章洪涛 等 | 火星探测器推进系统发展与展望

来源：中国航天

火星探测器推进系统发展与展望

章洪涛^1,2, 田泽明^1,2, 韩泉东^1,2, 王园丁^1,2

（1.上海空间推进研究所；2.上海空间发动机工程技术研究中心）

摘   要：推进系统作为火星探测器的关键分系统，为探测器在轨任务各阶段轨道机动提供速度增量，为探测器姿态调整提供控制力和力矩，为火星软着陆时探测器悬停、避障和火星轨道交会对接提供所需的平移推力。推进系统能否正常、可靠地工作，对探测器任务的成败至关重要。此外，推进系统性能的优劣决定了探测器携带的有效载荷比例及最远飞行距离，因此对探测器推进系统进行研究具有巨大的科学和工程价值。本文对近期已飞行的及在研的国内外火星探测器推进系统进行了分析，希望对我国火星探测推进技术的发展提供参考。

关键词：火星探测器；推进系统；发展现状

火星是太阳系中和地球最相似的天体之一，也是曾经最可能宜居的地外天体，为地球生命的产生和宜居环境的形成提供了重要参照。从1960年至今，全球共开展过48次火星探测任务，成功率约为57％。其中，火星着陆任务风险更高、难度更大，迄今23次着陆任务中只有11次成功。

从20世纪60年代开始，人类就拉开了对火星进行近距离探测的序幕，探测方式也随着空间技术水平的提高，由“飞越、绕飞”向“着陆、巡游”发展。其中，具有代表性的火星着陆探测任务包括美国的“海盗”（Viking）、“火星探路者”（MPF）、“勇气”（MER-A）、“机遇”（MER-B）、“凤凰”（Phinex）、“好奇”（Curiosity）及欧空局的“火星快车”（Mars Express）等。这其中以2012年8月6日成功着陆火星的“好奇”最具代表性，该探测任务对新一代进入制导导航与控制技术、火星软着陆技术等进行了验证，进一步推进了火星着陆探测技术的发展。

2021年，中国、美国及阿联酋齐聚火星，创造了火星探测新的里程碑。2020年7月23日，我国首次火星探测任务“天问”一号成功发射，迈出了独立开展行星探测的第一步，本次任务通过一次发射实现了火星探测“绕、着、巡”三大目标。

21世纪以来，多个国家提出了载人火星探测计划，意欲将人类的活动疆域扩展至火星。其中美国的载人火星探测计划将首先执行机器人先驱任务，并完成火星采样返回，继而结合月球或载人小行星探测任务，完成载人火星探测技术的试验验证，最后完成载人火星探测任务。

在火星探测任务中，探测器推进系统发挥着至关重要的作用。推进系统为探测器提供轨道转移、轨道捕获、交会对接控制、着陆制动减速、悬停控制、姿态控制及火星表面起飞等所需的冲量，是探测器的重要组成部分。本文对国内外典型火星探测器推进系统发展现状进行了分析，同时探讨了对我国火星探测推进技术发展的启示。

一、

典型火星探测器推进系统

（一）“火星科学实验室”探测器

作为美国国家航空航天局（NASA）“火星探测计划”（MEP）的一部分，“火星科学实验室”（MSL）于2011年11月26日由“宇宙神”5（Atlas V）运载火箭发射升空，于2012年8月6日成功在火星表面着陆。“火星科学实验室”的着陆质量达到899kg，无法像之前更小的着陆器一样凭借气囊登陆，只能寻求软着陆的方式。

“火星科学实验室”由巡航级、下降级和“好奇”火星车组成，如图1所示。巡航阶段主要是为着陆器的进入阶段作准备，这个阶段的主要工作是轨道机动修正和进入参数更新，对火星大气、气候等进行详细的探测和分析，并根据更新的大气数据和着陆轨道相关数据对巡航和降落轨道进行修正，确保成功着陆。

图1 “火星科学实验室”探测器结构

巡航级采用经过“勇气”及“机遇”火星车验证的氦气挤压式单组元肼推进系统，主要由提供姿态和轨道控制的8台MR-111C 5N单组元肼发动机、2个复合材料壳体钛合金轻质推进剂贮箱等组成。推进系统被划分为13个肼推进剂管路区域和2个氦气压力管路区域，具体如图2所示。

