火星探测工程【原创】ppt版课件.ppt
火星探测工程,载人登陆火星,LOGO,1 火星概况,火星是八大行星之一，重力为地球的0.4倍，直径相当于地球的半径，表面积为地球的四分之一，体积为地球的15%，质量只有地球的11%，没有磁场。地表温度白天可达28，夜晚可低至-132，平均-57。大气成分95%的二氧化碳，3%的氮气，1.6%的氢气，很少的氧气，也充斥着很多的悬浮尘埃。,LOGO,2 探测火星的意义,1）认识地球：火星是地球上人类可以探索的最近行星，大约40亿年以前, 火星与地球气候相似, 也有河流、湖泊甚至可能还有海洋, 未知的原因使得火星变成今天这个模样。探索使火星的气候变化的原因, 对保护地球的气候条件具有重大意义，有助于了解地球臭氧层一旦消失对地球的极端后果。2）探索外星生命：在火星上寻找历史上曾经有过的生命的化石, 这是行星探测中最激动人心的目的之一, 如果找到, 就意味着只要条件许可生命就能在宇宙中行星上崛起。,3）促进科学的发展：火星探测是许多新技术的试验场地, 这些技术包括大气制动，利用火星资源产生氧化剂和燃料，返程用遥控自动仪和取样远程通讯等。4）从长期来看, 火星是一个可供人们移居的星球。由于历史的原因, 公众对火星探测的支持和共鸣是任何其它空间探测对象难以相比的。,3 中国的火星探测计划,阶段1：（现在到2009年）会对第一次任务进行充足准备，包括定立探测目标、技术研发和寻求国际合作。 阶段2：（2009年后）已发射的卫星将探测火星环境，所得的数据用作火星软着陆之用。 阶段3： 发射火星着陆器并携带一辆火星车，在火星上软着陆。 阶段4： 成立火星表面观察站、发展飞行器穿梭地球与火星、并且建立火星基地供机械探测器进入。此阶段的最终目标是为将来人类登陆火星提供基础，令人类可在火星观察站中观察火星。,发射场,发射场由测试区（技术阵地）、发射区（发射阵地）、发射指挥控制中心、地面测控系统及辅助设施组成。测试区是进行技术准备的专用区，主要任务是对运载火箭和航天器进行装配、测试，对其内部各系统的单个仪器设备进行检测、试验。主要设施有火箭装备测试厂房、航天器装配测试厂房、固体火箭装配厂房。供电站、发电站、火工品库、地面设备库和各种实验室。发射区是发射前准备和发射的专门区域；地面测控系统是对运载火箭和航天器进行跟踪测量，接收遥测和外测信息，发送监控、安全指令和通信信息的一整套地面设施，配置在发射场和火箭飞行航区。,文昌航天发射中心位于中国附海南省文昌市近约北纬19度19分0秒，东经109度48分0秒。该发射场纬度低，距离赤道近，发射卫星所需的能耗低，比在西昌发射火箭的运载力提高10%到15%。同时，火箭可以通过水陆运输，火箭大小可以不受铁轨限制。此外，从海南岛发射的火箭，其发射方向1000公里范围内是茫茫大海，因此坠落的残骸不易造成意外。,运载器,阿波罗登月使用了重达3000吨的土星五号。但是火星距离我们超过6000万公里，登陆火星需要的火箭和宇航技术远远超过了人类目前科技的极限。除了发展大运载火箭，比如中国的长征五号，美国的奥赖恩等，还有一些新型火箭技术可以应用，例如离子体火箭和核推力火箭。,1 长征五号 长征五号是中国研制的新一代重型运载火箭系列，与欧洲阿丽亚娜5基本同级。其设计思想以通用化、系列化、组合化为重点。可搭载两种专门为其设计的火箭发动机，分别为推力为120吨的YF-100液氧煤油发动机和推力为50吨的YF-77氢氧发动机。直径为5米、3.35米和2.25米的三种模块构成，4个助推器，身高59.5米，起飞重量为643吨，起飞推力为833.8吨。