火星上升器发射技术综述.pdf
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1、第 6 卷 第 3 期2023 年 9 月空天防御AIR&SPACE DEFENSEVol.6,No.3Sept.,2023火星上升器发射技术综述张胜1,唐晓峰1,刘可平1,曾远帆1,储成龙1,吴志亮2(1.上海机电工程研究所,上海201109;2.上海宇航系统工程研究所,上海201109)摘要:火星作为太阳系中与地球最为类似的行星,其表面可能存在生命的迹象。尽管现有探测机器人能够在火星表面进行较大范围勘察,但科学家仍无法像在地球上一样利用大型先进设备对样品进行更深入的研究与分析,因此火星采样后返回地球任务具有非常重要的意义和科学价值。火星表面数十公里厚且不稳定的大气环境,使得将装有火星样品的
2、上升器安全、稳定地从火星表面送至轨道器的任务十分具有挑战性。火星上升器发射技术是火星采样返回任务中的关键技术,关系到任务的成败。本文分析了国外火星上升器发射技术的发展现状,总结了已有各类发射方案的技术特点,以期为中国后续开展火星采样返回任务提供可参考的火星上升器发射技术方案。关键词:火星采样返回;火星上升器;发射技术中图分类号:V 423.6 文献标志码:A 文章编号:2096-4641(2023)03-0066-11Review on Research Status of Mars Ascent Vehicle s Launching TechnologyZHANG Sheng1,TANG
3、Xiaofeng1,LIU Keping1,ZENG Yuanfan1,CHU Chenglong1,WU Zhiliang2(1.Shanghai Electro-Mechanical Engineering Institute,Shanghai 201109,China;2.Aerospace System Engineering Institute,Shanghai 201109,China)Abstract:Mars,a terrestrial planet which most closely resembles Earth in the solar system,may have
4、signs of life.Although existing exploration robots can conduct massive scientific investigations on Mars,they cannot replicate human scientists to study those samples in an Earth-based laboratory using advanced equipment.Therefore,the mission of Mars Sampling Return(MSR)has significant scientific va
5、lue.Unlike the moon and other small bodies,the atmospheric environment on Mars is extremely unstable which challenges the task of sending the Mars Ascent Vehicle(MAV)with samples safely and stably from its surface to its orbiter.The MAVs launching technology is critical to the success of the mission
6、.This paper has elaborated on the research status of MAVs launching technology and the technical characteristics of various existing launching methods,which could provide a reference for Chinese future Mars Sampling Return missions.Keywords:Mars sampling Return;Mars ascent vehicle;launching technolo
