国外行星探测进入器发展综述

航天 · 2016-11-22 23:53:19

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空间技术的发展使人类逐步掌握了向太阳系的行星发射探测器，进入其环绕轨道，以及进入其大气，在其表面着陆，从而实现了就位探测、巡视探测和采样返回。在人类50多年的深空探测过程中，美国、苏联/俄罗斯、欧洲、中国、日本、印度等国家和组织先后发射了约234个深空探测器，已探测的太阳系天体有月球、火星、金星、木星、水星、土星、天王星、海王星和冥王星，实现了月球、火星、金星、土卫六、小行星和彗星着陆，并实现了月球、小行星及彗星粒子采样返回。

2004年登陆的美国机遇号火星车目前仍在火星表面进行巡视探测　　在以往的行星探测任务中，基本的探测方式主要有采用轨道器进行遥感探测，采用着陆器和巡视器进行就位和巡视探测。然而，这些探测方式探测的区域有限，例如，着陆器探测范围为几平方米，巡视车为几平方千米的范围；而且着陆场所只能选在相对平坦的区域，这大大限制了对一些具有重要科学价值区域的探测。特别是，未来深空科学探索需要进行更广泛区域的无障碍探测，以全面了解行星大气、表面及内部结构。　　对于一些具有大气层的太阳系行星，例如，火星、金星、木星和土星及其卫星等，行星探测器可以进入这类行星的大气层，通过利用该行星的大气阻力实现探测器的减速，并在其表面安全着陆。也可以利用探测器的大气进入过程，对该行星大气进行各种探测研究，获得关于该行星的大气成分及气候信息，揭示行星大气演化过程，建立行星大气模型，以及为未来的行星探测器设计提供真实数据。深空探测器进入行星大气层的部分称为进入探测器（EntryProbe）。从广义看，着陆器/巡视器、浮空器（气球/飞艇）都属于行星进入器的范畴。　　太阳系中，除了地球以外，有大气层的星体有7个：金星、火星、木星、土星、天王星、海王星和土卫六，其中，火星、金星、木星系和土卫六是未来深空探索的重点探测目标。　　空间技术，特别是空间机器人技术的发展，将大大改变未来行星探测的格局。对有大气星球的探测，国外近年来涌现出多种探测平台概念和方案，主要可以分为行星气球、飞机和飞艇。另一类是对有液体表面星球的探测，如土卫六，提出了行星漂浮器的概念。　　行星气球、飞机和飞艇又可以统称为行星浮空器，它们可以执行星体表面测绘、行星大气原位测量、表面采样和投放着陆器等多种任务。作为大气原位探测和大气环流研究的重要平台，行星浮空器可填补轨道器和表面巡视器之间的分辨率/覆盖范围的空白，还可以作为行星区域巡航平台向感兴趣区域投放微型探测器和提供通信中继。此外，有动力飞艇还能够进行可控全球飞行，部署行星表面网络站，以及投放表面仪器进行样品采集。此外，太阳能加热气球还能用作行星着陆时的大气减速装置等。　　迄今，人类探测最多的太阳系内有大气的行星是金星和火星。其中，探测火星的任务为42次；探测金星的任务为41次。其他行星中，8个探测器探测了木星，其中1个进入木星轨道，另外7个飞越了木星；4个探测器探测了土星，其中1个进入土星轨道，另外3个飞越了土星；2个探测器探测了水星，其中1个飞越水星，1个进入水星轨道。2015年7月14日，美国“新视野”飞抵太阳系最远的冥王星，使人类完成了太阳系原九大行星的探测。　　1.金星大气进入、下降及着陆技术的发展概况　　截至2014年底，全世界共发射41次金星探测任务，其中苏联32次，美国7次，欧洲和日本各1次。早期的金星探测集中在1989年之前，共发射39次。最近的2次金星探测任务分别是欧洲航天局（ESA）于2005年11月发射的“金星快车”轨道器和日本于2010年5月发射的“拂晓”金星探测器，其中“金星快车”在轨运行达8年之久，于2014年12月22日因燃料耗尽与地球失去联系坠入金星大气；“拂晓”探测器因故障未能进入金星轨道。　　金星大气进入过程　　金星进入器进入大气层后的急剧减速过程主要在40km以上高度完成，40km以下高度的减速可采用降落伞完成。以苏联的金星－9进　入及着陆器为例，来阐述金星大气进入的基本过程。　　金星大气漂浮　　金星的大气分为上层、云层和下层3个层次。500～100km为上层较稀薄的大气，在太阳风作用下形成电离层；100～50km为浓密的云层（对流层），大气密度比地球大气浓密100倍；50km以下为下层，主要成分为二氧化碳、氟和氢氟酸，下层大气高温高压（表面温度达465℃，92个大气压），极大地限制了表面着陆器的寿命。而高度55km的对流层环境较为温和，温度30～40℃，与地球对流层很相似，该区域最适合利用气球（或飞艇）进行探测，苏联“维加”气球的飞行高度为54km。　　金星探测发展趋势　　　　早期金星探测任务密度大，但形式单一。未来金星探测的任务形式和手段将转向多样化发展，探测器规模呈增大趋势。空间技术的进步和探测手段的不断丰富，将为开展金星环绕、进入及大气层内探测组合的综合探测，获得更多的科学新发现提供很好的基础和可能。特别是针对金星大气稠密的特点，将出现浮空器、大气层内主动飞行器等多种探测平台。　　2.火星进入、下降及着陆技术的发展概况　　截至2014年底，美国、俄罗斯、欧洲、日本及印度向火星发射了42次火星探测器，任务成功或部分成功22次。随着航天技术的进步和成熟，20世纪90年代以来的火星探测取得了巨大成就。