他可以实现大负载量“低环球轨道”（LEO）和“同步轨道”（GEO）任务的需求，并且具备了1.2吨至25吨的有效载荷送入近地轨道，将1.8吨至14吨的有效载荷送入地球同步转移轨道,5.0米直径内核级利用液氧和液氢(LOX/LH2)推进剂和二台50吨LOX/LH2发动机。它能使用被看做聚立在一起的发射装置，或一个捆绑内核级的发射装置。3.35米直径内核级利用液氧和煤油推进剂和二台120吨推力液氧/煤油发动机。它能被当作重载发射装置的捆绑级或中等-负载发射装置的内核级。2.25米直径内核级使用液氧和煤油推进剂和120吨推力液氧/煤油发动机。它能被当作捆绑级或一枚立式装配的小负载发射装置。模块化设计的好处是可以根据需要把不同模块组装成不同推力的火箭，以执行不同的任务。例如系列中最为强大的型号，以两个5米模块为主推进器，另配有4个3.35米模块为助推器。,2 可变比冲磁等离子体火箭利用电流将诸如氢、氦或氘等燃料转化为等离子气体。这些等离子气体被加热到1100万摄氏度后，磁场会将其引导进入排气管，从而推动太空飞船的飞行。在这种火箭的推动下，飞往火星或月球的航天器最高速度将可达到每秒55公里。从地球飞往火星的旅行时间缩短为39天，而目前预测的往返火星的旅程则需要大约3年时间，其中包括被迫在火星上停留的18个月时间。地球与火星之间的距离大约为5500万公里到4亿公里（这要根据它们所处的轨道位置而定）。还有另外一个好处，那就是可以在航天器周围形成一个磁场，使得航天器不会受到辐射。,3 核推力火箭核火箭的发动机利用核反应或放射性物质衰变释放出的能量加热工作介质，工作介质通过喷管高速排出，产生推力，使宇宙飞船高速飞行。根据核能释放方式的不同，核火箭可分为放射性同位素衰变型、核裂变型和核聚变型三种。所谓核裂变是在一定条件下，原子核发生分裂，同时释放出大量的能量。所谓核聚变是在一定条件下，较轻的原子核会聚合成新的较重的原子核，同时释放出大量的能量。,飞船部分,曾经成功登月的阿波罗飞船由指令舱、服务舱和登月舱三部分组成。登陆火星的飞船也需要这三部分，但是由于任务的特殊性，更多的设备和功能是需要完善和加强的。,1 增大载重量：由于火星地球之间的距离超过六千多万公里，飞船飞行所需燃料会相当多，这就需要飞船有足够的空间来携带这些燃料。2 增加生命维持系统：航天员会在火星待一年左右的时间进行科学探测以及等待合适的返回窗口，需要飞船携带相应的科学实验的设备和生物再生系统，维持航天员在火星的生活和工作。火星上的平均温度在零下60度左右，需要飞船的各个零件部分有足够的抗寒能力和保护措施。还有长时间，长距离的飞行，以及在火星表面的长时间的停留，宇航员会受到更多的宇宙射线的辐射，因此飞船需要做更多的保护措施来防止射线粒子对宇航员的危害。,3 增加飞船的使用寿命，减少维护成本和难度，减少航天员不必要的工作强度4 携带足够的有效载荷，如火星探测车，太阳能电池阵，无线电通讯设备，封闭的生物循环系统，燃料生产加工设备等。,现在比较成熟的有美国的猎户座飞船。猎户座飞船的外貌与阿波罗飞船相似。猎户座飞船“载人及服务模块”（CSM）的结构包括两个主要的部分：一个圆锥形的载人舱，以及一个圆柱形的服务舱但内部空间阿波罗飞船大2.5倍，最多可容纳6名宇航员，融入了电脑，电子，维生系统，推进系统及热防护系统等领域的诸多最新技术。,猎户座飞船,2022/11/26,21,可编辑,深空探测网,火星上没有GPS，甚至没有磁场，火星飞船的导航控制完全依赖地球测控站。