图2 巡航级推进系统原理图

着陆过程分为降落伞减速阶段和动力减速阶段。降落伞减速阶段将进入火星大气层的着陆器速度降为160m/s左右，此时防热大底分离，在防热大底分离约85s后，下降级抛下降落伞和背罩，只剩下“空中起重机”和“好奇”火星车，此时距离地面1.8km，速度为100m/s左右，之后下降级上的8台发动机点火，使下降级减速、缓慢下降并横向移动，避开降落伞和背罩。当距离火星表面20m时，“空中起重机”上8台发动机中的4台同时点火，下降级通过绳索将“好奇”火星车放下，12s后探测器着陆，着陆速度控制在0.75m/s。当接触传感器探明“好奇”火星车已在火星表面着陆时，下降级及绳索与火星车分离，然后飞走。

下降级为氦气挤压式单组元肼推进系统，推进系统的原理图如图3所示，采用8台300N单组元肼发动机提供姿态控制，8台3000N单组元肼变推力发动机提供进入、下降、着陆（EDL）过程所需的主推力。

图3 下降级推进系统原理图

300N单组元肼发动机的工作方式为脉冲工作，该姿控发动机主要用于下降级开始进入火星时的姿态控制，沿用了“凤凰”着陆器发动机的设计。

3000N变推力单组元发动机由Aerojet公司研制，基于1976年“海盗”1与“海盗”2着陆发动机改进设计而来，图4为“好奇”火星车主发动机与“海盗”主发动机的对比图。“好奇”火星车主发动机的推进剂为无水肼，推力范围为31~3603N，比冲为204~223s，工作时间为350s，着陆期间推进剂的消耗量为278kg，配套的节流阀由穆格（MOOG）公司研制，入口压力为4.14~5.24MPa，推进剂流量为0.02~1.633kg/s。

图4 3000N单组元变推力发动

（二）“火星2020”探测器

美国东部时间2020年7月30日，“宇宙神”5火箭执行“火星2020”发射任务。本次任务携带的火星车名为“毅力”，与“好奇”同属美国第三代火星车，如图5所示。

图5 “火星2020”探测器系统

“火星2020”巡航级采用单组元肼推进系统进行轨道和姿态控制。8个4.5N发动机组成2个发动机组，因此可利用发动机进行轴向和横向机动。在巡航级中，2个贮箱可装载70kg推进剂，用于姿态控制系统（ACS）和轨迹控制机动（TCM）。

“火星2020”的进入、下降及着陆沿用了“好奇”的三级减速（气动外形减速、降落伞、反推发动机）+“空中起重机”缓冲的着陆方式。下降级通过8台反推发动机减速，并将火星车安全送到地面，随后下降级自主飞离。

当然，“火星2020”也不是完全沿用“好奇”的着陆技术，而是采用了一些新技术，可以达到更高的导航精度，并获得更丰富的回传数据。

为此，“火星2020”任务小组采用“距离触发”技术让“毅力”降落到尽量接近目标区域的位置。这项技术可以把椭圆形预定着陆区的面积减小50%以上，即使研究人员选定了一些价值很高、平地面积却很小的目标区，也能成功实现降落。“毅力”火星车着陆示意图如图6所示。

图6 “毅力”火星车着陆示意图

（三）欧洲“火星快车”探测器

“火星快车”于2003年6月2日发射升空，2003年12月25日进入火星环绕轨道。“火星快车”发射质量为1108kg，推进剂加注量为427kg，载荷为113kg。推进系统主要沿袭了“欧洲星”（Eurostar）地球静止轨道通信卫星平台，采用双组元统一推进系统，推进剂为一甲基肼（MMH）/N2O4，增压气体为氦气。主发动机推力为414N，比冲为317s，主要用于火星轨道捕获。主发动机可在30min内将探测器速度减小800m/s。4对10N姿轨控发动机（4台主份，4台备份）主要用于轨道修正、探测器姿态控制及飞轮卸载。“火星快车”探测器结构示意图如图7所示。

图7 “火星快车”探测器结构示意图

“火星快车”的推进系统采用恒压+落压的工作模式，主发动机工作时，增压氦气通过减压阀对贮箱进行增压，推进系统在恒压模式工作。火星捕获完成之后，增压氦气和主发动机将会被电爆阀隔离，系统以落压模式工作，随着推进剂消耗，系统压力将会逐渐减小。10N发动机能够在很宽的入口压力范围内工作，所以发动机的性能不会有明显的变化。

