火星探测器Word文件下载.docx

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火星是位于地球轨道外侧最近的一颗行星。

通过探索火星,人类希望建立第二家园和寻找地球以外的生命。

火星研究主要包括磁场、大气与气候、空间环境、地貌和水消失的痕迹等。

火星围绕太阳公转1年需687d,而地球围绕太阳公转1年365d,因此火星与地球每2年有1次靠近机会。

火星距地球表面最近处5.670*107km,离地球表面最远处3.5594*108km。

火星的光强仅为地球的43.1%。

火星探测器从发射至抵达火星轨道需飞行10.5~11.5月。

YH-1火星探测器将环绕火星轨道探测火星的空间环境,对火星的空间磁场、电离层和粒子分布及其变化规律,表面物质粒子等进行科学研究。

1.1.1任务功能

YH-1探测器的主要任务功能有:

研究火星的空间环境,如火星的弓激波和磁鞘等；

探测火星空间环境,包括火星磁层的形状与结构、各空间区域等离子体特性与分布；

火星电离层密度剖面，特别是首次探测正午和子夜电离层区域的特性及背阳面电离层的产生机制；

研究火星离子逃逸的物理过程、输运机制,探索火星表面水损失途径和机制,以及空间环境对可能存在的火星生命影响；

针对太阳风与有弱内禀磁场的火星空间环境的相互作用,开展比较行星学研究,以更好地认识地球的空间环境。

除自身的科学探测和光学成像外,YH-1火星探测器将与俄FGSC火星探测器联合进行首次国际火星电离层的掩星探测,如图1所示。

图中:

S1为大椭圆轨道的中方YH-1探测器；

S2为俄罗斯FGSC探测器。

掩星接收机接收俄FGSC飞行器上的信标信号,测量信号幅值和载波相位。

通过地面后处理,获得火星电离层的电子密度和总电子含量。

图1为YH-1与俄罗斯FGSC火星探测器开展掩星探测轨迹。

图1YH-1与俄罗斯FGSC火星探测器开展掩星探测轨迹

1.2组成

YH-1火星探测器有效载荷包括离子分析器I、II,电子分析器,掩星接收，磁强计A/B和光学成像仪I、II等8台有效载荷。

YH-1火星探测器由探测器本体和太阳电池阵组成。

探测器本体为六面体,外形长750mm*宽750mm*高600mm;

太阳电池阵展开后长6.85m,如图2所示。

通过甚长基线干涉测量（VLBI）测轨+多普勒单向测速方法获取空间位置参数以确定探测器轨道;

数传分系采用直接对地球通信方式。

高增益数传天线最大直径950mm。

探测器由综合电子及有效载荷数管计算机实现整星管理、运算和控制。

星体内部主要安装有效载荷、电源、姿控、测控数传和综合电子等分系统,星体外部安装有效载荷传感器、姿态敏感器、推力器、接收天线和发射天线等部件。

为满足有效载荷正常工作和深空通信对姿控的要求,探测器正常运行期间采用星敏感器+惯性基准测量姿态,由4个反作用飞轮组成零动量控制方式实现对日、对地、对火和对俄FGSC探测器定向的三轴稳定姿态控制。

图2YH-1火星探测器构型

1.3主要技术指标

探测器总体主要技术指标为:

发射质量小于115kg；

六面体；

功率,在轨运行段长期150W,短期200W；

大椭圆轨道；

轨道倾角0b~5b；

近火点高度400~1000km,远火点高度74000~80000km；

姿控采用零动量控制三轴稳定,氨气推进

；

电源采用全调节母线电源控制方式,双翼三结砷化镓太阳能电池,面积4.674m2,锂离子蓄电池；

测控数传,X频段,CCSDS规范;

31750CPU中央数据处理器；

板式结构；

被动热控为主，辅以主动热控；

可靠性0.65（寿命末期）；

寿命,暂定1年。

2.姿态轨道控制分系统

YH-1火星探测器是一颗三轴稳定控制卫星其姿态控制分系统以三轴稳定方式控制器体姿态进行火星成像（对火定向）、获取能源（对日定向）、对地数传（对地定向），以及控制器体指向空间的某一方位（掩星科学试验）等。