7、gy0引言火星是太阳系内除金星以外距离地球最近的行星1。由于与地球十分相似,火星土壤承载着丰富的科学信息,对于人类了解火星的演变历史及其生命存在的证据等具有重要作用2,因此火星采样返回任务是当今世界航天领域重点发展的任务之一。通过获取火星表面土壤及岩石样品返回地球进行研究,实现收稿日期:2023-07-03;修订日期:2023-08-04作者简介:张胜(1996),男,硕士,助理工程师,主要研究方向为发射装置设计。通信作者:唐晓峰(1982),男,博士,研究员,主要研究方向为热管理和发射系统设计。第 3 期张胜,等:火星上升器发射技术综述对火星的生命科学、地质环境、地层学、地质年代学、生物学和
8、表面环境的进一步理解,同时为未来载人火星飞行奠定技术基础和做好准备3。国外火星探测任务的科学目标主要围绕对火星演化历史和火星生命信息的探测及研究这两方面内容来制定4。自苏联1960年发射人类首个火星探测器,揭开火星探测的序幕开始,美国、俄罗斯、欧洲、日本和印度等国家/地区陆续开展了火星探测活动,取得了大量的探测成果和重大发现5。人类至今对火星先后一共进行了 47次探测,探测方式主要为飞掠探测、环绕探测、着陆原位探测、着陆巡视探测。其中,火星采样探测任务共计14次:美国8次,苏联2次,俄罗斯2次,欧空局1次,中国1次,成功实现采样的有10次6。目前,还未有国家成功实现火星采样返回任务。未来10年
9、的重点任务是火星采样返回,它对认知类地行星起源和生命宜居性、奠定未来载人登火基础具有重大意义7。“天问一号”探测项目迈出了我国行星探测的第一步,在国际上首次通过一次发射任务,实现了火星环绕、着陆、巡视探测,标志着我国成为世界上第二个独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家8。我国对火星探测的下一阶段目标将是采样返回,火星采样返回任务属于我国行星探测重大工程的规划任务,计划于2030年左右发射火星采样返回探测器,着陆火星表面,完成火星表面取样,并携带样品返回地球9。火星采样返回任务包含环绕返回探测器、着陆上升探测器两次发射任务。其中,火星上升器与着陆器组合成着陆上升探测器。火星上升器需经历从地球发射至
10、火星,再从火星表面起飞上升两个典型阶段。火星上升器(Mars Ascent Vehicle,MAV)从火星表面起飞并进入环火轨道,是火星采样返回任务的必要环节。起飞任务成功与否的一个重要因素在于发射技术的可靠性与安全性。火星上升器的起飞方式与其外形息息相关,国外已经研究了多种火星上升器的概念方案,从早期具有双组元液体火箭单级入轨式 MAV、单组元液体(NOFBX)推进器单级入轨式MAV、固液混合单级火箭到两级液体火箭、固-固两级火箭、固-液两级火箭等,火星上升器的概念构型进行了多次迭代优化10。喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory,JPL)的 Carl Guern
11、sey 提出利用 MMH/MON-25双组元推进器系统实现火星上升器从火星表面上升起飞的方案11,火星上升器质量最终估算下来为467 kg;欧空局为4 kg有效载荷设计的无人单级入轨式MAV同样采用MMH/MON-25双组元推进器系统,其发射质量达到919 kg12。与月面和地球表面起飞上升相比,火星表面的大气环境、引力场特性、起飞初始条件、长期低温贮存等特有约束要求火星上升器具备小型化和大干质比。为了提高可靠性和降低质量成本,马歇尔太空飞 行 中 心(George C.Marshall Space Flight Center,MSFC)分别研究了二级固体火箭和单级固液混合火箭构型,发现二级固
12、体方案相比于单级固液混合方案的起飞质量和系统复杂程度更低13,Boeing 公司和NGAS公司提出了两级液体火箭MAV方案,具有入轨精度高、灵活性好等特点14-15。JPL的Team-X团队提出了固-液两级火箭MAV,其发射质量为261.8 kg16。目前更成熟可行的 MAV 设计还是两级火箭设计。为了满足二级火箭构型的火星上升器发射任务,需要研究可靠的发射技术,该发射技术的主要任务是赋予二级火箭构型火星上升器规定的发射姿态和离架速度,从而确保火星上升器顺利地从火星表面起飞。火星上升器发射技术是火星采样探测任务中确保样品成功送至轨道器中的关键技术,关系到总体任务的成败。因此,研究火星上升器发射
