清疯

日本作为航天大国在空间探测领域一直以来有着诸多不俗的表现，它是世界第四个发射人造地球卫星的国家（大隅号卫星），是亚洲第一个进行“行星际探测”的国家（哈雷彗星探测器），是亚洲第一个进行月球探测的国家（飞天-羽衣号月球探测器），是世界第一个进行小行星采样返回探测的国家（隼鸟号小行星探测器），一系列纪录的刷新与创造使得日本成为无可争议的航天大国。



飞天-羽衣号月球探测器



隼鸟号小行星探测器

然而进入21世纪以来，空间探测领域日本在月球与火星探测上却鲜少发力，上世纪末曾发射希望号火星探测器，遗憾的是这个探测器最终没能进入环绕火星轨道，本世纪第一个十年也发射了月亮女神号绕月探测卫星。实际上自希望号火星探测器之后，日本深空探测就已经开始战略转向小天体探测，先后发射了隼鸟号 、隼鸟二号两个小行星采样返回探测器，取得了具有国际影响力的骄人成绩。



未能进入环绕火星轨道的日本希望号探测器



月亮女神号探测器

深空探测战略转向说明日本作为东亚文化圈的一员，它深谙田忌赛马之道。空间探测需要强大的财政后盾，而其用于该领域的预算也只有NASA的十分之一左右，这就使得日本必须“量力而行”。



隼鸟二号小行星探测器



隼鸟二号拍摄的龙宫小行星

比如火星的着陆与巡视探测所需探测器规模大、技术难度高，且大量的地面验证配套设施需要消耗巨量的资金，月球采样返回任务同样如此。在这样的背景下，要想在空间探测领域有所建树，就只能选择一些小而美的项目。



天问一号火星探测器着陆平台

在“地外天体着陆综合试验场”进行着陆测试当下，世界两大头部航天强国都已经瞄准火星采样返回任务，且皆计划于2030年左右完成。日本航天又该作何选择？



“火星采样返回”续写星际航行新高度

空间探测有着先天的“科学”属性，这也让一些人认为，太空探索不像大航海时代那样以战略为主导，它应该是属于全人类命运的一个纯科学问题，著名主持人鲁健曾就此问题向人民科学家荣誉称号获得者叶培建院士发问。叶院士当即斩钉截铁地说道，不对，我不同意这个观点，举一个简单例子来说，现在两碳问题非常热门，碳达峰，碳中和，如果我们没有很好的空间技术，别人说你碳不达峰就不达峰，说你碳达峰就碳达峰，说你有多大的污染就有多大的污染，你讲不清楚，如果我们自己没有进行碳达峰碳中和的监测空间系统，我们就很被动。叶院士基于现实利益博弈的举例还是比较婉转的，其实空间探测所触及的影响因素远不止如此。



嫦娥五号月球采样返回探测器

时至今日依然有一小撮人认为，嫦娥四号代表人类首登月球背面、嫦娥五号月球采样返回、天问一号一步实现火星绕落巡等探测项目都是在“毫无意义的刷纪录”，且不说他们无视这些项目的科学价值，究其根本这是“战略短视”的表现。然而，有着“工（躬）匠精神”美名的日本将告诉他们，这些纪录真的是“很香”。在本世纪第二个十年中期，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）就针对“火卫一采样返回任务”展开了预先研究，后来经过多个研发阶段后，前不久JAXA批准了代号为“MMX”的火星卫星探测项目正式立项，该探测器初步预定的发射时间是2024年。MMX火星卫星探测项目旨在实现“火卫一采样返回”工程目标，这将是日本航天的再一次“换道超车”，他们毫不避讳地用“世界首个壮举”来描述此项任务的意义：



日本的火星卫星“火卫一”采样返回任务

火卫一是火星的“月亮”，与地球的月亮不同，这颗天体规模很小，平均半径只有11.1公里，与小行星体格相当。因此，MMX火卫一采样任务仍旧在日本航天“小天体探测战略”范畴内。相较于货真价实的“火星采样返回任务”而言，火卫一采样返回任务避开了火星大气进入、火面采样、火面发射起飞、环火星轨道交会对接等一系列世界级工程难题，同时也意味着此项任务的耗资会少得多。虽有“取巧之嫌”，然而此项任务对于日本航天而言依然有着不小的挑战。



火星的卫星“火卫一”

