦的压力下降不多,只从1862千帕下降到1620～ 1655千帕。

9月9日上午7时59分(太平洋夏季时间),一个爆破阀炸开,使四氧化二氮氧化剂贮箱与未增压的氦管路接通。这里的时间为地面上收到信号的时间,事件的实际发生时间是14分钟以前(14分钟为信号到达地球所需的时间)。该阀门是根据伽利略探测器上的经验,为防止四氧化二氮烟雾损坏回止阀阀座和减压器而加上的,没设备份。

上午9时14分,氦阀被打开,两个肼燃料贮箱和四氧化二氮贮箱在半分钟内被重新增压到1862千帕。

(3)重新启动2号陀螺仪。探测器上有3个两轴陀螺组,然而2号陀螺组在巡航飞行过程中出现了电机电流噪声,所以被关掉了。9月11日下午4时31分,该陀螺仪被重新启动,作为备份使用。这一措施果然起到了作用:随后3号陀螺仪的Z轴出现了故障(后被证明是软件上的缺陷),并被切换到了2号陀螺上。4

(4)把通信从高增益切换到低增益天线,关掉遥测而只进行X波段载波运行。由于高增益天线尚不能控制指向,入轨机动会使其指向偏离地球,所以需要使用低增益天线。只进行X波段运行是为了能产生更强的信号。上述变化发生在下午5时55分,设在加州和澳大利亚的深空网跟踪站收到新信号的时间为5时59分。

(5)调整探测器指向,转动太阳帆,为火箭点火工作做准备。这项工作于下午6时14分开始。

(6)利用推力667牛的主发动机开始进行入轨机动。此前该发动机已在空间点火工作过两次,最近一次是在今年3月。本次点火工作从下午6时31分开始,当时探测器处在火星北极上空1490公里高度,运行速度为5. 09公里/秒。经过22分钟,在将速度降低了973米/秒后,发动机关机。此次机动消耗推进剂283公斤,探测器上应该还剩下93公斤推进剂。机动过程中,探测器与火星最近时的距离为273公里。4

(7)探测器被火星遮挡住。下午6时43分,即在发动机进行入轨机动点火工作的过程中,因受火星遮挡,探测器信号消失。6时57分,即机动点火工作结束后约2分钟,信号如期重新出现。

(8)高增益天线和遥测重新启动。重新启动发生在7时10分,1分钟后捕获到信号,表明探测器又重新指向地球,且除3号陀螺仪外工作状况良好。4

所进入的初始轨道周期45小时,轨道远地点高度5. 6万公里,近地点250公里。通过气动制动,探测器将最终于明年1月18日进入350公里× 410公里的测绘轨道。轨道科学观测已在探测器绕初始轨道运行一整圈后(9月13日,即第二个近拱点处)开始进行,并已发现了一个磁场。气动制动已在9月16日在第三个远拱点处开始进行。在这一点上,主发动机点火工作了6.6秒,使速度降低了4. 4米/秒,次日探测器到第四个近拱点时高度已降到150公里,即降入火星大气的上边缘以内。但在这样的高度上大气阻力仍不明显。9月18日探测器上较小的反推控制推力器又点火工作,将速度降低了0. 8米/秒,估计次日第五个近拱点时高度将降至129公里。降近拱点操作共将分5步,到9月28日结束,使近拱点降至110公里。此后探测器将进入主气动制动阶段。明年1月4～ 18日,探测器将结束气动制动,提升近拱点,进入最终测绘轨道。4