携带萤火-1的“火卫一-土壤”探测器未能按计划变轨

□□俄罗斯时间2011年11月9日00∶16，搭载有我国首颗火星探测器—萤火-1的俄罗斯“火卫一-土壤”火星探测器（Phobos Grunt），在拜科努尔发射场由俄罗斯天顶-2SB（Zenit-2SB）运载火箭发射升空。升空后由于“火卫一-土壤”探测器在地球轨道运行时出现故障，未能按计划实现变轨，萤火-1无法进入地火转移轨道，有可能在2012年1月坠入地球大气层。

“火卫一-土壤”探测器是俄罗斯自1996年火星-96发射失败以后的第一个火星探测项目。该任务的主要目的是采集火卫一的土壤样品并返回地球进行研究，同时对火卫一、火星和火星环境进行科学探测。“火卫一-土壤”探测器搭载了两项火星探测项目，即中国的萤火-1探测器和美国的“微生物行星际飞行生存能力实验”（LIFE）生物舱。芬兰火星“气象网”（MetNet）先遣任务原本也计划搭载“火卫一-土壤”探测器发射，但后来由于研制进度滞后和“火卫一-土壤”探测器发射质量限制等原因被取消。整个“火卫一-土壤”项目耗资达50亿卢布（约10.5亿人民币）。

1 “火卫一-土壤”探测器的科学目标

“火卫一-土壤”探测器的发射质量为13500kg，原定任务时间为3年。

“火卫一-土壤”探测器的科学目标如下：

· 火卫一土壤样品采样返回，对火卫一、火星和火星环境进行研究；

· 对火卫一进行现场和远程研究；

· 监测火星大气，如火星的尘埃风暴；

· 研究火星环境，包括辐射环境、等离子体和尘埃；

· 研究火星卫星的起源及其与火星的关系；

· 探寻小行星撞击对类地行星形成的影响；

· 搜寻火星过去和现在可能存在的生命迹象。

2 “火卫一-土壤”探测器的构型

“火卫一-土壤”探测器是在苏联1988年发射的“火卫一”火星探测器的基础上改进的。其主要变化有两点：①在着陆系统与推进系统之间增加连接框架，取代原有的隔框，框架内放置萤火-1；②推进系统底部增加了可脱落燃料箱，增加了推进剂储量。

苏联1988年发射的“火卫一”火星探测器构型图

“火卫一-土壤”探测器的结构图

“火卫一-土壤”探测器与萤火-1质量分配

3 “火卫一-土壤”探测器的有效载荷

“火卫一-土壤” 探测器携带了4种有效载荷，包括导航与采样仪器、表层土壤成分与内部结构探测仪器、火星环境研究仪器以及天体力学实验设备。

“火卫一-土壤”探测器在轨示意图

“火卫一-土壤”探测器导航与采样仪器主要性能

“火卫一-土壤”探测器表层土壤成分及内部结构探测仪器主要性能

“火卫一-土壤”探测器火星环境研究仪器主要性能

“火卫一-土壤”探测器天体力学实验设备主要性能

“火卫一-土壤”探测器与萤火-1的组成

4 “火卫一-土壤”探测器搭载的火星探测项目

中国的萤火-1

“火卫一-土壤”搭载了中国研制的萤火-1火星轨道器。火星古称“荧惑”，因此中国以谐音将其第一颗火星探测器命名为萤火-1。

萤火-1搭载在“火卫一-土壤”上由天顶号运载火箭发射升空。原定在2012年10月进入火星引力场后，萤火-1与“火卫一-土壤”分离，进入绕火星运转的800km×80000 km、倾角为5°的大椭圆轨道。在此轨道上，萤火-1将自主完成对火星高层大气和空间环境的探测，并与“火卫一-土壤”联合完成对火星环境的掩星探测。萤火-1的在轨工作时间原定为1年。

萤火-1外形尺寸为750mm×750mm×600mm，质量115kg，为三轴稳定的六面体结构，由舱体、高增益抛物面天线和太阳电池阵组成。高增益天线抛物面直径为950mm。探测器舱体内部装有有效载荷、电源、姿控、测控数据传输、综合电子等分系统；舱体外部装有有效载荷传感器、姿态敏感器、推力器、接收天线、发射天线（高、低增益天线）等。探测器由星上计算机实现整星的数据管理、运算和控制。