随着MMX火卫一采样返回任务的实质性推进，越来越多的信息开始浮出水面，使得我们能够一窥究竟。预计到明年该探测器将交付地面验证，研究此项任务对于我们实施真正的火星采样返回任务也有相关技术的借鉴与验证价值。基于最低能量地火转移需求，自地球出发每隔26个月出现一段发射窗口。日本MMX火卫一采样返回探测器（为便于行文后文统称“MMX探测器”）发射窗口选择的是两年后的2024年9月，届时它将由H-2B火箭升级型号H-3运载火箭在种子岛宇宙中心实施发射。



H-3型运载火箭的四种变体构型

H-3型运载火箭有四种构型，分别是H3-30S、H3-22S、H3-22L、H3-24L，“H3”是火箭型号，后缀数字与字母指代不同的变体构型。型号名称后第一个数字表示一子级LE-9氢氧发动机的数量，紧随其后的第二个数字表示助推器的数量，最后的字母表示火箭整流罩的长短版本，“S” 是短整流罩，“L”是长整流罩。四种构型中最大运力型号是H3-24L（四助推长整流罩构型），该型号也将是日本MMX火卫一采样返回探测器的承运火箭。火箭采用二级半构型设计，高63米，芯级直径5.27米，起飞质量约574吨，地球同步转移轨道运力7.9吨。H-3型火箭在运力指标上对比H-2B型火箭并没有大的升级，但在发射准备时间以及发射成本上做出了改进。该型火箭目前由于LE-9氢氧发动机出现涡轮颤振问题，导致首飞任务推迟，目前尚没有明确的首飞时间。



H3火箭用于首飞测试任务的是“H3-22S”构型

MMX探测器发射质量约3吨，由地火转移模块、火地转移模块、着陆平台三大舱段组成。“地火转移模块”负责地火转移飞行期间的轨道控制，以及进入环火轨道的减速制动；“火地转移模块”是主控舱段，在火卫一着陆、火星环绕探测、火地转移返回、样品再入地球大气层等任务中发挥主要作用，该舱段配置有“样品返回舱”；“着陆平台”在着陆火卫一任务中发挥主要作用，配置有多台科学探测载荷，以及样品收集装置，该模块底部配置有一辆计划在火卫一表面开展巡视探测的“漫游车”。



MMX火卫一采样返回探测器，由左至右依次是地火转移模块、火地转移模块、着陆平台。

深空探测是大系统工程，探测器的每一处设计都不是不切实际的天马行空，而是基于需求权衡利弊的结果，MMX探测器的设计就证明了这一点。如果一切顺利，到2024年9月，H-3运载火箭将携MMX探测器升空。与嫦娥系列着陆探测器不同，该探测器的着陆腿在发射段是朝上布局，这是因为其轨控发动机并不在着陆平台方向，而是相反的方向，同时为省去探测器在器箭分离后的大幅度调姿，因而采用此布局方案。



MMX探测器倒置于火箭星箭连接基座上（效果图）



MMX探测器与H3-24L火箭“器箭分离”（效果图）

器箭分离后首先要做的是展开太阳翼，该太阳翼的设计也是几经曲折。早期他们计划在探测器上应用电推进系统，但这需要更多的电力支持，而火星比地球距离太阳更远，如此设计将需要更大面积的太阳翼，这将为着陆火卫一带来麻烦，因为大面积的太阳翼可能导致着陆器倾覆，太阳翼触地的风险也大大增加，所以没有选择电推进系统。



MMX探测器太阳翼早期设计

决定使用传统化学推进剂后，意味着探测器重量的增大，为了减重他们曾考虑使用柔性太阳翼，但是柔性太阳翼刚度不足，在接触火卫一时仍然有较大概率的倾覆风险，因此柔性太阳翼设计再次被剔除，进而采用了刚性太阳翼。由于需要较大面积的太阳能电池布片，所以采用了二次展开设计，以确保拥有足够的展开面积。



MMX探测器刚性太阳翼二次展开设计

太阳翼展开到位后，紧接着就是展开着陆缓冲机构。此次任务不同于日本航天此前进行的两次小行星采样任务，火卫一的引力虽然对比地球或者月球要小得多，但仍旧比这两个小行星大得多，因而不能再选择短暂触地再复飞的着陆方案，所以着陆腿就成了必需品，因此MMX探测器也将成为日本航天第一款配置有着陆腿机构的探测器。