姿态确定系统根据控制模式采用不同的姿态确定算法：

在粗对日模式下通过星体模拟太阳角计获取姿态信息，在其他模式下根据陀螺测量信息计算姿态，并使用星敏作周期性修正。

姿态控制分系统主要使用反作用飞轮的比例积分微分（PID）控制和喷气开关控制。

此外，喷气执行机构还用于动量卸载。

2.1分系统特点

YH-1火星探测器姿态控制分系统工作模式的设置和分系统控制方案的设计与其任务要求密切相关。

与地球轨道卫星相比，火星探测器姿态控制分系统有以下特点：

ａ）因所处环境温度变化范围较大，系统单机须具备相应的适应能力，如飞轮能在-30℃低温下启动等。

ｂ）探测器本体安装有与地面通信的窄波束高增益天线，因此在稳态运行阶段须保持高精度的地球指向控制。

ｃ）YH-1火星探测器距离地球3.8亿千米，上行指令往返1次耗时约40min在初始分离轨阶段和长期在轨运行阶段，无法像常规地球卫星那样使用地面测控支持手段，需依赖系统的自主控制能力，维持在轨正常运行。

ｄ）当火星公转至某一特定位置，即太阳处在地球和火星连线的中间（日凌，如图3所示）而影响通信链路的畅通时，须保证探测器仍能安全运行。

ｅ）对质量的限制非常严格，以最少的部件组成高可靠性系统且满足各种性能要求。

图3日凌示意

2.2分系统组成

YH-1火星探测器姿态控制分系统由推力器6台、反作用飞轮4只、微机械陀螺4只、APS星敏感器2台和模拟太阳角计4只组成，如图4所示。

分系统单机质量见表1。

图4姿态控制分系统组成

表1姿态控制分系统单机质量

4只微机械陀螺采用三正交一斜装的安装方式，每只55g，功率不大于300mW，可测最大角速度10°

/ｓ。

该陀螺的特性受温度影响较大，零偏稳定性不大于20°

ｈ，全工作温度范围内零位变化不大于0.1°

4只反作用飞轮也采用小型化设计，安装方式与陀螺相同。

飞轮最大角动量0.1N*m*s，输出力矩不小5mN*m,轴承摩擦力矩不大于1mN*m,质量不大于1.1kg,星敏感器质量1.1kg。

4只模拟太阳角计为金字塔结构，每只质量不大于190g。

3.结构分系统

结构分系统作为探测器的服务分系统，负责将探测器各系统单机组装成有机统一的整体，并保证结构在各种环境载荷下的稳定性。

YH-1火星探测器搭载于俄罗斯福布斯-土壤火卫一（FGSC）火星探测器上，对质量的要求较苛刻。

卫星结构的质量比一般随整星质量的增加而减小。

目前，我国中等质量（约1t）卫星的结构比重为22%～29%而YH-1火星探测器总质量为115kg，结构分系统的质量指标为20kg，质量比仅17.4%。

此外YH-1火星探测器通过爆炸螺栓与FGSC火星探测器桁架适配器点式连接，要求基频大于40Hz，该刚度值约为常规卫星的3倍，一旦点式连接设计不当，极易造成结构刚度下降。

再者，YH-1火星探测器的主要任务是探测火星周围的磁场，携带的磁强计载荷要求星体剩磁矩不大于500mA*m2，结构分系统剩磁矩不大于,30500mA*m2,该指标远高于常规卫星结构分系统剩磁矩不大于150mA*m2的要求.因此,结构分系统的设计难度较大。

YH-1火星探测器结构分系统采用复合板式箱体结构,由本体结构和适配器两部分组成。

本体结构包括承力框架、层板和侧板。

承力框架（包括上下承力框架）为探测器的主承力结构，承担探测器载荷的主传力作用，同时将本体分隔成各自独立的综合电子模块区、电源模块区、推进模块区、载荷数管模块区和控制模块区2个、平台服务区2个。

