攜帶螢火-1的“火衛(wèi)一-土壤”探測器未能按計劃變軌

□□俄羅斯時間2011年11月9日00∶16，搭載有我國首顆火星探測器—螢火-1的俄羅斯“火衛(wèi)一-土壤”火星探測器（Phobos Grunt），在拜科努爾發(fā)射場由俄羅斯天頂-2SB（Zenit-2SB）運載火箭發(fā)射升空。升空后由于“火衛(wèi)一-土壤”探測器在地球軌道運行時出現故障，未能按計劃實現變軌，螢火-1無法進入地火轉移軌道，有可能在2012年1月墜入地球大氣層。

“火衛(wèi)一-土壤”探測器是俄羅斯自1996年火星-96發(fā)射失敗以后的第一個火星探測項目。該任務的主要目的是采集火衛(wèi)一的土壤樣品并返回地球進行研究，同時對火衛(wèi)一、火星和火星環(huán)境進行科學探測。“火衛(wèi)一-土壤”探測器搭載了兩項火星探測項目，即中國的螢火-1探測器和美國的“微生物行星際飛行生存能力實驗”（LIFE）生物艙。芬蘭火星“氣象網”（MetNet）先遣任務原本也計劃搭載“火衛(wèi)一-土壤”探測器發(fā)射，但后來由于研制進度滯后和“火衛(wèi)一-土壤”探測器發(fā)射質量限制等原因被取消。整個“火衛(wèi)一-土壤”項目耗資達50億盧布（約10.5億人民幣）。

1 “火衛(wèi)一-土壤”探測器的科學目標

“火衛(wèi)一-土壤”探測器的發(fā)射質量為13500kg，原定任務時間為3年。

“火衛(wèi)一-土壤”探測器的科學目標如下：

· 火衛(wèi)一土壤樣品采樣返回，對火衛(wèi)一、火星和火星環(huán)境進行研究；

· 對火衛(wèi)一進行現場和遠程研究；

· 監(jiān)測火星大氣，如火星的塵埃風暴；

· 研究火星環(huán)境，包括輻射環(huán)境、等離子體和塵埃；

· 研究火星衛(wèi)星的起源及其與火星的關系；

· 探尋小行星撞擊對類地行星形成的影響；

· 搜尋火星過去和現在可能存在的生命跡象。

2 “火衛(wèi)一-土壤”探測器的構型

“火衛(wèi)一-土壤”探測器是在蘇聯(lián)1988年發(fā)射的“火衛(wèi)一”火星探測器的基礎上改進的。其主要變化有兩點：①在著陸系統(tǒng)與推進系統(tǒng)之間增加連接框架，取代原有的隔框，框架內放置螢火-1；②推進系統(tǒng)底部增加了可脫落燃料箱，增加了推進劑儲量。

蘇聯(lián)1988年發(fā)射的“火衛(wèi)一”火星探測器構型圖

“火衛(wèi)一-土壤”探測器的結構圖

“火衛(wèi)一-土壤”探測器與螢火-1質量分配

3 “火衛(wèi)一-土壤”探測器的有效載荷

“火衛(wèi)一-土壤” 探測器攜帶了4種有效載荷，包括導航與采樣儀器、表層土壤成分與內部結構探測儀器、火星環(huán)境研究儀器以及天體力學實驗設備。

“火衛(wèi)一-土壤”探測器在軌示意圖

“火衛(wèi)一-土壤”探測器導航與采樣儀器主要性能

“火衛(wèi)一-土壤”探測器表層土壤成分及內部結構探測儀器主要性能

“火衛(wèi)一-土壤”探測器火星環(huán)境研究儀器主要性能

“火衛(wèi)一-土壤”探測器天體力學實驗設備主要性能

“火衛(wèi)一-土壤”探測器與螢火-1的組成

4 “火衛(wèi)一-土壤”探測器搭載的火星探測項目

中國的螢火-1

“火衛(wèi)一-土壤”搭載了中國研制的螢火-1火星軌道器?；鹦枪欧Q“熒惑”，因此中國以諧音將其第一顆火星探測器命名為螢火-1。

螢火-1搭載在“火衛(wèi)一-土壤”上由天頂號運載火箭發(fā)射升空。原定在2012年10月進入火星引力場后，螢火-1與“火衛(wèi)一-土壤”分離，進入繞火星運轉的800km×80000 km、傾角為5°的大橢圓軌道。在此軌道上，螢火-1將自主完成對火星高層大氣和空間環(huán)境的探測，并與“火衛(wèi)一-土壤”聯(lián)合完成對火星環(huán)境的掩星探測。螢火-1的在軌工作時間原定為1年。

螢火-1外形尺寸為750mm×750mm×600mm，質量115kg，為三軸穩(wěn)定的六面體結構，由艙體、高增益拋物面天線和太陽電池陣組成。高增益天線拋物面直徑為950mm。探測器艙體內部裝有有效載荷、電源、姿控、測控數據傳輸、綜合電子等分系統(tǒng)；艙體外部裝有有效載荷傳感器、姿態(tài)敏感器、推力器、接收天線、發(fā)射天線（高、低增益天線）等。探測器由星上計算機實現整星的數據管理、運算和控制。