展开着陆腿

在着陆腿数量的选择上他们也曾有过纠结，NASA早期勘测者系列无人月球着陆器曾采用三着陆腿设计，而阿波罗登月舱，以及嫦娥系列着陆器都是四着陆腿设计。



NASA勘测者-3月球着陆探测器



着陆月球背面的嫦娥四号着陆器三着陆腿的优点是结构质量更小，且所有着陆腿都始终与星球表面接触，但着陆稳定性明显弱于四着陆腿设计，这就好比三轮车稳定性弱于四轮车一样。加上火卫一引力小，采用三着陆腿设计导致倾覆的概率更大，所以最终四着陆腿设计方案被采纳。



MMX探测器热真空测试

完成着陆机构展开后MMX探测器将经过若干次轨道修正与深空机动，最终于2025年8月到达火星，可以看到其整个地火转移飞行周期长达11个月，与之对比天问一号探测器的地火转移是6个月，前者多出了将近半年时间，这是为什么呢？最核心的原因是H-3火箭奔火轨道运力不足。抵达火星后在姿控发动机作用下探测器开始调姿，由着陆腿朝向飞行方向改为轨控发动机朝向飞行方向，紧接着4台500N轨控发动机点火制动，经过十几分钟点火减速后探测器进入环绕火星运行轨道。



MMX探测器进入环火轨道前调姿



MMX探测器地火转移模块

轨控发动机点火制动减速进入环火运行轨道后“地火转移模块”将被分离抛弃，MMX探测器也会像天问一号一样进行远火面机动，目的是调整轨道倾角，再之后就是若干次近火制动以降低轨道高度，进而接近火卫一。



分离地火转移模块前文已经提到火卫一引力很小，大约相当于地球引力的两千分之一，这就意味着探测器不可能依靠火卫一的引力实现对它的环绕运行，怎么办呢？这时候就需要设计“准卫星轨道”，通过调整探测器环绕火星运行轨道的近火点与远火点，进而达到既能环绕火星运行，又能对火卫一环绕运行的效果。准卫星轨道在以往的航天任务中有着较为广泛的应用，比如神舟七号载人飞船、天宫二号空间实验室都曾释放伴飞小卫星，两个伴飞小卫星皆对主航天器实现了绕飞。



伴飞小卫星拍摄的神舟七号

以神舟七号任务为例，伴飞小卫星经过变轨后远地点比神舟七号高2000米，近地点比神舟七号低2000米，两个航天器在同一轨道面，且绕地球运行轨道的半长轴相等，这意味着轨道周期相等，在这样的条件下以神舟七号为参照，伴飞小卫星形成了相对神舟七号的椭圆运动轨迹，从而实现了绕飞工程目标。日本隼鸟号、隼鸟二号两个小行星探测器也是基于准卫星轨道实现对小行星的绕飞。MMX探测器实现绕飞后将对火卫一进行成像，进而选择着陆点，然后就是择机实施着陆行动。值得注意的是该着陆器与嫦娥系列着陆器不同，前者并没有配置着陆主减速发动机，而是主要依靠着陆腿缓冲消解着陆冲击能量，还是因为火卫一引力小，加之探测器与火卫一轨道周期相同，使得接地速度并不大。



MMX探测器着陆平台并没有配置主减速发动机

话说“着陆平台”还配置有一辆由德法联合研制重量约30公斤的小型漫游车，它将如何踏上火卫一的表面呢？



着陆平台底部配置的“火卫一漫游车”

该漫游车的登陆方法确实是有些粗暴，它将在距离火卫一约40至100米距离释放以自由落体的方式着陆，由于火卫一引力很小，所以即便是自由落体式的着陆也仅相当于地球5厘米高度自由落体所产生的冲击能量。漫游车可以以任意姿态触地，触地后会产生各种可能的翻滚，待翻滚结束后漫游车将伸展四肢，即展开车轮、太阳翼、对地通信天线等设备，然后开始为期3个月的火卫一巡视探测。



火卫一漫游车自由落体式着陆



火卫一漫游车展开



火卫一漫游车跌落测试MMX探测器将在姿控发动机、激光测距敏感器与视觉相机帮助下实现自动避障着陆于火卫一表面，着陆后它需要在2.5小时内完成采样任务，此时着陆平台底部的机械臂将开始工作。机械臂末端配置有圆柱形取芯器，该采样装置被要求采集至少2厘米深度的风化层物质。



MMX探测器着陆火卫一（效果图）



火卫一采样着陆平台还在一条着陆腿上配置有备份采样装置，这是一台气动采样装置。一旦探测器着陆在岩石表面，主采样装置届时将无法作业，由美国HBR公司研制的这台气动采样装置可以将火卫一表面的土壤推入样本容器。



