【1.5万字长文解析】几十亿美元只为刨一罐土——美欧联合火星采样返回任务浅析

本文作者:SINO4894,全文约1.5万字。

几十亿美元只为刨一罐土——美欧联合火星采样返回任务浅析

引言
无人火星采样返回探测在科学成果获取和工程能力提升等方面均具有重要意义,与已经多次实现的火星着陆巡视任务相比,火星采样返回任务周期更长,任务关键点更多,技术风险更高。截至目前,人类对火星已实现4种方式的探测:(1.飞掠探测;(2.环绕探测;(3.着陆现场探测;(4.着陆巡视探测。目前国际上规划中的火星探测下一阶段是采样返回,NASA准备通过获取火星表面土壤及岩石样品返回地球进行详细研究,实现对火星的生命科学、地质环境、地层学、地质年代学、生物学和表面环境的进一步理解,同时为未来载人火星飞行奠定技术基础和做好准备。因此,火星取样返回将是火星探测从探测器无人探测迈向载人实地探测的重要里程碑。本文通过对NASA-ESA即将联合实施的火星采样返回项目的架构、各架构作用与技术特点以及任务流程的分析,对这一项目的技术特点和难点进行介绍。
 
1.背景介绍
1-1.历史与发展
NASA的火星采样返回任务由来已久,先导研究在70年代的“维京”项目成功实施后就已启动,目的是对“维京”任务获得的科学成果进行深度拓展,并在火星开展进一步的空间生物学研究,研究确定了火星采样返回任务的基本架构、科学目标和技术需求,后来因为航天飞机项目的开展而导致的资金缺口而被暂缓进行
在80年代末,NASA第一次启动了全面的火星采样返回项目论证,称为MRSR,项目论证确定了着陆器-漫游车-上升器-返回器的基本任务架构,完成了科学任务定义和优化,制定了一批技术攻关计划,后因NASA科学项目政策改变被取消。
90年代末,随着“火星全球勘测者”轨道器、“火星探路者”着陆器等一批火星探测项目的顺利开展,火星采样返回再次被提上日程(即MISR项目),为了满足进度和资金需要,任务由NASA和法国CNES合作进行,双方确定了一系列关键任务需求,并优化了任务架构和流程,项目在99年已经接近了PDR、准备进入B阶段研发,但在1999年“火星98”项目完全失败后,NASA改变了火星探索顶层架构,导致任务被取消。

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(图1-1-a,MRSR和MISR示意图)
 
进入新世纪,尽管NASA的火星探索重点被放在了实地科学和在轨遥感研究,火星采样返回仍然被给予了很高的优先级,NRC和NAS都将其列为了优先项目,在2000年代,JPL等NASA主要分支机构进行了一些前瞻性研究,并在2008年发布了iMARS国际合作火星采样返回任务研究报告,内容主要包括:
  • 项目架构研究,对过去项目的遗产进行评估和分析,优化任务基本模块

  • 技术成熟度研究,对各项关键技术进行成熟度评估和风险分析,确定最佳技术方案

  • 进度和任务实施周期研究,对项目研发各个阶段进行确定,建立任务进度基准方案,并对任务实施的时间进行了分析

经过近15年的技术储备、科研攻关和创新研发,在2017年,NASA认为火星采样返回项目(MSR)已经具备了“在进度和预算可控下”的可行性,具体来说有以下几点:
  • 火星探测经验显著增加。在过去20年中,NASA和ESA成功进行了“火星全球勘测者”、“2001火星奥德赛”、“火星快车”、“火星轨道侦查器”、“火星大气与挥发演化”和“气体追踪轨道器”等一系列成功的轨道器任务,成功实施了“火星探路者”、“火星探索漫游车”、“凤凰号”、“火星科学实验室”和“洞察号”等一系列着陆和巡视任务,此外还有“火星2020”、“外空火星2022”、“火星冰层探测器”等一系列正在实施的任务,通过这些任务,NASA和ESA积累了丰富的火星探测工程设计和经验,获取了大量的第一手工程资料,开发了一系列通用架构和技术,极大地提高了提高任务互通性,对降低火星采样返回技术风险、节省研发经费和加快研发进度具有积极意义;

  • 关键技术储备日渐丰富。在最近10年,JPL等NASA内部机构利用STMD技术项目平台,开展了一系列火星采样返回关键技术预研,包括MAV动力结构研究、SRL着陆构型研究、EEV撞击着陆实验和ERO电推系统测试等,积累了一批项目关键技术,显著降低了实施火星采样返回项目的技术风险和难度,并有助于节约项目经费,保障项目进度

  • 已有技术成熟度显著提高。通过近50年的各类火星探测任务,NASA已经积累了一整套完整的火星探测货架技术体系,就火星采样返回项目而言,任务中会使用到的机械臂、机动漫游、火星表面样本封装、EDL相关技术已经相当在此前多次任务中被使用,或即将进行验证,这些成熟技术在任务中的应用大幅降低了任务风险,压缩了不必要的新技术的使用比例,提升了任务方案的可行些,并有助于经费节省和进度控制。

综上信息不难得出,NASA目前已经具备全面开展火星采样返回项目的条件,正式立项研发指日可待。2017年,NASA基本将火星采样返回项目确定为下一个大型火星探测任务,开始进行正式的立项准备。
 
