火星探测运载器辅助动力系统方案分析

摘要

火星的自然环境与地球类似,是人类走出地月系统并开展深空探测的首选目标,通过对火星进行探索,研究火星的磁场、大气和气候、空间环境等内容,对人类建立第二家园和寻找地外生命具有重要意义.近些年来,火星探测越来越受到世界各国的重视,美国、俄罗斯以及中国等国家均有关于火星探测的相关计划.火星探测运载器工作环境复杂,在飞行过程中对姿态控制系统有特殊要求.首先要经受住太阳系和火星周围复杂的空间环境,克服长时间、高强度的干扰;其次要经常在对日、对地和对火三种定向状态间进行大角度的姿态机动;还要满足如对地通信时信号天线的精确指向等较高的性能指标.因此为了准确到达火星,必须采用辅助动力系统对火星探测运载器进行姿态与轨道控制.本文以核热推进火星探测任务为背景,对采用电推进和化学推进的辅助动力系统方案进行分析,其中电推进采用氢气作为工质,能够有效简化系统结构.选定两种使用条件,参考Laura M.Burke计划在2033年进行的一年往返火星任务的详细轨迹和任务架构,辅助动力系统长时间工作,总冲为6.258×108N·s;除此之外,辅助动力系统在火星探测中也可以做短时间工作,只完成特定的姿态与轨道控制,总冲为2.470×106N·s.建立不同推进方案的计算模型,对两种不同总冲条件下不同方案进行对比,并对最优方案进行选择.通过对不同推进方案进行计算,发现电推进方案更适合长时间工作,而化学推进方案更适合短时间工作.