螢火-1的平均功率為90W，峰值功率180W，設計壽命為2年。高增益天線（S頻段）數據傳輸率為8～16bit/s，雙頻12W發(fā)送機（8.4GHz和7.17GHz）；低增益天線速率80bit/s（上/下行鏈路）。電源系統(tǒng)采用全調節(jié)母線控制方式；雙翼三結砷化鎵太陽電池，總長7.8m。熱控系統(tǒng)以被動熱控為主，主動熱控為輔。計算機采用31750CPU中央處理器，板式結構。為滿足有效載荷正常工作和深空通信對姿態(tài)控制的要求，采用星敏感器加慣性基準進行姿態(tài)測量，由4個反作用飛輪組成零動量控制方式，實現對太陽、地球、火星及“火衛(wèi)一-土壤”探測器定向的三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制（氨氣推進）。探測器的軌道確定應用甚長基線干涉（VLBI）測量網多普勒單向測速方法獲取空間位置參數。數據傳輸采用直接對地球通信方式，應用歐洲航天局（ESA）和俄羅斯的深空天線以及甚長基線干涉測量網。

螢火-1的主要科學目標如下：

· 研究火星磁場、電離層和粒子分布及其變化規(guī)律；

· 探測火星大氣離子逃逸率，探索太陽風和火星大氣相互作用對火星水體損失的影響；

· 探測火星地形、地貌和沙塵暴，拍攝火星和火衛(wèi)一表面照片；

· 探測火星引力場；

· 通過掩星探測，研究火星空間環(huán)境。

螢火-1示意圖

螢火-1和“火衛(wèi)一-土壤”探測器探測軌道示意圖

“微生物行星際飛行生存能力實驗”生物艙

“火衛(wèi)一-土壤”搭載的由美國行星協(xié)會設計的“微生物行星際飛行生存能力試驗”生物艙，目的是測試微生物是否能在近3年的星際旅行中存活下來。該實驗生物艙載有10種微生物和來自地球北極永凍地區(qū)的土壤。

螢火-1攜帶的有效載荷

為了最大限度減小“微生物行星際飛行生存能力試驗”生物艙對“火衛(wèi)一-土壤”任務的影響，生物艙為一個質量不超過100g、直徑為50mm、厚度為18mm的圓柱殼體。10種微生物樣品分別裝在30個小孔中，每種樣品的容積僅幾立方毫米。為獲得最好的研究效果，每種樣品準備了3份。此外，還準備了一個直徑為26mm的容器放置取自地球永凍地區(qū)的土壤樣品。

“微生物行星際飛行生存能力試驗”生物艙也引起了行星保護方面的一些爭議，有批評觀點認為該實驗違背了1967年的《外層空間條約》，實驗攜帶的微生物可能會對火衛(wèi)一或火星造成污染。如果“火衛(wèi)一-土壤”探測器失控撞上火星，該實驗攜帶的抗熱微生物有可能在撞擊和爆炸中存活下來。

“微生物行星際飛行生存能力試驗”生物艙結構

因故被取消的火星“氣象網”先遣任務

火星“氣象網”先遣任務是由芬蘭氣象研究所2001年啟動并開始研制的火星大氣環(huán)境的探測任務。該任務計劃向火星表面發(fā)送幾十個火星“氣象網”著陸器（MNL），目的是在火星表面建立廣泛分布的觀測網，對火星大氣結構、物理性質和氣象狀態(tài)進行研究。

火星“氣象網”包括一個全局范圍多點分布的表面探測器網，并通過在軌配套衛(wèi)星作為補充，觀測時間為2個火星年。為獲取較好的火星全局氣象圖，至少需要10～20個探測器觀測站點。

為驗證在火星表面全局布網（發(fā)射多個火星“氣象網”著陸器）觀測火星大氣的概念，芬蘭氣象局研制了“火星氣象網先遣任務”，計劃先發(fā)射1～2個火星“氣象網”著陸器?；鹦恰皻庀缶W”先遣任務作為搭載項目，原本計劃隨著“火衛(wèi)一-土壤”發(fā)射，隨后將在其他發(fā)射窗口發(fā)射更多著陸器，一直到2019年。但由于火星“氣象網”先遣任務研制進度滯后，且“火衛(wèi)一-土壤”2011年的發(fā)射窗口對發(fā)射質量有嚴格的限制，導致該搭載項目被取消。

火星“氣象網”先遣任務的進入、下降與著陸（EDL）過程

整流罩中的“火衛(wèi)一-土壤”探測器

“火衛(wèi)一-土壤”探測器的計劃飛行時間表

5 “火衛(wèi)一-土壤”探測器研制進展及意義

“火衛(wèi)一-土壤”探測器原定于2009年發(fā)射，但在臨近發(fā)射前數月，俄羅斯宣布，為了進一步保證該項目實施的可靠性，包括更精確地設計采樣設備，將發(fā)射時間推遲到2011年。

蘇聯(lián)/俄羅斯的火星探測之路非?？部溃诎l(fā)射“火衛(wèi)一-土壤”探測器之前，共向火星發(fā)射了18次探測器，其中發(fā)射失敗7次，任務失敗6次，只有5次獲得部分成功，任務部分成功率僅為27.8%，至今還沒有完全成功的火星探測任務。20世紀60～90年代，蘇聯(lián)/俄羅斯在社會、經濟領域經歷了一系列重大變革，火星探測活動從此陷入停頓。在過去幾十年里，蘇聯(lián)/俄羅斯一直在世界航天領域占據非常重要的地位，在一些方面都領先于美國和歐洲。然而近年來，出于各種原因，俄羅斯在航天領域的活動屢受挫折。此次“火衛(wèi)一-土壤”任務的失敗無疑使本就慘淡的俄羅斯火星探測之路雪上加霜?！?/p>