（四）阿联酋“希望”火星探测器

“希望”火星探测器是“阿联酋火星任务”（Emirates Mars Mission）的第一步，是阿联酋空间局于2020年发射的第一个火星探测器（见图8）。同时，“希望”探测器也是伊斯兰国家领导的第一个行星科学任务。

图8 “希望”火星探测器

北京时间2020年7月20日凌晨05时58分，阿联酋首个火星探测器“希望”在日本种子岛航天中心发射场由一枚H-2A-202型运载火箭发射升空，并于2021年2月9日进入火星环绕轨道。

“希望”探测器采用单组元无水肼推进系统为其提供轨控推力、姿态控制力和力矩。“希望”探测器使用了可装载800kg推进剂的贮箱，在飞行期间以约1.79MPa的压力工作，并由一个27.58MPa的复合材料氦气瓶提供增压气体。6台安装在尾部的120N轨控发动机可产生678N的组合推力，而8台5N姿控发动机可提供探测器姿态控制力和精确轨控推力。探测器的飞轮允许它在穿越太空时重新定向，帮助它将天线指向地球或将科学仪器指向火星。该架构可容纳多种发动机尺寸和配置。

（五）“天问”一号火星探测器

2021年5月15日，“天问”一号火星探测器成功实现动力减速、悬停、避障及缓速下降（见图9），在火星乌托邦平原东南部着陆，本次任务通过一次发射实现了火星探测绕、着、巡三大目标。

图9 “天问”一号火星探测器示意图

“天问”一号火星探测环绕器及着陆巡视器均采用挤压式双组元统一推进系统，推进剂为N2O4/MMH。环绕器推进分系统由4个43L复合材料气瓶（工作压力为35MPa）、4个570L局部管理表面张力贮箱、1台3000N轨控发动机、8台120N和12台姿控发动机等组成，系统采用落压+恒压工作模式，在3000N轨控发动机工作时采用恒压工作模式，在姿控发动机工作且3000N发动机不工作时采用落压工作模式。

着陆巡视器采用中室压双组元推进系统，发动机的室压约为2MPa。推进分系统配置1个28L复合材料气瓶，4个40L金属膜片贮箱，1台7500N变推力发动机为着陆巡视器下降段提供推力，20台250N和6台25N发动机完成飞行过程中的姿态控制，并提供下降段的姿控推力及避障时的平移推力。系统同样采用落压+恒压工作模式，在进入大气前7500N发动机不工作，仅姿控发动机工作时采用落压工作模式，在下降段7500N发动机工作及推进剂钝化时采用恒压工作模式。中室压发动机方案大幅减小了发动机的尺寸及质量，实现了系统的小型化及轻质化。

二、

未来火星探测器推进系统

（一）火星上升飞行器

2022年，NASA与洛马公司签订了一份预计将达到1.94亿美元的合同，用于制造一枚小型火箭——火星上升飞行器（Mars Ascent Vehicle，MAV），目的是将“毅力”火星车收集的样品运送到环火轨道上。MAV采用固体主推进及液体单组元姿控动力方案，第一级和第二级固体火箭发动机由诺格公司提供，如图10所示。

图10 基于固体推进系统的MAV设计方案

作为火星样品返回（MSR）任务的一部分，NASA的样品返回着陆器（Sample Retrieval Lander）将携带MAV在Jezero陨石坑着陆，样品返回着陆器的机械臂将“毅力”保存的火星样品装入MAV的样品返回舱中。

着陆器将作为MAV的发射平台，确保样品容器安全后，MAV将启动发射。发射时，MAV将首先通过弹簧力弹射到一定高度，MAV一级发动机点火，一级关机并分离后，二级发动机点火，将MAV推升到火星轨道。进入轨道后，二级发动机关机，并释放火星样品容器，装有火星样品的容器被地球返回轨道器捕获。该航天器计划于21世纪30年代初至中期将样品带回地球。

实际上，研制团队在MAV的设计过程中并行进行了多种设计，分别是固体推进系统、固液混合推进系统及液体推进系统，最终考虑到技术成熟度，NASA选择了以固体发动机为主推进的方案。基于固液混合推进系统的MAV设计如图11所示。

图11 基于固液混合推进系统的MAV设计方案

基于固液混合推进方案的MAV由单级固液混合发动机提供入轨动力，使用液体MON-25（组成为25%NO+75%N2O4）氧化剂和固体石蜡基SP7A燃料。发动机的燃烧速率取决于氧化剂流量，氧化剂的剪切力在燃料中造成气流扰动，充当燃料喷射系统并增大传统混合燃料的燃烧速率。推进系统本身由液体氧化剂贮箱、固液混合发动机、氦气/反作用控制系统（RCS）气瓶和发动机等组成。

