火星全球勘測者探測器

1996年11月7日,美國“火星全球勘測者”(MGS)在卡納維拉爾角由“德爾它”火箭成功發射,開始了為期10個月、航程6.69億公里的火星之旅,這標誌着,自“海盜”號以來,沉寂了20年的火星探測又掀熱潮。

自從1993年,“火星觀測者”抵達火星軌道即將開始探測之時丟失後,美國決心要重返火星,制定了系列探測計劃。第一項便是1996~2005年每隔兩年向火星發射一次“火星全球勘測者”。另外還有“火星探路者”,它雖然比GMS晚發射,但它走捷徑,將先抵達火星。俄羅斯、日本和西歐也不甘示弱,紛紛推出自己的火星探測計劃,如俄羅斯的火星-96、日本的行星B等。 ^[2] 

在MGS發射成功後,美國航宇局局長戈爾丁信心十足地宣佈:“如果向火星發射的軌道飛行器、登陸車和機器人中大多數能獲得成功,人類可能在2010年以後登上火星”。

“火星全球勘測者”發射質量為1060千克,相對“火星觀測者”的2250千克要輕得多。它將於1997年9月12日進入圍繞火星的橢圓形軌道,然後逐漸降低高度、脱離軌道進入火星稀薄的大氣層,並利用其像機翼一樣的太陽能電池板作為空氣制動器。從367公里的高空,勘測者上的遠攝照相機將能看清楚火星表面小汽車那麼小的物體。到一個火星年一地球上的687天一結束時,將繪製完火星99%的表面圖。 ^[2] 

全球勘測者是從環繞火星的軌道上觀測和研究火星表面,大氣層和磁場的情況,為此裝備瞭如下觀測設備:遠攝照相機,能從380千米高空軌道上拍攝分辨率達1.5米的圖像;廣角照相機,能拍攝分辨率為280米而視場為1400的廣角圖像;激光高度計,用以調查火星地形高度的分佈情況,其全球範圍的絕對精度達到30米,局部場所的相對精度達到2米,是研究火星地貌和引力場的得力工具;熱輻射計,用於測量表面的水含量,大氣温度與壓力,塵埃和沙粒的化學成分;磁力計,用於測量火星磁場情況。 ^[3] 

全球勘測者的另一項重要任務是無線電觀測。由勘測者向地球發射無線電波,由於二者之間的相對位置關係,無線電波將穿過火星大氣,其時大氣將起象透鏡那樣的作用,使無線電波的路徑發生微小變化。由此可以調查大氣的温度、壓力和化學組成。 ^[3] 

探測器質量為1030kg，長方體結構，尺寸為1.17m×1.17m×1.7m。探測器包括設備艙和推進艙兩部分，探測器兩側裝有太陽翼，太陽翼翼展12m。直徑1.5m的高增益拋物面天線安裝在沿平台一側伸出的2m支桿上。探測器採用三軸穩定，巡航主推進採用596N雙組元發動機，4組12個4.45N單元肼推力器用於姿態控制。電源系統包括功率為900W的太陽翼和2個20A·h的鎳氫蓄電池組。通信採用X和Ka頻段，包括1副高增益天線和2副低增益天線，上行為X頻段，下行為X和Ka頻段。科學數據下行最小數據率21.33kbit/s，工程數據以2kbit/s下行，緊急情況以lOkbit/s的數據率下行。熱控採用多層隔熱材料、熱輻射器和百葉窗。 ^[1] 

探測器攜帶的有效載荷包括火星軌道器相機、火星軌道器激光高度計、熱發射光譜儀、磁強計/電子反射計和無線電科學裝置。

美國航宇局的火星全球勘測者(MGS)探測器已在1997年9月11日減速進入火星軌道,現已開始利用火星大氣進一步減速,以進入最終測繪軌道。這是1989年1月前蘇聯的火衞-2進入火星軌道後,人類送到火星的第一個軌道器。火衞-2在入軌2個月後報廢。 ^[4] 

入軌過程中發生的主要事件包括:

(1)解除安全模式。地面控制人員9月1日關閉了探測器的“安全模式” ,以防因意外事件而使所有星上指令自動終止。不必要的“保險”措施有可能會使MGS停止執行入軌程序,從而毀掉整個探測任務。為此,控制人員只得不停地對衞星的運行狀況進行監控,並根據判斷做出反應。安全模式已在探測器完成入軌點火機動工作後1分鐘被重新啓動。 ^[4] 

(2)為主火箭發動機解除保險。遙測數據表明推進劑貯箱的再增壓在9月9日順利完成。探測器完成了首次軌道修正機動後,氦增壓劑就被切斷了,此後貯箱一直在以落壓方式工作。由於這一過程中推進劑的用量很小,所以餘下的氦的壓力下降不多,只從1862千帕下降到1620～ 1655千帕。

9月9日上午7時59分(太平洋夏季時間),一個爆破閥炸開,使四氧化二氮氧化劑貯箱與未增壓的氦管路接通。這裏的時間為地面上收到信號的時間,事件的實際發生時間是14分鐘以前(14分鐘為信號到達地球所需的時間)。該閥門是根據伽利略探測器上的經驗,為防止四氧化二氮煙霧損壞回止閥閥座和減壓器而加上的,沒設備份。

上午9時14分,氦閥被打開,兩個肼燃料貯箱和四氧化二氮貯箱在半分鐘內被重新增壓到1862千帕。

(3)重新啓動2號陀螺儀。探測器上有3個兩軸陀螺組,然而2號陀螺組在巡航飛行過程中出現了電機電流噪聲,所以被關掉了。9月11日下午4時31分,該陀螺儀被重新啓動,作為備份使用。這一措施果然起到了作用:隨後3號陀螺儀的Z軸出現了故障(後被證明是軟件上的缺陷),並被切換到了2號陀螺上。 ^[4] 

(4)把通信從高增益切換到低增益天線,關掉遙測而只進行X波段載波運行。由於高增益天線尚不能控制指向,入軌機動會使其指向偏離地球,所以需要使用低增益天線。只進行X波段運行是為了能產生更強的信號。上述變化發生在下午5時55分,設在加州和澳大利亞的深空網跟蹤站收到新信號的時間為5時59分。

(5)調整探測器指向,轉動太陽帆,為火箭點火工作做準備。這項工作於下午6時14分開始。

(6)利用推力667牛的主發動機開始進行入軌機動。此前該發動機已在空間點火工作過兩次,最近一次是在3月。本次點火工作從下午6時31分開始,當時探測器處在火星北極上空1490公里高度,運行速度為5. 09公里/秒。經過22分鐘,在將速度降低了973米/秒後,發動機關機。此次機動消耗推進劑283公斤,探測器上應該還剩下93公斤推進劑。機動過程中,探測器與火星最近時的距離為273公里。 ^[4] 

(7)探測器被火星遮擋住。下午6時43分,即在發動機進行入軌機動點火工作的過程中,因受火星遮擋,探測器信號消失。6時57分,即機動點火工作結束後約2分鐘,信號如期重新出現。

(8)高增益天線和遙測重新啓動。重新啓動發生在7時10分,1分鐘後捕獲到信號,表明探測器又重新指向地球,且除3號陀螺儀外工作狀況良好。 ^[4] 

所進入的初始軌道週期45小時,軌道遠地點高度5. 6萬公里,近地點250公里。通過氣動制動,探測器將最終進入350公里× 410公里的測繪軌道。軌道科學觀測已在探測器繞初始軌道運行一整圈後(9月13日,即第二個近拱點處)開始進行,並已發現了一個磁場。氣動制動已在9月16日在第三個遠拱點處開始進行。在這一點上,主發動機點火工作了6.6秒,使速度降低了4. 4米/秒,次日探測器到第四個近拱點時高度已降到150公里,即降入火星大氣的上邊緣以內。但在這樣的高度上大氣阻力仍不明顯。9月18日探測器上較小的反推控制推力器又點火工作,將速度降低了0. 8米/秒,估計次日第五個近拱點時高度將降至129公里。降近拱點操作共將分5步,到9月28日結束,使近拱點降至110公里。此後探測器將進入主氣動制動階段。探測器將結束氣動制動,提升近拱點,進入最終測繪軌道。 ^[4]