13、技术具有非常重要的科学意义和工程价值。本文首先明确了研究火星上升器发射技术的必要性;其次,分析了国外火星上升器发射技术的类型和特点,并对其研究进展进行了概述;最后,对各类火星上升器发射技术方案进行了对比分析,以期为我国后续开展火星采样提供可参考的火星上升器发射技术方案。1火星上升器发射技术发展现状1.1倾斜热发射技术倾斜热发射技术(图1)是指发射时火星上升器的纵轴线与水平面有一定夹角(大多数为1080),并利用上升器尾部安装的助推发动机推动火星上升器的发射方式18。其发射支持系统由贮运发射筒、高低机、发控装置、温控装置等组成。发射前,启动发控装置使高低机工作,高低机带动贮运发射筒(内含火星上升
14、器)起竖到预定高低角度并锁定。发控装置接收上级指控系统指令,对火星上升器实施加电、信息交互、预装参数装订。当符合发射条件并接收到发射指令后,发控装置与火星上升器间依次实施转电、发动 67空天防御第 6 卷机点火等发射流程,上升器完成发射任务。在 美 国 航 空 航 天 局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)的“火星采样返回”计划(Mars Sample Return,MSR)引领下,美国洛克希德马丁公司对火星上升器系统进行了初步概念设计,提出了一种倾斜热发射支持系统19,该系统主要由集成热控系统的发射筒和发射机构等组成。发射筒
15、如图2(a)所示,通过筒面外围的铰接点安装固定于着陆器的发射平台上;图2(b)所示为火星上升器的待发射状态,通过保温筒上的起竖缸运动将火星上升器推至与水平面呈一定角度。火星上升器与发射筒之间的热量传递主要通过CO2气体传导,且CO2气体的状态是滞止的。为了防止强迫流动和自然对流现象,火星上升器需要封装在保温筒中并在间隙中填充保温材料。1.2垂直冷发射技术垂直冷发射技术(图3)是指发射时火星上升器的纵轴线与水平面垂直,并依靠弹射动力装置产生的外力,将火星上升器弹射一定高度后,发动机再点火的发射方式18。发射支持系统由贮运发射筒、高低机、发控装置、温控装置、弹射动力装置等组成。发射前,启动发控装置
16、使高低机工作,高低机带动贮运发射筒(内含火星上升器)起竖到垂直角度并锁定。发控装置接收上级指控系统指令,对上升器实施加电、信息交互、预装参数装订。当符合发射条件并接收到发射指令后,发控装置与火星上升器、弹射动力装置间依次实施转电、弹射动力装置点火等发射流程,上升器在弹射离开贮运发射筒筒口一定安全高度后,上升器发动机点火,上升器完成发射任务。美国Northrop Grumman-Jet Propulsion Laboratory团队开发了一种新型两级液体火星上升器,并提出了一种垂直冷发射地面支持系统21。该支持系统(图4)包括发射平台、起竖机构、发射筒、保温柜(Igloo)以及热控系统。图1MA
17、V倾斜热发射技术17Fig.1MAV oblique thermal launching technology17图2洛克希德马丁公司的MAV发射支持系统Fig.2MAV launching support system of LockheedMartin Space Systems Company图3MAV的垂直冷发射技术20Fig.3MAV vertical cold launching technology20图4Northrop Grumman团队的MAV发射支持系统Fig.4MAV launching support system of NorthropGrumman Aerospa
18、ce Systems 68第 3 期张胜,等:火星上升器发射技术综述1.2.1发射平台火星上升器在进入、减速与着陆前必须稳固地约束在发射平台上。发射平台上设置了3个位置,分别放置托架和卡箍带,提供刚性安装接口。火星上升器的前半段通过托架和卡箍带固定在保温筒内,托架设计能够为火星上升器的前半段提供均匀的负载分配,卡箍带设计能够为火星上升器提供径向约束,托架由薄壁钛制成,内衬隔热材料,以减少火星上升器的热量损失,卡箍带也采用钛材质。在发射前,保温壳通过分离释放装置打开,卡箍带通过爆炸螺栓进行解锁释放。1.2.2起竖机构如图5所示,起竖机构是一个单轴旋转装置,通过设置一对角接触轴承和单个向心轴承,为
19、火星上升器提供轴向和径向约束。该机构采用电机驱动,通过电机驱动旋转起竖机构至所需发射角度,其技术指标如表1所示。如图6所示,采用垂直发射方式,发射机构和保温筒固定在着陆器的发射平台上,通过电机驱动发射筒段和火星上升器起竖 90至发射状态,整个过程耗时20 min。1.2.3发射筒如图7所示,发射筒的主要任务是在火星上升器初始发射过程中起导向作用;其次,也可以为火星上升器在发射筒内长时间的火星表面停留期间起保温作用。发射筒圆柱内部夹层采用复合材料,使其能够在减轻质量的同时保持足够的强度,圆柱截面采用蜂窝芯结构设计能够起到有效的保温作用,发射导向由圆筒内部的聚四氟乙烯块提供。发射筒内部安装有聚四氟