1-2.现阶段任务规划
在确定MSR作为下一个大型火星探测项目后,NASA很快开始了项目架构研究,并积极探索进行国际合作的可行性,2018年年底,ESA宣布加入NASA的火星采样返回项目,与NASA合作进行该任务。2019年年初,NASA正式宣布将MSR列为下一个火星探测项目,级别为优先级最高的大型战略科学项目,项目将于2021年初进入正式的A阶段研发。
 
a.项目顶层设计
作为一项高优先级的大型战略科学项目,NASA对MSR进行了特殊的顶层管理安排,2020年年初,NASA的科学任务部(SMD)成立了单独的MSR项目办公室,独立于NASA管理火星探测项目的“火星探索项目“(MEP)办公室运行,MSR项目办公室将作为单独的部门进行项目管理和预算申请。这一安排将有利于MSR与其他火星相关项目进行对接,优化MSR项目统筹规划和细节管理,并保证MSR不会与某些项目发生冲突。
 
b.国际合作分工
根据NASA与ESA签署的机构间协议,ESA将深度参与MSR项目,包括与NASA联合研发关键技术和提供关键架构。ESA将提供样本返回着陆器架构中的样本转移漫游车和着陆器样本转移机械臂,提供关键的火星表面机动能力,ESA还将建造和发射地球返回轨道器架构中的总线平台,为样本在轨捕获、封装和返回提供基础。这一安排使MSR项目成为NASA和ESA的又一个机构间大型合作项目,将会为双方的持续合作与科学探索做出贡献。
 
c.项目研发流程
根据2014年发布的《NASA航天飞行项目管理手册》规定,NASA的飞行项目流程分如下图所示:

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(图1-2-a,正常情况下NASA项目的研发、运行与结束流程)
截至目前(2020年11月),MSR尚未进入正式研发,但NASA已经做好了项目正式实施需要的各项准备工作,包括部分关键分系统的预研和测试。根据10月20日召开的MEPAG委员会会议消息,MSR将在2021年1月进入正式的A阶段研发,正式开始这一为期10年的庞大项目。MSR项目进度安排如图1-2-c所示:

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(图1-2-b,MSR项目进度安排总结)
 
d.机构内分工 
NASA方面主要由喷气推进实验室(JPL)和戈达德航天飞行中心(GSFC)统筹,在JPL设置项目管理办公室,此外还有埃姆斯研究中心(ARC)、兰利研究中心(LaRC)、马歇尔航天飞行中心(MSFC)、格伦研究中心(GRC)、肯尼迪航天中心(KSC)和约翰逊航天中心(JSC)负责具体项目,ESA方面主要由CNES、DLR与ISA进行项目研发,详细安排如下表所示:

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2.任务目标
2-1.工程目标
a.实现火星表面高精度着陆
b.实现在开放环境中的样本回收与采集;
c.实现火星表面不同探测器间的样本传递;
d.实现首次在其他行星表面进行轨道级发射
e.实现全自动目标识别与交会对接;
f.实现自动样本封装和转移;
g.实现首次火星轨道出发和火星-地球返回;
h.实现在硬件受限条件下的高速大气再入和着陆
i.实现双向污染阻断,避免样本受到非原始环境物质的污染,同时保证火星样本成分不接触地球生物环境。
 
2-2.科学目标
a.采集具有科学价值的火星样本,转移并封装后将其返回地球,并提供给地面的实验室进行样本分析
b.根据样本的地质多样性、天体生物学相关性和地质年代学意义,选择高价值样本采样并返回
c.通过采集和返回样本,实现对火星的生命科学、地质环境、地层学、地质年代学、生物学和表面环境的进一步理解;
d.建立对火星全球尺度的地质学、环境障碍和资源开发利用的理解和认知;
e.确保返回的火星样本不污染地球生物圈
 
3.任务架构

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(图3-0-a,火星采样返回关键架构介绍)
 
3-1.火星2020项目预采样
火星2020(M2020)是MSR的第一个任务关键架构,任务将在2021年初部署“毅力号“漫游车和”机智号“直升机,其中“毅力号”漫游车将携带一套样本采集、转移和储存装置(S&CS),如图3-1-a所示。通过该装置,M2020任务团队可以将漫游车识别的具有高科学价值的火星样本采集并储存,达到MSR的科学目标。同时,毅力号漫游车还将向通过在火星表面安放样本管和直接前往样本返回着陆器两种方式交付样本管,这一部分会在后文叙述。

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(图3-1-a,毅力号漫游车S&CS系统方案,图A为整个系统方案,图B为样本封装和暂存装置方案,图C为机械臂钻头及其他科学组件方案,图D为可返回式样本管方案)
 
3-2.样本返回着陆器
样本返回着陆器(SRL)是MSR项目的另一个任务关键架构,负责第二阶段样本采集并打包上一阶段的预采样,并将其送入近火星轨道。SRL发射质量约4500kg,着陆质量约1200kg,SRL的主要任务目标是:
  • 在火星表面进行高精度着陆并部署样本返回漫游车;

  • 在样本返回漫游车执行任务时,维持火星上升器合适的储存条件;

  • 使用机械臂将样本从样本返回漫游车转移至火星上升器的轨道样本内;

  • 准备并执行火星上升器的发射工作。

就常规的火星EDL任务而言,只要能在落区散布范围内着陆就能视作EDL成功,但在MSR项目中SRL需要部署样本返回漫游车并取回样本管,需要尽可能靠近样本管的储存区域,因此SRL必须准确地在指定地点着陆,且着陆误差不超过20m。由于目前最精确的升力体大气进入方式存在长轴8km的水平误差,因此SRL在进入动力下降飞行段后需要具备半径至少4km的水平机动能力相比之下M2020水平避障机动能力为~650m),对着陆器动力系统性能要求很高,这一过程如图3-2-a所示:

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(图3-2-a,SRL EDL动力下降段精确着陆方案)
为满足这一高机动能力要求,在目前的项目预研究中,SRL共考虑了两种构型,分别是:
  1. 动力着陆平台构型,设计上继承“凤凰号“和”洞察号“的着陆平台,动力系统继承并改进现有的、经过MSL和M2020验证的火星着陆推进系统,对原有EDL系统进行改进以达到高精度着陆要求,该构型的好处是系统复杂度相对较低,有利于系统集成和风险削减,不利之处在于仪器面空间受限,结构设计复杂。目前的方案倾向于使用动力着陆平台构型

  2. 天空起重机构型,设计上继承MSL和M2020的“天空起重机”构型,动力系统直接继承现有火星着陆推进系统,EDL系统直接使用现有货架产品即可满足着陆精度要求,该构型的好处是系统集成度高,有利于成本、进度控制和经费节省,不利之处在于系统复杂度相对较高。

 

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(图3-2-b,SRL两种动力构型示意图)
SRL目前采用纯太阳能供电的电力系统布局,以压缩研发成本,但这一布局要求着陆时间必须避开可能出现火星沙尘暴的季节以避免任务失败,限制了可用的任务窗口,另外这一限制还导致SRL可用的火星表面任务时间被缩短,对样本收集和转移提出了更严的时间限制。今年发布的MSR项目独立调查委员会报告认为应当为SRL安装一套同位素热温差发电系统(RTG),这一做法将极大地拓宽SRL可用的着陆时间段,支持丰富的任务窗口选择,有利于为火星表面任务提供更长的时间,减小总体风险并提高SRL火星表面任务的成功率。目前的SRL架构如图3-2-c所示:

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(图3-2-c,SRL各系统方案)

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(图3-2-d,SRL着陆示意图)
 
3-2-1.样本采集漫游车 
样本采集漫游车(SFR)是SRL携带的一台小型漫游车,由ESA负责研制和建造,用于收集M2020任务中采集到的样本管并将其转移至SRL。M2020任务中重达1050kg的“毅力号”漫游车相比,采用太阳能板供电、安装了两对柔性轮胎的SFR只有150kg,设计表面任务周期为不超过210sol,它的主要设计特点包括:
  • 继承自ExoMars2022漫游车的基本结构和各个系统,有利于节省研发经费,缩短研发周期并减少任务风险

  • 使用GRC研制的新型柔性轮胎,有利于增强SFR的机动和通行能力,满足快速行驶需求

  • 安装一套样本管收集和暂存系统,将配合机械臂对样本管进行回收和转移

  • 使用新研制的自动导航系统,将改善火星表面行驶能力,每个火星日的行驶距离不少于250m,满足较短表面任务时间(≤210sol)限制下的样本收集和转移工作

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(图3-2-e,SFR效果图以及技术特点剖析)

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(图3-2-f,SFR向SRL转移样本示意图)
目前SFR方案为全太阳能供电,配合RHU供热以达到任务周期要求,采用现有平台建造,最大限度压缩研发成本和周期。但MSR独立调查委员会认为虽然SFR高度继承了ESA的ExoMars 2022漫游车的设计和经验,但SFR需要的特殊任务需求可能会导致大量的改装工作,这可能会造成预算超支和项目延期风险增加。此外,笔者认为,由于ExoMars 2022尚在发射准备阶段,漫游车部分关键技术尚无法得到验证,可能会造成SFR后期的设计修改,使项目总体风险增加。因此,SFR需要ESA和NASA统筹各个节点进度,并在必要时对设计方案进行修改以满足项目总体需求。
 
3-2-2.火星上升器 
火星上升器(MAV)由SRL搭载着陆,在火星表面储存一段时间并装载样本后从火星表面发射,进入火星轨道并释放样品。由于火星表面起飞并入轨尚属首次,具有极高的技术挑战性,因此MAV是整个MSR项目中技术难度最大、飞行设计最复杂、任务风险最高的部分,笔者将详细叙述MAV有关的细节。

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(图3-2-g,MAV从SRL释放并点火升空效果图)
I.火星上升器总体要求
MAV的主要任务是将火星样本从火星表面送入近火星轨道(LMO),MAV的设计需要服从两个主要限制:第一是着陆器性能,第二是进入轨道要求。首先,由于SRL的可用着陆质量有限,MAV必须严格减重,起飞质量指标为不大于400kg,且必须满足直径不超过0.57m、长度不大于2.8m的包络要求;轨道方面,根据样本返回飞行器的设计要求,MAV需将不少于16kg质量(对应30根样品管)的样本送入一条轨道高度介于300-375km、倾角为±25°、半长轴误差不超过9km、离心率小于0.006、升交点赤经误差小于±0.08°的近火轨道。除此之外,为了满足实时监视和飞行后分析的需求,MAV应具备持续的UHF数据下行能力,并且应在轨道样本分离后具备持续传输UHF信标的能力,以方便样本返回飞行器对轨道样本的跟踪、定位、交会以及捕获。

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(图3-2-h,两级固体构型MAV方案及其技术特点剖析)
II.火星上升器动力系统方案 
在确定了MAV的总体设计指标和要求后,需要进一步对MAV各项指标进行细化并确定最终方案,MAV的动力系统方案就被提上了日程,在2010年前后,JPL和MSFC启动了MAV项目动力系统预研,对以下三种动力系统方案进行了研究:

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在分析了以上三种方案的可行性后,MSFC排除了难以满足MAV总体要求的液体推进系统方案,转而对两级固体推进系统和单级固液混合推进系统进行进一步预研,分别确定了相应的方案用于进行评估,如下表所示:
 

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从表中不难看出,固体方案相比于固液混合方案起飞质量更小,对工作温度限制不敏感,系统整体复杂度相对较低。固液混合单级入轨方案虽然有启停灵敏、入轨散布低和推进-姿控一体化等优势但其对工作温度限制严格、系统复杂度高,研发周期长且技术尚未完全成熟,限制了其优势的发挥。因此,在2019年底MSFC举行的DPR审查中,选择了两级固体方案作为MSR项目中MAV的动力系统方案。
 
III.火星上升器温控方案
不同于一般意义上从地球发射的运载火箭,MAV的储存和工作环境是在火星表面,以温度为代表的严酷的外界环境对MAV的正常工作构成了巨大挑战,由于固液混合单级入轨MAV方案已被排除,在此仅对固体两级入轨方案进行介绍。
MAV的温控状态可以被分为两类:储存状态和临发射状态。储存状态下的MAV会被平放收起于保护罩中,温控条件较好,临发射状态下的MAV会被支起并进行发射准备,直接暴露于火星表面的环境中,温控条件恶劣,需要消耗较多电力进行保温。仿真分析表明,巡航过程中MAV的不需要主动加热即可保持最低工作温度,只需要对SRL的后防热罩进行温度控制即可,但在火星表面,即使被收起于保护罩中,MAV的温度仍然可以降低至-62.5℃,低于工作温度下限,因此,需要使用一系列温度控制系统(TCS)对MAV进行保温,对TCS的要求如下:
  • 具有较高的系统成熟度(TRL),可对现有的货架产品进行改进以达到TRL要求
  • 具有较强的温度控制和感知能力,在储存状态下保持MAV温度不低于-40℃,在工作状态下使MAV温度不低于-20℃
  • 针对MAV不同部位设计具有针对性的加热器,满足整体温控需求

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(图3-2-i,MAV温控方案及其技术特点剖析)
 
结合上述要求,MSFC确定了TCS的技术方案:使用多次飞行验证过的高TRL的电加热器用于储存和临发射状态下的保温,并在一级固体火箭发动机等区域覆盖0.5cm厚的P50泡沫保温层以防止气动过热,这些保温材料在土星V号、航天飞机和德尔塔IV等运载工具上均有广泛应用。此外,MSFC还对火星表面的CO2大气环境对MAV温控的影响进行了分析,结论认为由于稀薄的CO2仍具有保温效应,MAV在储存状态下的加热功率不应超过200w,升温速度不应超过10℃/hr,否则可能会导致MAV因结构受热不均而破裂。
 
IV.火星上升器飞行方案
相比从地球发射,MAV发射需要~6km/s的ΔV,由于火星大气稀薄,MAV上升过程中的气动环境相对简单,动压管理难度相对较小。从火星表面起飞与从地球表面发射火箭相似,需要经历姿态保持、重力转向、能量管理和末段制导等飞行程序,但由于MAV质量小,在保证推重比的前提下难以持续推进,因此无论两级还是单级入轨都需要两个动力推进段,对GNC要求较高。针对这一问题,MSFC研究团队制定了一套针对MAV特性优化的飞行时序,如下表所示:(仅讨论固体两级入轨方案)

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(图3-2-j,MAV飞行方案剖面图)
分析飞行时序不难发现,MAV两次动力飞行段之间滑行时间长,姿控需求大,需要RCS具有较强的控制能力和冗余。其他方面,由于MAV特殊的一二级比例导致的重心移动,在一级分离后到二级点火前的飞行段中RCS将无法有效控制满装药状态下的二级姿态,故一级分离被安排在二级发动机点火前数秒进行,并采用姿态发散小的机械式分离,尽可能减小该无控飞行段对MAV任务的风险。
除此之外,影响MAV飞行任务的因素还有航电、TVC、通信和天气等,在此不再一一赘述,简而言之,作为MSR项目中风险和难度最大的部分,MAV的预研遵循了风险和成本最低的原则,由于采用了部分成熟的货架产品和技术,MSFC已经签发了MAV固体推进器采购合同,并有望最早从2021年起开始MAV发动机测试
3-2-3.轨道样本容器
轨道样本容器(OS)是负责储存并返回火星样本管的分系统,安装在MAV前端的载荷舱(MPA)中,随SRL在火星表面着陆,随后装入需要返回的样本管并由MAV发射至LMO,经历一系列分离、捕获和返回程序后在UTTR着陆。
MSR项目要求OS能够至少返回31根M2020标准样本管和不少于100cc的火星大气样本,在样本装入并密封后,使样本保持在温度不大于30℃、磁场强度小于0.5mT、且能保持相对压力的密闭环境中,在返回地球时还需要避免火星样本反向污染地球生物圈。
从总体来说,OS任务周期起始于SRL发射,结束于EEV在UTTR着陆,任务周期长,参与的关键事件数量多,需要满足各阶段不同的约束条件,因此OS的设计难度较大,主要体现在以下几个方面:
  • 可用质量限制严格。由于MAV和EEV搭载质量有限,OS自重被严格限制在12000g以下,同时必须满足直径小于280mm的包络要求,对材料减重要求高
  • 样本返回环境复杂。在SRL着陆火星后的样本封装过程中,OS需要被打开并直接暴露于火星表面的环境中,而在OS发射入轨至被地球返回飞行器捕获前,OS会直接暴露于外太空环境中,这些环境中温控条件恶劣,对OS温控和密封性能造成了挑战
  • 着陆返回工况恶劣。由于EEV返回地球采用撞击着陆设计,着陆最大瞬时过载最高可能达到3000g,而OS必须在这种极端情况下保持密闭性能并防止双向污染
  • 反向污染阻断困难。由于火星采样返回是人类首次从其他行星返回物质,必须尽可能减少外星物质对地球生物圈产生污染、即反向污染的可能性,而OS的再入着陆程序工况极端,着陆后回收程序复杂,对污染管理要求极高。 