美国“海盗”在火星着陆示意图　　美国已掌握了多种火星进入及着陆技术，大气进入控制能力和着陆精度大幅提高　　　　美国从“海盗”计划开始实施火星进入、下降及着陆任务，其技术方案继承了当时的“勘测者”月球着陆任务以及“阿波罗”登月飞船获得的成功经验，其火星着陆主要技术包括70°钝锥体的着陆舱外形、支腿式缓冲机构、超声速盘缝带伞、制动发动机。而随后研制的火星着陆器又大都继承了“海盗”的研制经验。

好奇号通过降落伞和“空中吊车”方式在火星表面着陆　　苏联/俄罗斯火星进入及着陆任务仅获得部分成功　　苏联/俄罗斯是世界上最先开展火星探测活动的国家，于1960年发射了世界第一个火星探测器。由于火星环境复杂、任务风险高，苏联/俄罗斯的火星探测任务大部分都以失败告终。　　火星探测大气进入及着陆技术总结及其发展趋势　　火星着陆器从进入火星大气到真正着陆所经历的时间最短约为380s，最长为460s，即平均7min左右。这是整个火星任务中最危险、最重要的环节，人们将登陆火星的最后7min称为“恐怖7分钟”。火星上稀薄的大气和复杂的表面环境给航天器的下降和着陆造成了极大的困难，例如，稀薄大气下的超声速开伞减速、进入过程的过载加热、最终着陆阶段的危险规避等。　　3.木星探测及进入器的发展概况　　目前，只有美国发射了2颗木星探测器，另有7颗探测器以“路过”方式飞掠了木星，飞掠木星的探测器包括先驱者－10和11、旅行者－1和2、“尤里塞斯”、“卡西尼”和“新视野”，它们是在飞往目标途中进行木星借力飞行。美国1989年发射的“伽利略”是首个进入木星轨道的探测器，并向木星大气释放了大气进入器，以48km/s的高速进入木星大气，并在下坠过程中探测了木星大气的成分和物理特性。美国又于2011年8月发射了“朱诺”木星探测器，预计将于2016年进入木星极轨道。

“伽利略”向木星表面释放进入器示意图　　4.土星探测及进入器的发展概况　　土星与木星同属太阳系中的巨行星，其大小和质量仅次于木星。土星的体积是地球的745倍，质量是地球的95倍，但土星的平均密度在八大行星中是最小的，比水还轻，约为0.7g/cm3。土星表面的重力加速度与地球差不多，为地球的1.07倍。

“卡西尼”轨道器向土卫六释放“惠更斯”进入器

“惠更斯”进入器的下降、开伞及着陆过程

着陆后的“惠更斯”进入器　　上文选自《国际太空》，如有需要请查阅该期刊。

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