20、乙烯块,在上升器的发射过程中起导向作用。图7MAV发射筒Fig.7MAV launch tube图5MAV起竖机构Fig.5MAV erector mechanism表1火星上升器起竖技术指标Tab.1MAV erector specifications参数扭矩/(Nm)质量/kg旋转角度/()功率/W驱动时间/min数值3 30024.5907520图6MAV起竖过程Fig.6MAV erection process 69空天防御第 6 卷1.2.4保温筒如图8所示,Northrop Grumman发射支持系统的热控制系统由主动温控与被动温控两部分组成。保温筒为圆柱形结构,其内部是一个铝蜂窝
21、结构,包裹着火星上升器(除去发射筒段),在白天吸收来自太阳的热量并在夜间减少热量损失,利用保温筒与火星上升器之间的气体作为隔热层(利用火星大气天然的低热导率),在火星上升器处于长时间的火星表面停留期间提供被动热控制。在着陆器内有一个主动温控系统(Temperature Control System,TCS),由一系列的电加热器组成,对火星上升器实施主动温度控制。1.3垂直热发射技术垂直热发射技术(图9)是指发射时火星上升器的纵轴线与水平面垂直,并利用火星上升器尾部安装的一级发动机推动火星上升器的发射方式18。其发射支持系统由贮运发射筒、高低机、发控装置、温控装置等组成。发射前,启动发控装置使高
22、低机工作,高低机带动贮运发射筒(内含火星上升器)起竖到预定高低角度并锁定。发控装置接收上级指控系统指令,对火星上升器实施加电、信息交互、预装参数装订。当符合发射条件并接收到发射指令后,发控装置与火星上升器间依次实施转电、发动机点火等发射流程,火星上升器完成发射任务。喷气推进实验室的 Shotwell 教授团队提出了一种采用火星车的垂直热发射支持系统(图10)23,发射筒在地球发射阶段以及飞往火星阶段处于锁定状态,在着陆火星表面后,发射筒垂直起竖呈待发射状态。该发射筒如图11所示,火星上升器通过一个或多个适配器悬挂于发射筒内,需要评估火星上升器所受载荷以及适配器在筒内的最佳位置,同时不影响火星上
23、升器的飞行空气动力学性能。适配器必须在地球发射阶段的+50 到火星表面的-80 温度环境中保持足够的预载荷,并且在火星上升器离开发射筒后能够便捷分离。发射筒本身是一个结构性装置,同时需提供火星上升器在静置状态时所需的环境温度。最直接的方法是发射筒外层粘接所需数量的保温材料,外层材料厚度范围为28 cm;也可以通过固定轻质量的镀铝聚酯薄膜覆盖层或者涂具有外表面的气凝胶层来实现,两者都将涂上/涂层,以最大限度地保温。NASA的Geoffrey A Landis团队设计了一套发射支持系统,该系统的发射方式采用垂直热发射技术24,如图12所示。该发射机构是一个单轴旋转装置,直接连接在火星上升器下端,通
24、过固定于样本返图8MAV保温筒Fig.8MAV lgloo conceptual design图9MAV垂直热发射技术22Fig.9MAV vertical thermal launching technology22图10JPL的MAV发射支持系统Fig.10MAV launching support system of JPL 70第 3 期张胜,等:火星上升器发射技术综述回着陆器(Sample Retrieval Lander,SRL)上的电机驱动旋转起竖机构至所需发射角度。1.4侧向冷弹射技术侧向冷弹射技术(图13)是指发射时火星上升器的纵轴线与水平面有一定夹角(大多数为030),并依
25、靠弹射动力装置产生的外力,将火星上升器弹射一定高度后发动机再点火的发射方式。其发射支持系统由保温柜、发控装置、温控装置、弹射动力装置等组成。当符合发射条件并接收到发射指令后,发控装置与火星上升器、弹射动力装置间依次实施转电、弹射动力装置点火等发射流程,火星上升器在弹射离开保温柜筒口一定安全高度后,火星上升器发动机点火,火星上升器完成发射任务。NASA的马歇尔太空飞行中心与喷气推进实验室联合开发了一种上升器设计概念(DAC-0.0),并提出了一种侧向冷弹射支持系统(图14)26。该支持系统包括弹射机构、保温柜(Igloo)以及热控系统。1.4.1弹射机构NASA的DAC-0.0 MAV采用侧向冷
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