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(图3-2-k,轨道样本容器剖面图及其安装方案)
 
为了满足设计要求并减少以上风险,JPL在预研阶段就开始了对OS的设计和改进,采用主承力结构+轻质外壳的整体设计减轻OS干重。针对任务环境问题,优化了OS热控方案,在MAV上安装加热器,在轨使用被动温控方案,保证样本始终处于合适的环境中。此外,为了减小着陆冲击对OS密闭性的影响,在OS中心添加了一根伸缩承力杆,配合EEV吸能材料减小着陆冲击,尽可能降低反向污染风险,其结构和安装方式如上图所示。除了优化设计外,JPL还计划积极开展各种OS原型实验,争取在MSR项目正式实施前使OS达到较高的技术成熟度。
 
 
3-3.样本返回轨道器
样本返回轨道器(ERO)是MSR项目的最后一个关键架构,负责将SRL送至LMO的轨道样本容器(OS)捕获并封存,随后脱离火星轨道并将样本返回地球。ERO将由ESA负责项目管理,空客宇航负责研制,并搭载由GSFC、JPL、LaRC和JPL研制的样本抓取、封存和返回分系统(CCRS)。ERO的主要任务目标是:
  • 在发射后前往火星,完成火星捕获,随后降轨进入近火星轨道(LMO)
  • 在SRL执行火星表面任务期间为SRL、M2020、SFR和MAV提供通信中继
  • 在MAV准备发射和执行发射期间为其提供跟踪与通信支持
  • 在MAV入轨并释放轨道样本容器(OS)后迅速识别、交会、捕获OS并将其封装
  • 从LMO出发并从火星轨道逃逸
  • 从火星返回地球、准确释放样本返回舱并执行轨道器规避机动
  • 满足行星保护第V级要求,ERO返回时应避免接触地球大气,防止污染地球生物圈

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(图3-3-a,ERO效果图及其技术特点剖析)
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采用离子发动机与化学发动机相结合的组合推进方式,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。此外,由于ERO具备灵活的推进能力,它既能采用高C3发射直接前往火星,也可以在低C3发射进入日心轨道后启动离子发动机前往火星,这一能力提供了更加灵活的发射窗口,降低了MSR总体任务安排难度,并有助于协调各架构之间的运行。ERO的主要关键指标如下:
  • 任务总体方面,ERO将使用阿里安6运载火箭从库鲁发射升空,进入C3不小于5的日心轨道,随后使用自带离子发动机进行地火转移,转移时间220-450天。抵达火星时,ERO使用化学发动机减速进入大椭圆火星轨道,随后使用大气刹车和离子推进系统进入高度400km、倾角25°的LMO,并对SRL、M2020、SFR和MAV的地表任务提供通信中继支持。
  • 轨道器设计方面,为满足运载火箭运力限制,ERO发射质量不超过6000kg,为满足任务ΔV需求,ERO干重应小于3000kg。为满足这一要求,ERO采用分体式设计,有效载荷、主要航电设备、传感器、电力和离子发动机以及部分RCS安装于返回模块(RM),化学推进系统的主发动机和RCS安装于单独的入轨模块(OIM),OIM在ERO入轨火星后即被抛弃,剩余任务由RM完成。
  • 电力和推进系统设计方面,ERO采用离子推进与化学推进相组合的推进系统,在进入火星轨道、进行快速变轨时使用大推力化学发动机,在进行OS捕获时使用小推力化学发动机,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时应具备不小于40kW的供电能力,且具有良好的帆板对日定向能力。
  • 样本捕获方面,ERO将使用搭载的UHF通信设备对MAV发射过程进行监视和TT&C支持,在MAV入轨并分离OS后使用光学和雷达设备识别并与OS进行轨道交会,随后接近并使用CCRS对样本进行捕获和封存,同时阻断反向污染。
  • 样本返回方面,ERO在封装样本后使用离子发动机升轨进行火星逃逸和火地转移,在返回地球前修正样本返回舱(EEV)再入轨道,并在再入前1-4天释放EEV,EEV释放完毕后ERO将进行地球规避机动,防止ERO将接触到的火星大气或尘埃带入地球生物圈。

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(图3-3-b,ERO各分系统详解)
ERO主要包括以下两个任务相关的分系统:
I.样本捕获、封装和返回系统
样本捕获、封装和返回系统主要包括两个部分,第一个部分是轨道样本容器(OS)捕获和封装模块(CCM),分为OS捕获和旋转模块(COM)和OS封装模块(CM)两部分,CCM的作用是在OS入轨并从MAV分离后引导ERO交会、抵近并捕获OS,随后关闭COM捕获筒盖完成捕获,并使用机械装置抓取并旋转OS至合适的位置,将其送入CM中,CM在接收OS后会将其放入样本返回舱的两层密封容器中,完成封装和消毒并阻断反向污染,CCM在完成样本捕获和封装后即被抛弃,以减少ERO重量。第二个是地球返回模块(ERM),由EEV、EEV保护罩、EEV起旋装置和CCM-ERM转移节点组成,EEV将在后续详述。CCRS系统剖面如图所示:

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(图3-3-c,CCRS剖面图及其技术特点剖析)
由于OS与MAV分离较早且无姿控能力,在ERO于其进行轨道交会后难以保证具备稳定的姿态,属于典型的空间非合作目标捕获,直接使用机械臂进行捕获风险过大,故GSFC制定了使用捕获筒对OS进行捕获的方案,机械使用从多自由度机械臂变为单旋转捕获筒盖,系统复杂度大幅减小,有利于减小OS捕获风险。

几十亿美元只为刨一罐土——美欧联合火星采样返回任务浅析

(图3-3-d,CCRS轨道样本容器封装流程)
但是,虽然尽可能采用了降低风险的设计方案,CCRS仍然面临技术和进度的双重挑战。MSR项目独立调查委员会指出,CCRS关键技术均为全新研发,测试和认证流程复杂,并且由于CCRS使ERO的关键分系统,任何组件遭遇技术瓶颈就有可能拖累CCRS的研发进度,甚至威胁到ERO乃至整个MSR的进度管理。笔者认为,为了充分保障CCRS研发进度,GSFC和JPL应维持目前的预研进度不变,在项目进入A阶段正式研发后,与ESA的ERO团队保持密切沟通,按需修改CCRS分系统设计,使CCRS适应ERO平台。
 
II.样本返回舱
样本返回舱(EEV)是封装OS并使其安全返回地球表面的关键组件,随ERO到达火星并装入OS,随后离开火星并返回地球表面,完成MSR样本运输的最后一段。虽然EEV是CCRS的一部分,但鉴于其重要性和设计的特殊性,笔者将其单独列出进行介绍。EEV的任务关键设计如下:
  • 采用自旋稳定,ERM保护罩打开后EEV进行起旋,并从ERO分离,再入大气
  • 采用弹道载入,减少EEV结构复杂度以降低任务风险
  • 采用撞击着陆,避免火星样本接触地球生物圈,并大幅减少着陆关键事件数量
  • 采用密封设计,OS将被多层密封,避免在极端情况下火星样本接触地球生物圈

 

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(图3-3-e,EEV剖面图及其技术特点剖析)
目前的EEV设计继承于上世纪90年代末LaRC进行的“行星际样本返回再入器设计”项目,基本理念是尽可能减小系统复杂度,并进行了针对性的改进,EEV的设计难点和解决方案主要包括:
  • 着陆质量限制严格。由于ERO可用载荷质量限制,EEV返回时全重必须控制在100kg以内,而OS重达26kg,这要求EEV所用材料必须足够轻,在此基础上还必须满足着陆工程条件要求。为了解决这一问题,LaRC在设计EEV时使用了肋排型复合材料主结构,使用蜂窝状复合材料填充空隙,有效减轻了EEV结构重量,同时对吸收着陆冲击也有一定作用。
  • 撞击着陆冲击巨大。由于阻断反向污染要求EEV设计上必须保护地球生物圈免受火星物质污染,因此EEV采用撞击着陆,从根本上避免了降落伞故障导致的灾难性事件,但EEV必须能承受落地撞击过程中最大3000g的最大过载,同时保证OS的完整密封,使EEV冲击吸收方案设计更加复杂。针对这一难点,LaRC采用了新开发的、使用蜂窝状复合材料制作的冲击吸收材料,包覆与OS四周,保证OS在3000g瞬时过载下的完整性。
  • 再入防热条件恶劣。设计上EEV将以接近12km/s的速度再入大气,并且为了使EEV在UTTR区域内落地,再入角度应在-15°附近,导致EEV再入过载和受热明显大于一般采样返回任务,并且为了保证EEV有合适的落地姿态,不可在迎风面采用烧蚀防热材料。为了保证EEV安全再入,LaRC采用了3D打印的先进复合防热材料(HEEET)作为迎风面防热材料,这种复合材料质量轻且具有优良的防热能力,可以保护EEV主结构和OS不受再入高温破坏,而后防热盖不受高温侵蚀、对EEV整体气动外形影响小,因此背风面采用密度低且防热能力强的酚醛浸渍碳烧蚀剂(PICA)进行热防护
  • 空间碎片碰撞威胁。近年来人类空间活动数量激增,而空间碎片数量也随之增长,近20年来的数次空间碎片事件使空间碎片数量增长了数倍,而EEV在以略大于第二宇宙速度进入地球大气的过程中会穿过各轨道高度的碎片层,GSFC的仿真模拟证实EEV有一定的空间碎片碰撞风险。LaRC和ARC联合进行的分析认为,从被ERO释放到再入大气的过程中,EEV均有可能遭遇空间碎片或微流星碰撞,并造成TPS乃至主结构损坏。为避免该类事件的发生,NASA需要与DoD有关方面密切合作,在EEV分离前监视并识别可能会对EEV造成威胁的空间碎片,并予以规避。
在进行了上述改进后,JPL和LaRC联合进行了EEV着陆实验,通过实验塔加速撞击和直升机抛投等方式对EEV在UTTR典型沙土地面上的撞击着陆过程进行了实验和分析。结果表明,在理想情况下EEV落地瞬时过载仅550g,而当EEV在最大过载接近3000g的硬质表面着陆时仍然能保持完好的密封性,满足MSR项目要求

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(图3-3-f,EEV撞击着陆实验照片及过载分析)
 