由表1可以看出，固体方案与固液混合方案相比起飞质量更小，对工作温度约束不敏感，系统整体的复杂度相对较低，但其需要考虑经历器间分离、弹伞、抛大底、抛背罩与着陆等冲击环境，以及火星表面低温宽温域交变环境贮存后固体推进剂结构完整性、隔热层脱粘等问题。此外，固体发动机只能耗尽关机，入轨精度低且只能进入椭圆轨道，给两器火星轨道交会和样品转移带来了极大困难。固液混合单级入轨方案虽然具有发动机开关灵活、入轨精度高和主推进-姿控一体化等优势，但其对工作温度要求苛刻，系统复杂度高，研发周期长且技术成熟度尚低，限制了其优势的发挥。

表1 MAV固体及固液混合方案比较

液体推进方案具有系统适应性好、开关灵活、深空探测领域使用经验丰富的优点，NASA的液体推进方案主要分为两类：挤压式和电动增压式（EDPF）双组元推进系统。推进剂选用MON-25/MMH或MON-30（组成为30%NO+70%N2O4）/MMH。在NASA内部的设计评测中，电动增压式（EDPF）双组元推进系统因其在性能、质量和预包装方面的综合优势，排名更高（见图12）。双组元推进系统拟采用一台3560N主发动机，RCS系统包括4台22N发动机及4台5N发动机，但最终因为电动增压式推进系统的技术成熟度较低，未能入选。

图12 MAV电动增压式双组元发动机

（二）样品返回轨道器

样品返回轨道器（Earth Return Orbiter，ERO）是MSR项目的另一个关键组成部分，负责将MAV送至近火轨道（LMO）的轨道样品容器（OS）并封存，随后脱离火星轨道并携带样品返回地球（见图13）。ERO将由欧空局（ESA）负责项目管理，空客宇航负责研制，并搭载由哥达德航天中心（GSFC）、兰利研究中心（LaRC）和喷气推进实验室（JPL）研制的样品抓取、封存和返回分系统（CCRS）。

图13 ERO结构及推进系统

由于ERO完成既定目标需要的ΔV不亚于载人登陆火星并返回，对推进系统要求极高，因此ERO拟采用离子发动机与火箭发动机相结合的推进方式，并安装大功率太阳能电池阵为离子发动机提供电力，这将为ERO提供多种推进模式以满足任务需求。在进入火星轨道、进行快速变轨时使用大推力火箭发动机，在进行OS捕获时使用小推力火箭发动机，在进行地火转移、火星逃逸和火地转移时使用离子发动机持续提供动力，这要求ERO在距离太阳1AU（1AU=1.496×10¹¹m）时应具备不小于40kW的供电能力，且具有良好的太阳帆板对日定向能力，同时预估的离子发动机平均推力为200mN。

（三）载人火星探测器

随着火星探测技术的不断发展和探测任务的不断推进，载人火星探测将会成为火星探测的重要手段。从20世纪末开始，美国不断提出关于载人火星探测的计划和方案，目前NASA主要以设计参考架构5.0（DRA5.0）及火星演化行动（EMC）计划为基础，推进深空门户计划（DSG）的开展，如图14所示。DSG计划分多次将货运飞船及载人飞船运送到深空运输平台（DST）；随后进行地火轨道转移，约390天后到达火星环绕轨道；之后着陆器与DST分离，实施进入、下降及着陆，DST继续在火星环绕轨道运行；约300天后航天员搭乘上升器与DST交会对接，随后返回地球环绕轨道。

图14 DSG载人火星探测计划

基于火星资源可原位利用的优势，上述计划中火星着陆器及上升器拟采用液氧/甲烷姿轨控一体化推进系统，其中着陆器采用8台100kN变推力发动机，比冲大于360s。上升器分别采用3台及1台相同的发动机用于一级上升及二级入轨，同时上升器的RCS系统也采用12台4450N及12台445N小推力液氧/甲烷发动机，如图15所示。

图15 载人火星上升器

上升器推进剂贮存在4个铝合金贮箱中，贮箱压力维持在0.35MPa。由于液氧与液态甲烷的贮存温度相近，因此可以考虑使用共底贮箱来贮存推进剂，这样既降低了上升器的重心，也方便上升器与着陆器的结构优化。上升器一级发动机使用的贮箱外径为2.65m，高度为4m；二级发动机使用的贮箱外径为2m，高度为2.9m，如图16所示。