萤火-1的平均功率为90W，峰值功率180W，设计寿命为2年。高增益天线（S频段）数据传输率为8～16bit/s，双频12W发送机（8.4GHz和7.17GHz）；低增益天线速率80bit/s（上/下行链路）。电源系统采用全调节母线控制方式；双翼三结砷化镓太阳电池，总长7.8m。热控系统以被动热控为主，主动热控为辅。计算机采用31750CPU中央处理器，板式结构。为满足有效载荷正常工作和深空通信对姿态控制的要求，采用星敏感器加惯性基准进行姿态测量，由4个反作用飞轮组成零动量控制方式，实现对太阳、地球、火星及“火卫一-土壤”探测器定向的三轴稳定姿态控制（氨气推进）。探测器的轨道确定应用甚长基线干涉（VLBI）测量网多普勒单向测速方法获取空间位置参数。数据传输采用直接对地球通信方式，应用欧洲航天局（ESA）和俄罗斯的深空天线以及甚长基线干涉测量网。

萤火-1的主要科学目标如下：

· 研究火星磁场、电离层和粒子分布及其变化规律；

· 探测火星大气离子逃逸率，探索太阳风和火星大气相互作用对火星水体损失的影响；

· 探测火星地形、地貌和沙尘暴，拍摄火星和火卫一表面照片；

· 探测火星引力场；

· 通过掩星探测，研究火星空间环境。

萤火-1示意图

萤火-1和“火卫一-土壤”探测器探测轨道示意图

“微生物行星际飞行生存能力实验”生物舱

“火卫一-土壤”搭载的由美国行星协会设计的“微生物行星际飞行生存能力试验”生物舱，目的是测试微生物是否能在近3年的星际旅行中存活下来。该实验生物舱载有10种微生物和来自地球北极永冻地区的土壤。

萤火-1携带的有效载荷

为了最大限度减小“微生物行星际飞行生存能力试验”生物舱对“火卫一-土壤”任务的影响，生物舱为一个质量不超过100g、直径为50mm、厚度为18mm的圆柱壳体。10种微生物样品分别装在30个小孔中，每种样品的容积仅几立方毫米。为获得最好的研究效果，每种样品准备了3份。此外，还准备了一个直径为26mm的容器放置取自地球永冻地区的土壤样品。

“微生物行星际飞行生存能力试验”生物舱也引起了行星保护方面的一些争议，有批评观点认为该实验违背了1967年的《外层空间条约》，实验携带的微生物可能会对火卫一或火星造成污染。如果“火卫一-土壤”探测器失控撞上火星，该实验携带的抗热微生物有可能在撞击和爆炸中存活下来。

“微生物行星际飞行生存能力试验”生物舱结构

因故被取消的火星“气象网”先遣任务

火星“气象网”先遣任务是由芬兰气象研究所2001年启动并开始研制的火星大气环境的探测任务。该任务计划向火星表面发送几十个火星“气象网”着陆器（MNL），目的是在火星表面建立广泛分布的观测网，对火星大气结构、物理性质和气象状态进行研究。

火星“气象网”包括一个全局范围多点分布的表面探测器网，并通过在轨配套卫星作为补充，观测时间为2个火星年。为获取较好的火星全局气象图，至少需要10～20个探测器观测站点。

为验证在火星表面全局布网（发射多个火星“气象网”着陆器）观测火星大气的概念，芬兰气象局研制了“火星气象网先遣任务”，计划先发射1～2个火星“气象网”着陆器。火星“气象网”先遣任务作为搭载项目，原本计划随着“火卫一-土壤”发射，随后将在其他发射窗口发射更多着陆器，一直到2019年。但由于火星“气象网”先遣任务研制进度滞后，且“火卫一-土壤”2011年的发射窗口对发射质量有严格的限制，导致该搭载项目被取消。

火星“气象网”先遣任务的进入、下降与着陆（EDL）过程

整流罩中的“火卫一-土壤”探测器

“火卫一-土壤”探测器的计划飞行时间表

5 “火卫一-土壤”探测器研制进展及意义

“火卫一-土壤”探测器原定于2009年发射，但在临近发射前数月，俄罗斯宣布，为了进一步保证该项目实施的可靠性，包括更精确地设计采样设备，将发射时间推迟到2011年。

苏联/俄罗斯的火星探测之路非常坎坷，在发射“火卫一-土壤”探测器之前，共向火星发射了18次探测器，其中发射失败7次，任务失败6次，只有5次获得部分成功，任务部分成功率仅为27.8%，至今还没有完全成功的火星探测任务。20世纪60～90年代，苏联/俄罗斯在社会、经济领域经历了一系列重大变革，火星探测活动从此陷入停顿。在过去几十年里，苏联/俄罗斯一直在世界航天领域占据非常重要的地位，在一些方面都领先于美国和欧洲。然而近年来，出于各种原因，俄罗斯在航天领域的活动屡受挫折。此次“火卫一-土壤”任务的失败无疑使本就惨淡的俄罗斯火星探测之路雪上加霜。■