作为阻断反向污染的关键一环,EEV需要将OS层层密封,以彻底阻断污染,因此EEV设计中包括以下几个关键组件来达成这一目标:主热防护系统(P-TPS)、确保封存模块(CAM)及被封存的轨道样本容器(C-OS)。此外,还有在背风面和周围安装的次级热防护系统(S-TPS)、垫在隔热盾和样本舱之间的绝热护垫材料(TIP)等支持组件。
以OS为中心,由内向外的结构分别是:初级密封容器(PCV),用于包裹OS、次级密封容器(SCV),覆盖在PCV表面,PCV、SCV和OS共同构成C-OS,这一结构将初步保证样本的隔离与污染阻断。C-OS外部是包裹着它的确保封存模块(CAM),CAM采用钛合金作为承力结构,并在外部安装热防护垫,内部安装了数十根加强筋,连接在CAM壳体和SCV之间,将C-OS支撑在CAM的腔体中以起到缓冲和防热作用,并将着陆冲击均匀传递到C-OS外层壳体上以减少OS过载。CAM腔体空隙内则填充了蜂窝复合吸能材料来缓冲EEV接地时产生的过载。CAM的钛合金壳体可以有效地减少在撞击落地时C-OS被异物穿刺的风险。EEV反向污染阻断以及CAM密封结构示意图如下:

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(图3-3-g,EEV剖面图,左图为EEV各层阻断结构剖面,右图为CAM内部结构剖面)
 
3-4.地面样本处理设施
火星样本处理设施(MSHF)是处理EEV及其封装的OS的地面设施,目前还没有确定具体方案,但基础要求参照最高级别的生物防护实验室进行设计和建造,样本处理以全闭环方式完成,防止火星样本污染地球生物圈。在EEV在着陆后会被立即使用直升机运抵UTTR相关设施,随后被装入机动回收车,以陆路和航空方式运抵MSHF。在接收EEV后MSHF会对其进行拆解,取出OS和内部封装的样本,在确保样本状态完整且具有科学价值后,会由JSC向相关研究机构分发火星样本用于科研,整个流程如图3-4-a所示。

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(图3-4-a,返回火星样本的处理与分发流程)
 
 
4.任务过程
MSR项目实施整体实施过程按时间顺序可分为M2020预采样、SRL和ERO发射和巡航、SRL抵达火星并进行EDL、ERO抵达火星并降轨至LMO、SFR回收并转移样本、MAV点火升空并进入LMO、ERO捕获并封装OS、ERO从火星逃逸、ERO火地转移和EEV着陆,项目流程远复杂于历史上的其他深空任务,其关键环节如图4-0-a所示:

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(图4-0-a,MSR项目总体安排)

从总体时间安排来看,MSR项目并没有采用理论上最短的26/26/29时间线,而是采用26/26/31时间线,即SRL和ERO在2026年发射,样本于2031年返回,如图4-0-b所示。相较于26/26/29时间线来说,26/26/31时间线需要的地火转移时间更长,但有以下优点:

  • 可以采取化学-离子组合推进系统,可以显著增加ERO载荷质量
  • ERO可以为SRL火星表面任务提供完整的通信中继支持
  • 为SRL火星表面任务和ERO在轨OS抵近与捕获提供更长的时间
  • 为SRL提供太阳能更充足的火星北半球春夏季与更加良好的任务环境
  • 避免SRL火星表面任务遭遇火星全球性沙尘暴威胁
  • 地火通信条件更加方便

 

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(图4-0-b,MSR项目时间线总览)
 
4-1.发射、巡航与火星到达
由于M2020属于相对独立的任务,在此不再赘述其任务安排。从图中不难发现,虽然因为SRL采用长地火转移,发射有着比较宽泛的发射窗口,但由于SRL目前较为丰富,可以采用全太阳能低C3引力弹弓轨道设计,无法抵御但为了规避可能在火星北半球冬季可能出现的全球性沙尘暴,因此其SRL的着陆窗口被严格限制在了火星北半球春季,且地表任务被限制在210sol以内,以获得最佳的太阳能供应,同时避免受到火星全球沙尘暴影响。综合以上条件,JPL将SRL的发射窗口确定在2026年7月底,该窗口采用一条发射C3约12.1km2/s2,转移时间约2.06年的地火转移轨道,可以使用现役的宇宙神V551或其他同运力运载火箭进行发射。SRL的发射、巡航与EDL过程如图4-1-a和4-1-c所示:

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(图4-1-a,SRL地火转移与EDL时间线)
与SRL不同,ERO在使用阿里安6运载火箭进行发射后将进入一条能量较低的C3=5.6 km2/s2的低能量地火转移轨道,因此ERO会在巡航过程中使用离子推进器加速,在经过420天的巡航后抵达火星并使用安装在OIM化学推进系统进入大椭圆火星轨道。随后,ERO将抛弃OIM,在大气刹车和离子推进系统的共同工作下降轨进入LMO,同时对SRL、M2020、SFR和MAV的火星地表任务进行通信中继支持,其任务过程如图4-1-b所示。

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(图4-1-b,SRL地火转移轨道示意图)

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(图4-1-c,ERO地火转移、火星轨道捕获和降轨执行通信中继任务时间线)
4-2.火星表面任务

对于MSR项目来说,火星地表任务是最复杂和关键的一环,需要SRL在、M2020、SFR与在轨的ERO(以及其他轨道器)相互之间密切配合,才能在210Sol内完成样本管拾取和转移任务,并发射MAV,这一阶段的时间线如图4-2-a所示:

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(图4-2-a,MSR火星地表任务时间线总览)

SRL在着陆并完成初步测试后会立即部署SFR,开始下一阶段样本管拾取与转移任务。SFR将会以平均250m/sol的行驶速度开往M2020样本管存放点,在拾取样本管后开回SRL着陆点,如图4-2-b所示:

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(图4-2-b,SFR执行样本管回收任务时间线)
此外,现有MSR火星表面任务中添加了M2020/毅力号漫游车的任务,在毅力号自身的任务规划中,它将在火星表面合适的位置扔下一部分样本管(最多31根),随后SFR拾取这部分样本管并返回SRL。此外,由于一共搭载了42根样本管,毅力号将在拓展任务中继续采样,如果在SRL着陆时仍然有足够的机动能力,毅力号将行驶至SRL着陆点并将剩余样本管交付给SRL,其过程如图4-2-c所示:

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(图4-2-c,毅力号漫游车执行样本管交付时间线)
 
4-3.MAV发射与OS在轨捕获
作为整个MSR项目最为关键的阶段,MAV发射和OS在轨捕获的成功与否直接关系着MSR项目的成败,在M2020和SFR交付收集的样本管后,SRL会使用样本转移机械臂将样本管装入OS中,并盖上OS前盖将其密封。随后进入MAV发射准备阶段,MAV将关闭载荷舱整流罩、从保护罩中起竖、进行GNC标定、温控和通信检查,随后执行发射,如图4-3-a所示:

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(图4-3-a,MAV发射前准备时间线)
MAV发射过程已经在上文详述,从MAV发射到入轨的过程中,SFR和M2020将会对MAV飞行过程进行光学跟踪以用于后续分析,而ERO在MAV发射时位于一条能持续对OS进行跟踪、测控和通信的轨道上,并在OS入轨并释放后立即对其进行光学识别,同时对MAV二级的UHF信标进行跟踪,确定OS轨道并执行轨道交会。在经历OS捕获、固定、旋转和封装一系列过程后,使用CCRS将OS封入EEV中并阻断反向污染,完成火星轨道样本捕获和封装作业。之后ERO将开始准备火星轨道逃逸,这一过程如图4-3-b和4-3-c所示:

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(图4-3-b,ERO执行OS捕获和封装任务时间线)

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(图4-3-c,MAV发射跟踪测控方案)
 
4-4.火地转移与EEV着陆
火星逃逸和火地转移过程都需要持续的离子引擎推进,需要ERO具备合适的初始轨道光照条件。在火地转移过程末段ERO将实施多次轨道控制,以满足EEV再入角度和精度要求,需要注意的是,作为阻断反向污染的一环,ERO在释放EEV后将执行地球规避机动,随后进入环日轨道,完成全部任务。

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(图4-4-a,ERO火星逃逸、火地转移与EEV着陆时间线)
一旦EEV在UTTR着陆,回收作业会立即开始,并争取在最短时间内将EEV回收并封存隔离,随后EEV将被送往MSHF,将样本取出并进行处理和研究。当这一步顺利完成时,MSR将达到所有工程目标,同时也标志着基础任务的成功。
以上就是MSR项目时间线。总的来说,MSR需要各个架构之间的密切配合和协调,虽然MSR项目中的单个项目能够容许一定程度上的提前或推迟(如ERO),但由于项目需要密切配合,因此对单个任务的时间调整存在一定的困难。
 
 
5.结论
火星采样返回项目是对NASA目前的火星探索项目的拓展和延伸,具备及其重要的科学和工程价值。通过使用地球上先进的科学分析技术对返回火星样本的分析,能极大地加深人类对火星地质多样性、天体生物学相关性和地质年代学等关键问题的理解。同时,通过对MSR的实施,NASA能够提前验证载人火星登陆与返回任务的诸多关键技术,为美国计划在2030年代实施的载人登火工程提供坚实的技术基础
不过,尽管MSR各架构设计与任务规划已经尽可能进行了风险分析和削减,目前的MSR项目仍然过于单链条化,任何一个关键架构的任务失败就会导致整个项目遭遇灾难性失败,无法满足目前NASA对大型项目的A类风险评估要求,需要进一步优化架构以降低任务风险,最大化项目产出。尽管目前MSR项目才刚刚初见曙光,但我相信,随着项目的正式实施,这是将会是人类距离实现火星样本返回的梦想最近的一次。
参考文献
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  17. M. Hendry, R. Gershman, B. Muirhead, MSR: Breaking the Chain of Contact, Presented to (virtual) MEPAG Spring Meeting, April 15, 2020

 

 

(全文完)


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  1. 40年累积的理论能不多吗?40多年了还没拿到手,一会儿说钱不够,一会儿说伙伴不给力,希望中国能提前取样返回

  2. 说实在,这篇文章确实干货满满,里面的信息非常具体,对整个计划和项目的复杂性描述是一场非常生动的教学。 但最重要的一点,这里面写到的关于发射重量的问题,疑问很大,SRL/MAV/ERO这几个东西重量限制太严重了,导致冗余太小,就现在SpaceX的技术,还需要用阿丽亚娜6和宇宙神五号551去发吗?对于火星挖土的项目这两个火箭的运载也太低了,直接用猎鹰重型(地火轨道运力16.8吨)或者后面的SLS系统就可以了,而且猎鹰重型成本其实比前面两种高不到哪里去。

  3. starship技术更难、实现风险更大,个人觉得不要抱很高期望

  4. 很详实的文章!火星有大气、距离地球更远,对上升器的要求高。为了占26%质量比的火星样品,这地球再入器EEV直接进入大气撞击地面,有点生猛。

  5. 实在太复杂了。如果Starship进展顺利,真不如考虑用它直接上火星挖土带回来。

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