未來的火星飛機—美國新型火星大氣層進入探測器概念研究

王燕（上海航天技術基礎研究所）

未來的火星飛機—美國新型火星大氣層進入探測器概念研究

王燕（上海航天技術基礎研究所）

在美國航空航天局（NASA）先進概念研究機構（NIAC）的支持下，有關專家正開展一項新型火星大氣層進入探測器的概念研究。這種探測器類似于飛機，被命名為“代達利翁”（Daedalon），以古希臘傳統神化人物名字命名。它是一種可改變飛行翼的無人駕駛飛機，造價僅需2.24億美元，可以滿足2020－2040年發射窗口任務。

這種無人飛機探測技術較之傳統的著陸器和漫游車的現場勘查技術具有獨特的優勢。首先，探測范圍得以擴大。漫游車可對行星有限的區域進行現場勘查，而這種有動力的飛行器可全星球飛行，進行高分辨率可見光、紅外、熱、磁和中子等測繪。其次，著陸更加安全。這種飛行器可以現場勘查后，選擇最佳著陸區域著陸。此外，還可以對局部區域進行超高分辨率成像，并將數據傳送給主著陸器。

1 任務概述

在發射后的地球-火星（簡稱地火）巡航期間，由巡航級向“代達利翁”提供通信、電源，并進行軌道修正。“代達利翁”采用的是直接進入火星的方式，在進入火星大氣層5.5h之前，巡航級對著陸器加電，并從巡航級脫離。在進入火星大氣層最密集的階段，“代達利翁”拋掉防熱大底，帶著熱防護罩高速滑翔進入火星大氣層。飛行階段飛機翼需要變形，速度可以降到Ma為0.7，飛行高度500m。在整個飛行期間，“代達利翁”還要考察著陸點的情況，尋找最佳著陸區域。從防熱大底拋棄到著陸，“代達利翁”可持續飛行670km，完全能夠滿足繞160km的隕石坑飛行（如古謝夫隕石坑）。如果找到理想的著陸點，剩余推進劑還能穿越隕石坑。準備著陸期間，“代達利翁”可以在10m高度處飛行，2個下降助推 器幫助其輪子平穩著陸。著陸后，“代達利翁”展開2個太陽電池翼，并激活有效載荷。“代達利翁”還具備在火星表面巡視的能力，開展與類似火星車的巡視任務。

“代達利翁”火星飛機進入火星大氣層示意圖

2 系統設計

“代達利翁”火星飛機概念設計包括5個部分：有效載荷、著陸器、熱防護系統、巡航級和運載火箭。其中，有效載荷和熱防護系統參考傳統的設計，本文將重點介紹著陸器的設計。

有效載荷

“代達利翁”設計了一個獨特的有效載荷艙，目的是為了容納更多的有效載荷。在最初的設計中，“代達利翁”無法滿足美國第二代火星車“火星探測漫游者”（MER）的容量。然而，由于“代達利翁”任務不需要搭載可巡視的火星車，因為著陸器本身就可以巡視，因此只需滿足任務需要的硬件即可。“代達利翁”有效載荷只需和早期任務火星車上的有效載荷進行比較。“火星探測漫游者”有效載荷質量7.9kg，平均工作功耗為32W。美國第一代火星車“索杰納”（Sojourner）有效載荷質量1.4kg，平均工作功耗為2W。“索杰納”質量10kg，輸出功率為16W。“代達利翁”火星飛機可以容納“索杰納”量級的火星車。