如果是无人飞船，失败就失败了，着陆点偏一点也算大功告成。但是载人飞船就不行，需要极强的通讯能力和地球联络。人造地球卫星离地球的距离一般从几百公里到几万公里左右，月球离地球约为38.4万公里，而火星离地球最近约5600万公里，最远处约4亿公里，卫星的测控数据传输要克服信号衰减和传输时延等困难，实现深空环境下的有效通信，数据传输单程约22分钟，来回约44分钟。,为了克服巨大的信号衰减，不仅依靠提高星载设备的性能，更迫切需要地面站设备的配合，要求地面深空站能够在X波段工作，配备大口径天线，并且具有发射上行大功率信号和接收下行微弱信号的能力。,各个阶段,前往火星包括了三个步骤。第一发射，摆脱地球的引力场。第二轨道，加速去火星。第三登陆，进入火星的引力场并安全着陆，并且在火星进行一段时间的活动。,1 发射阶段,发射阶段可以有两种方式，一种是分段进行，首先在地球轨道上发射一系列的宇宙飞船，其中包括登陆舱，返回舱，燃料补给舱等进行组装，成为一艘大型飞船，在抵达火星之后，这艘飞船会分解成一个用于把机组人员送回地球的返回飞船以及一个用于登陆火星并且重返火星轨道的着陆飞船。但是这中法案面临的一个问题是需要花费大量的时间和金钱在地球轨道空间张的建设，并且进行大量的太空行走，给飞船的兼容性和安全性带来很大的隐患。对于这一庞杂的计划，需要的是完善的太空站的建立，不是短短几年内可以完成的。,另一种方式是直接发射，利用大推力的核动力火箭将飞船发射到适合的轨道，飞船利用电推力发动机或者等离子发动机推动到达火星轨道，在飞船上不需要携带大量的燃料，因为在返回时，宇航员可以利用先前由货运飞船送来的行星际飞行器返航。或者携带一个资源就地利用设施。其中包括了一个自动化学处理厂、一个核电发生器和液氢“原料”。随后资源就地利用设施会混合液氢原料和火星大气中的二氧化碳由此来制造可做为火箭燃料的甲烷和氧。,2 轨道阶段,不同的飞行轨道对应了不同的飞行时间与燃料消耗，并最终直接关系到任务能否最终完成。我们假设火星和地球都在同一个平面上且两者的公转轨道都是圆轨道,地球停泊轨道从地球停泊轨道到火星,3登陆阶段,在不到10分钟的时间里把速度从超高音速降到零，这是所有阶段最为困难的一环进入：在距离火星表面125公里处开始进入，飞船会在防热保护罩的保护下以大约每小时14 5000千米的速度进入上层大气。下降：飞船向下打开超音速膨胀的气动减速器，它直径在50米左右，使用空气阻力来减速着陆。反推下降：现在着陆器的速度已近小于音速，它和超音速膨胀启动力学减速器以及整流罩分离，启动反推引擎，在持续减速之后着陆器在指定地点降落。着陆：在引擎点火仅36秒后，登陆舱就会机动到最终的着陆点并缓缓触地。,4 考察阶段,在火星滞留期间，宇航员要进行一系列的科学考察活动，并且利用太空生命维持系统，在一个完全封闭的环境中生产各种生存和生活的必需品，还要尽可能的生产返回时需要的燃料，维护各个机械设备，保证在返回时能够稳定有效的运行。宇航员的体质状况和心理状况将得到最大的考验，比如失重，太空辐射，低温，沙尘暴等极端条件，还有长时间工作的单调和枯燥，以及更外界联系的缓慢和滞后，这更是考验宇航员心理素质的一次旅程。,返回阶段,由于火星的引力比月球要大，并且有大气阻力，所以在火星发射返回舱要比月球发射的要求更高，并且火星上无法建立跟地球上一样的大型，完备的发射场设施，所以必须研制可以重复使用的，更加简易的发射器。然后，返回舱需要和在火星轨道的轨道舱对接，一起飞回地球。,由WL提供,LOGO,2022/11/26,41,可编辑,