承力框架为轻合金结构，采用T、L型板筋设计，通过机加工整体成型。

腹板厚度1.5mm，边缘翼板厚度4mm。

层板和侧板为比强度、比刚度较高的蜂窝夹芯板，由面板、蜂窝芯子和胶层组成。

铝面板厚度0.3mm，蜂窝芯采用有孔六边形蜂窝。

根据各板承担载荷的不同，底板、中层板、顶板、侧板的厚度分别为20，18，20,10mm。

桁架适配器为四组三角形桁架组成的方形刚架结构，由全铝合金焊接而成。

桁架适配器上法兰与器体的连接采用钛合金材料，可实现两者的隔热连接。

本体与桁架适配器用4组3-M8螺钉连接。

YH-1火星探测器结构如图5所示。

图5YH-1火星探测器结构

4.热控分系统

热控分系统为YH-1火星探测器提供合适的热环境，以确保仪器设备在不同的飞行阶段可靠地工作在规定的温度范围。

该探测器搭载于俄罗斯福布斯-土壤（FGSC）火星探测器上，从地球轨道向火星轨道转移的约10月内，YH-1火

星探测器处于俄方探测器过渡桁架内，不受太阳直照。

绕火星飞行期间，YH-1火星探测器经历8.8h的火星阴影，器外热流几乎为０，且无足够的能源进行加热补偿。

同时，分配给热控分系统的质量和功耗等资源有限。

这增加了热控分系统方案设计及产品设计的难度。

4.1设计难点

探测器的空间环境、姿态等的变化引起的外热流变化剧烈。

探测器从地球运行到火星轨道的10月内，太阳辐射强度从地球附近平均1367W/m2。

减小到火星附近平均589W/m2。

火星向阳面和背阳面温差约150℃，对YH-1火星探测器在近火点附近的外热流影响较大。

YH-1火星探测器绕火星轨道运行于大椭圆轨道，在近火点，远火点附近所接收的火星红外辐照和反照差异较大。

4.2方案设计

YH-1火星探测器热控分系统采用被动热控为主，电加热器主动热控为辅的设计方案。

热控措施主要有热管、涂层、隔热多层、电加热器、隔热垫块、导热硅脂等，如图6所示。

根据热控分系统设计准则、热控设计特点和探测器的工况分析，制定热控设计措施：

ａ）长时间巡航段，在探测器外的桁架上包敷隔热材料，YH-1火星探测器可处于较有利的外部环境。

ｂ）兼顾高低温工况，选取合适的散热面位置和大小，使器上单机的温度在各阶段和各工作模式下处于合适的温度范围。

ｃ）布局设计时发热较大的单机布置于散热面附近，发热小及对温度要求高的单机布置在探测器内部。

ｄ）进入长火影前，开启器内各单机和加热器，使器内处于较高的温度水平，以部分抵消长火影期器内单机的温降。

ｅ）局部隔热设计。

电池、飞轮、高稳定频率源的高效率工作对温度要求较高，设计中对电池、飞轮、高稳定频率源采用局部隔热并加热的方案。

ｆ）探测器等温化设计。

舱内表面、单机采用喷涂黑漆或黑色阳极化等温化措施，不使功耗大的单机温度过高、功耗小的单机温度过低，从而实现探测器的等温化设计。

图6YH-1火星探测器热控措施

5.电源分系统

电源分系统作为YH-1火星探测器在轨运行期间的主电源，是其重要的组成部分，是影响YH-1火星探测任务成败的关键之一.

因YH-1火星探测器搭载在俄罗斯的FGSC火星探测器上，发射升空后预定经历近11月的巡航段，期间FGSC火星探测器对YH-1火星探测器进行供电，两探测器间的供电接口将随之匹配。

为此对YH-1火星探测器电源分系统要求防浪涌抑制电路以适应FGSC火星探测器的供电接口要求。

因火星探测轨道的特殊性，在火星轨道上将受长期火星阴影影响，时间最长达8.8h，这是地球轨道卫星从未遇到的。

同时，因地火