“代達利翁”火星飛機與“索杰納”、“火星探測漫游者” 火星車有效載荷的功耗和質量對比

“代達利翁”火星飛機（左）與“索杰納”火星車尺寸對比

（1）總體指標

著陸器總質量250.4kg，其中干質量138kg，推進劑101kg，有效載荷12kg。飛行期間峰值功耗226W，火星夜晚和地火巡航期間平均功耗30W。

“代達利翁”著陸器質量分布表

“代達利翁”火星飛機的尺寸

（2）推進系統

著陸器的推進系統包括兩部分：巡航推進系統和下降推進系統。推進系統干質量12.5kg，推進劑100.6kg。點火時每個助推器的功耗大約5W。

巡航推進系統有2個36N助推器，比沖235s，分別位于飛機的兩側。在54min的低速巡航階段，著陸器約消耗90.7kg的單組元推進劑。助推器的選擇參考了飛行器穩定阻力狀態下的推力參數，阻力的估算參考了美國航空航天局現有試驗數據的升阻比和升力系數曲線。在相同的試驗條件下，升阻比為14.6，假設穩定狀態下飛行，飛行器阻力為64N，因此可選用2個36N的助推器。

下降推進系統包括2個安裝在底部的助推器，在飛行器準備著陸時的最后飛行幾秒鐘點火。這2個比沖235s、444N的助推器，使用0.2kg的單組元推進劑，可在火星表面軟著陸。攜帶的燃料可產生8.6m/s的速度增量，可滿足飛行器從10m高度安全著陸。

巡航推進系統和下降推進系統都使用相同的組件，包括推進劑貯箱和增壓貯箱。

“代達利翁”火星飛機推進系統

（3）電源系統

“代達利翁”的著陸器主要依靠太陽電池翼供電。在整個飛行階段，著陸器需要更多的電源，單靠太陽電池翼無法滿足。此外，著陸器還必須在火星夜晚維持一定水平的電源。為了滿足這些需求，著陸器的電源系統包括670Whr的NiH2電池。電源系統的最終部件包括電源控制單元、轉換器和電纜。

電源系統的質量分布較散，質量估算很困難，因此將該系統分成了4種模式：休眠模式、進入前模式、飛行模式和飛行后模式。休眠模式要維持在火星夜晚期間和地火巡航期間的電源供給；進入前模式是防熱大底從巡航級拋掉開始，直至進入火星大氣層的5.5h；飛行模式是指低速飛行期間；而飛行后模式是指著陸后表面操作階段。

著陸器的電源系統總質量47.9kg。在巡航期間和火星夜晚工作期間，還需要借助儲能電池，電池可提供670Whr的電源。太陽電池翼的尺寸是按照飛行后模式來計算的。根據CAD模型，1.5m2的太陽電池翼可以安裝在“代達利翁”機身軸上。此外，還有2個0.5m2的太陽電池翼在著陸時會展開。太陽電池陣貼有15%效能的砷化鎵（GaAs）電池。太陽電池翼對于飛行模式下的供電起到了很大作用，大大減少了電源系統的質量。

（4）結構系統

結構系統是“代達利翁”著陸器非常具有特色的系統，包括變形翼、垂直尾翼、機身、推進劑吊艙、著陸變速機構、著陸變速輪電機、變形翼和著陸變速機構的增壓貯箱。

著陸器變形翼的外形設計是最具挑戰性的。變形翼的大小與3個參數有關：翼展、高速飛行和低速飛行。高速/低速狀態下的升力系數和飛行速度的估算基于之前火星飛機的相關文件。在綜合考慮火星大氣密度和飛行器質量的情況下，這些數據可以算出俯視面積。由于翼展跨度大，變形翼的基本結構質量要采取低速飛行的構型，大約為4.66kg。

佐治亞州空間技術系統實驗室設計了變形翼的構型，采取了增壓艙、套疊和旋轉翼梁的設計方案。在這種設計方案中，通過操縱具有旋轉和套疊能力的變形翼梁達到變形目的。

變形翼本身沒有骨架，但有一個可與翼梁套疊的骨架。翼梁系統由6個旋轉翼梁組成，2個翼梁沿縱軸方向，4個較小的翼梁從探測器方向向下伸展，支撐變形翼。變形翼的構型包括主結構，此外還有致動器、變形翼梁，以及增壓艙和氦氣艙。變形翼的功率很小，飛行狀態時只需7W。