图16 载人火星上升器贮箱示意图

三、

发展展望

纵观国内外火星探测器推进系统的发展情况不难发现，随着火星探测任务由环绕/着陆探测向采样返回及载人探火发展，探测器的推进系统总体上呈现出可靠性更高、性能更好、轻质化程度更高及类型更加多样化的特点，可供我国深空探测推进技术的发展和应用参考，具体如下：

（1）目前的火星探测器仍将以化学推进系统为主。美国火星着陆器的推进系统以单组元肼推进系统为主，美国为火星着陆任务研制了2款单组元变推力发动机及多款姿控发动机；欧洲研制的“火星快车”探测器采用了以MMH/N2O4为推进剂的双组元推进系统，并通过采用常闭电爆阀并联、单向阀串联、自锁阀并联、姿控推力器双阀座结构等可靠性措施，消除了系统大部分单点故障；而国内火星探测器为双组元统一推进系统方案，且在着陆巡视器中采用中室压发动机，实现了推进系统的小型化及轻质化。

（2）针对火星采样返回任务，考虑到技术成熟度，美国未来的火星上升飞行器可能采用两级固体推进系统+单组元液体姿控推进系统，同时双组元液体推进方案及固液混合推进方案具有发动机开关灵活、入轨精度高等优势，成为可供选择的技术途径，而样品返回轨道器可能采用电推进系统与化学推进系统相结合的组合推进方式。

（3）新一代载人探测器推进系统将仍以化学推进为主，并朝无毒高性能推进技术方向发展。美国正在研制比冲性能更高且具有火星资源原位利用前景的液氧/甲烷推进系统，计划用于载人登陆火星任务。

基于未来火星探测的任务需求及推进系统的发展趋势，建议开展以下技术的攻关研究：

（1）轻质小型化低冰点推进系统技术。在火星采样返回任务中，由于上升器需要在火星表面长期贮存（环境温度达到-123~27℃，用于完成火面采样并等待发射窗口，可能会长达数月甚至更长时间），若探测器仍采用常规推进剂，则需对推进系统进行控温，而热控系统存在低气压下隔热、火夜生存所需热能获取和留存难度高等问题，在未配置同位素能源的情况下无法满足火面长期控温要求，需要推进系统自身能够长时间适应火星低温环境，因此需开展低冰点推进系统技术研究。通常，火星上升器对起飞质量和尺寸有严格限制，因此应重点开展轻小型低冰点推进系统构型及参数优化、低冰点推进剂、低冰点推进剂发动机、耐低温压力容器技术、耐低温阀门技术、低冰点推进系统的长期贮存和点火特性等研究。

（2）电动泵增压推进系统技术。电动泵增压推进系统因其可实现推进系统轻质化、大范围连续变推力、大范围不同工况自由切换/灵活操控、飞行轨迹最优控制和混合比在线监测/纠偏功能，在火星着陆探测及返回任务中均有应用前景。为此，需要开展电动泵增压推进系统设计及控制技术、高效高性能离心泵技术、轻质化高可靠高速电机技术及高比能大功率电源系统技术等研究。

（3）液氧/甲烷姿轨控一体化推进系统技术。探索火星的主要难点之一是推进剂的来源问题，液氧/甲烷推进系统因具有火星资源原位利用前景而成为未来载人火星探测任务的备选路径之一。然而目前低温空间推进系统技术基础薄弱，需要开展液氧甲烷变推力发动机技术、低温绝热贮箱技术、低温阀门技术、低温推进剂长期在轨管理技术及低温推进系统热防护技术等研究。

（4）核热/核电推进系统技术。与传统火星探测任务相比，载人火星探测任务需要执行的任务复杂、探测器的质量更小、可靠性安全性要求更高，受当前的性能水平制约，基于化学推进系统的载人火星探测任务的地火转移级总体规模过大，导致整体任务构架过于复杂、实施难度大，在美国及俄罗斯论证的载人火星任务中，地火转移级有多种推进技术路径，其中核推进+化学推进兼顾安全性与系统规模，成为可供选择的一种技术方案，但其面临大量技术难题，需要开展先进核热发动机技术、小型化高可靠核反应堆技术、核辐射屏蔽技术、大功率核电推进技术等研究。（原文刊载于《中国航天》2023年第11期）