MMX探测器载荷设备分布图

完成样本采集后探测器将在姿控发动机助力下脱离火卫一，随后继续沿着准卫星轨道运行，之后它还将再实施一次着陆行动，实现赴火卫一不同采样点采集样本的工程目标，两次着陆行动预计可采集10至20克样本。之后，探测器将在环绕火星轨道上运行3年时间，主要目的是等待返回地球的时间窗口。在这3年时间里探测器搭载的科学载荷可对火星进行遥感探测，期间还将择机对火卫二进行遥感探测。



火星卫星“火卫二”

另外值得一提的是，MMX探测器在提高工程展示度上也下了功夫，配置了4K与8K摄像机，这两台设备拍摄的视频一部分将通过天线回传地球，更大质量的成像文件将保存在返回舱内的存储设备。届时由MMX探测器提供的深空探测视觉盛宴相信会俘获不少支持者。



MMX探测器配置的8K与4K摄像机

提高工程展示度是国际通行惯例，比如天问一号别出心裁地基于分离相机与自拍杆成像功能实施了探测器深空自拍、环绕器与火星合影、祝融号火星车与着陆平台合影，同样为人类提供了前所未有的视觉体验。



天问一号火星探测器深空自拍

待三年之期返回地球时间窗口到来后，MMX探测器将先行分离着陆平台，目的是缩减返回地球时的探测器规模。



分离着陆平台

之后，2台500N轨控发动机将进行火地转移轨道入射点火，进而踏上为期一年的返回地球之旅。一年后探测器将在接近地球的设定距离释放搭载火卫一样本的返回舱，该返回舱与隼鸟号、隼鸟二号两探测器的返回舱设计基本相同，略有不同的是整体规模稍大一些。



分离样本返回舱

返回舱整体结构分为5个部分，即正面隔热罩、包含电子元件的胶囊体、降落伞、背面隔热罩、样品容器。届时返回舱将高速再入地球大气层，隔热罩将承受3000摄氏度的高温烧蚀，并保护隔热罩内部的各类设备载荷。



样本返回舱概念模型

地球大气层也是天然的减速场，返回舱历经气动减速后降落伞将打开进行伞系减速，最终返回舱以可以接受的速度触地着陆，着陆后信标机将告知地面搜索人员返回舱的具体位置，从而完成样品容器的回收，这将标志着为期5年的火卫一采样返回任务大功告成。



样本返回舱

高速再入地球大气层采集火卫一样本可以破解一个悬而未决的问题，就是这颗火星卫星究竟是被火星捕获的小行星，还是火星由于遭受大撞击后从火星分离的碎片堆积而成，可以基于样本分析结果对这一问题给出答案。MMX探测器通过环火遥感探测，还可以阐明与火星地表环境和气候变化相关的大气物质循环与消散机制。预期此次探测将对太阳系行星起源与形成、生命环境的演化，以及为人类的可持续发展提供新的信息。



MMX火星卫星采样返回任务规划

在工程上，日本航天将通过此次探测任务掌握较大质量地外天体着陆技术、火星轨道返回地球技术、验证新型地外天体采样技术。这些技术对于我国火星采样返回任务而言，具有一定的参考意义。然而，货真价实的“火星采样返回任务”被誉为可以与阿波罗载人登月任务难度比肩的重大空间探索任务，此项任务远比火星卫星采样返回任务复杂得多。



货真价实的火星采样返回任务

以日本MMX探测器为例，它所需要突破的技术只是火星采样返回任务的冰山一角，以火星表面采样、火星表面发射起飞、环火星轨道交会对接为代表的一系列世界级技术难题将是更大的鸿沟。基于“一步完成绕落巡、二步实现采样回”的火星探测战略规划，当前我国行星探测工程已经开始着手进行火星采样返回探测器的先期研制。就像首次火星探测任务工程总设计师张荣桥说的那样，火星采样返回的难度很大，但是我们还是有信心把它实施好。



火星采样返回探测器的“轨道返回组合体”与“着陆上升组合体”

放眼全球，目前只有两家正在实施火星采样返回任务，一个是我们，另一个就是NASA。后者是联合欧空局一起搞，多家联合将面临进度协调的一系列问题，这就在某种程度上给了我们一个机遇。有人曾经调侃，有一个世界第一的机会放在这，如果不去争取，那简直就是暴殄天物。

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• lijing01 金币 +26 感谢分享，论坛有您更精彩！ 2022-2-26 19:26