“代達利翁”的著陸器電源模式

變形翼的關鍵設計要素

結構部分還包括起落架、輪子和撐架。起落架的質量約為2.1kg。此外，還有0.2kg的增壓艙和著陸前充氣的氦氣，巡視用的電機質量6.7kg。3個電機可以提供37.3Nm的扭矩，相當于直徑為0.37m的車輪可以越過0.09m的障礙物，移動時電機功率為18W。結構與機構系統總質量為33.8kg。

（5）其他

制導導航與控制系統包括慣性測量單元（IMU）、雷達設備、飛行敏感器、陀螺和2臺導航相機。指令與數據處理系統控制制導、導航與控制系統的導航設備，但計算機設備的質量不屬于制導、導航與控制系統。制導、導航與控制系統質量3.6kg，休眠模式時，該系統設備全部關閉。“代達利翁”著陸器在與巡航級分離后，其上的慣性測量單元、敏感器、陀螺開始加電；飛行期間，所有設備全部正常運行。著陸后模式中，雷達關閉。

指令與數據處理系統（C&DH）包括星上計算機，該系統質量3.2kg，峰值功率20W。休眠狀態期間，保持正常功能情況下，需要40%的電功率。

通信系統使用的是512kbit/s特高頻（UHF）的信道與在軌中繼衛星通信。飛行期間，該衛星是其巡航級。隨著巡航級進入自由飛行軌道，著陸器就得依靠這顆中繼衛星與地球保持通信。星上設備（包括星上應答機、功率放大器、雙工器、鞭狀天線、電纜等）總質量4.3kg。

高速和低速飛行狀態下的變形翼構型

著陸器的發射功率為2.8W，“代達利翁”與中繼衛星之間的信噪比為11.8dB。飛行期間和著陸期間，通信系統將使用峰值功率。在休眠狀態和進入后狀態，通信系統關閉。

“代達利翁”的熱控系統將在整個任務期間為飛行器提供適當的溫度，熱控系統5.0kg，功耗約為4.3W。

防熱系統

在“代達利翁”的著陸器與巡航級分離之前，熱防護系統承擔了著陸器與巡航級之間的通信任務。后防熱罩繼承了傳統的火星探測器防熱系統設計，如“火星探路者”（MPF）、“火星探測漫游者”以及“經濟可承受快速響應航天運輸系統”（ARES）計劃。這使得“代達利翁”防熱系統設計更加容易，其進入時防熱系統設計直徑為2.65m，質量250kg（包括25%的邊界余量）。絕熱層安裝在變形翼底部，在進入時被拋棄，變形翼改變成高速飛行狀態下的構型。絕熱層面積約6.1m2，質量31kg。

巡航級

巡航級的功能是為“代達利翁”在地火巡航段提供電源、通信和軌道修正的能力。巡航級在進入行星轉移軌道后，額定功耗367W，在此之前最低功耗為232W。巡航級直徑2.65m，與防熱系統垂直。

巡航級包括推進系統，電源系統，結構與機構系統，制導、導航與控制系統，指令與數據處理系統，通信系統，熱控系統。在行星轉移階段，巡航級額定功耗367W，發射階段功耗232W，直徑2.65m。巡航級干質量291kg（包括25%邊界余量），推進劑55kg，有效載荷549kg，整個系統896kg。

3 結束語

“代達利翁”火星飛機是美國航空航天局一種新型的火星可變形的無人駕駛大氣層進入探測器。這項概念的新穎性并不僅僅在于其獨特的變形翼技術，更重要的是它是一種可用于行星探測的飛行器。這種類型的飛行器具有相當靈活的操縱性能，可滿足進入、飛行、著陸和巡視等功能。由于同時具備飛行和著陸的能力，因此能夠在飛行過程中選擇理想的著陸點。使用變形翼技術的目的在于使得進入時具有飛行的功能，同時增強其氣動性能。“代達利翁”不僅技術可行，而且成本低廉，美國航空航天局已經將其選為未來火星探測可行的技術方案。