该航天器将传回关于火星的表面，大气层和磁层的大量资料

“火星全球调查者”航天器定于11月发射，这标志着在“海盗”号着陆器任务之后，时隔20年美国对该行星一个新系列科研任务的开端。

“调查者”规划要求，至2005年的5次发射良机中的每一次，有2项飞往火星的任务。

即将来临的“火星全球调查者”发射在“火星观察者”失败3年后进行。“火星观察者”曾被打算用来对该行星进行全面研究，它是于1993年恰好在抵达其目的地之前失事的。

人们期待着美国航空航天局的“火星全球调查者”在一整个火星年期间能传回空前大量的关于该行星的表面、大气层和磁层的科学资料。这种资料将被用来建立一个综合的数据库，以便帮助安排未来的任务。

“火星全球调查者”恰好是在该航天局的“探路者”任务下达之前发射的，“探路者”是火星表面着陆器的技术验证装置，不过它将被置于快速航道，比“火星全球调查者”先抵达火星。“探路者”不是“调查者”规划的组成部分。

“火星全球调查者”旨在恢复“火星观察者”规划的大部分科研课题，但是将使用正在由麦克唐纳 · 道格拉斯公司放样的更小更轻的航天器，以便降低规划成本。“火星观察者”是用洛克希德 · 马丁公司“大力神3型”运载火箭发射的。

“火星全球调查者”航天器被安置在环绕该行星的低高度、接近极点、与太阳同步的轨道上，从1998年3月开始进行历经687个地球日的观察阶段。与“火星全球调查者”发射重量1060公斤相比，“火星观察者”重220公斤，这便使该航天器寄托于“德尔它7925A”运载火箭的最大发射能力，在规定的最佳发射时间飞往火星。

除了依靠携带165英磅科学仪器代替“火星观察者”携带的330英磅来减轻重量，以符合“德尔它2型”的能力外，该航天器主体结构主要利用石墨环氧树脂材料与蜂窝基本结构来制造。

由于决定利用空气动力制动方法来抵达环绕该行星的最终测绘轨道，“火星全球调查者”还将在携带不到“火星观察者”航天器推进剂一半的情况下发射。

抵达火星后，该航天器便飞过火星的北极上空，进入周期为48小时的大椭圆轨道。其目标是要使该航天器转入周期为2小时的圆形轨道，执行测绘任务。

为了符合规划成本上限和“德尔它2型”发射能力，规划官员们将利用在4个月期间多轨道通过所遇到的大气阻力，使该航天器轨道逐渐地圆化到环绕火星的低空轨道。就航天器和仪器及发射后30天作业而言，不包括运载火箭，此项目的成本是1.54亿美元。项目官员们希望是400~500万美元，在预算之内。

喷气推进实验室美国航空航天局的项目经理格伦 · 坎宁安（Glenn Cunningham）说，从1997年10月初直至来年3月1日左右，该航天器将在离火星表面110公里左右（于它的最低高度）通过，慢慢降低其轨道高点的高度。

“显然这是此项任务风险最大的航程”，坎宁安说。该航天器没有足够的推进能力进入执行测绘任务所需的低空且与太阳同步运行的轨道。

利用空气动力制动技术，初始捕获轨道的56，662公里远重心点将缩小到大约450公里圆形轨道。

在空气动力制动期间，该航天器于它的椭圆轨道低点擦过火星大气层上缘。这便在该航天器后端和后掠角约30°的太阳电池板上产生微量空气动力阻力。

在近拱点（轨道低点）处速度降低，终于造成卫星速度和离该行星表面轨道最高点即远重心点的高度降低。

喷气推进实验室“火星调查者”运行任务设计师韦恩 · 李（Wayne Lee）说，初期将利用推进系统使该航天器降低到上大气层。额外的推进机动则用来修正在目标高度处该行星大气层的不确定性。

还存在着可能发生尘暴的不确定性，预计这些尘暴会在进行空气动力制动期间开始。尘暴可能增加近拱点处大气密度。

首次“步入”机动安排在插入火星轨道之后9天，将使用主发动机把近拱点置于大气层上缘，并纠正插入火星轨道误差。

随后3次“步入”机动将根据前面燃烧结果进行更细致的调整，而且以反作用力控制系统推力器而不是以航天器主发动机进行。这最后3次机动分别间隔8天、6天和8天。

在主要的空气动力制动阶段，大部分“轨道能量”被消耗掉，这阶段持续时间在69~82天之间，取决于在20天最佳发射时限里具体的发射日期。

此外，将在远重心点进行一些小的推进机动，以保持在近拱点的正确高度。目标近拱点的高度是至关重要的，因为它必须低至足以产生足够的阻力以便把轨道缩小到由期望轨道所要求的时间约束范围内，但是要高到足以保持在航天器加热极限和允许的动压范围内。

在空气动力制动通过期间，种种过程自始至终由航天器上存放的指令程度控制，这种程序将周期性地予以更新。航天器的姿态控制在每次通过的起点从反力式叶轮过渡到推力器控制。

紧接着主要的空气动力制动阶段，最后3周涉及到航天器接近它的450公里目标远重心点，与此同时，其近拱点将逐渐从大约110公里上升到逃脱大气的制动效应。在1998年1月中旬的最后燃烧将使近拱点上升到大约450公里，按设计，轨道旋转周期略小于2小时。

唯一类似的行星空气动力制动是“麦哲伦”任务结束时作为一种概念试验进行的。但是，与“麦哲伦”不同，“火星全球调查者”航天器的部件和材料——诸如太阳电池板和太阳电池胶——专门设计供空气动力制动使用。坎宁安说，空气动力制动期间主要问题是，保持太阳电池板温度低于胶熔化的温度。

如果离表面的高度调得太低，航天器将进入大气层烧掉。如果“火星全球调查者”飞得离表面太高，空气动力制动过程可能比设计的要长。此项任务受着抵达航天器于当地下午2点从北向南飞过火星赤道的轨道的要求约束。该航天器每天都要在同一时间飞过赤道，以便提供数据一致性和获得最大可能的红外测量。

此规划的应急手段其重要部分已经作过研究，以便改进于110公里近拱点高度的大气层模型，以及在万一出现问题时提供一些飞行退却位置。

研究工作包括分析“海盗”号数据和以地面为基地的对火星大气层的观测。

“我们已经花了大量时间研究空气动力制动程序”，坎宁安说，“这是使该航天器进入它要抵达轨道的一个重要的连续步骤。如果它没有进入该轨道，测绘任务会严重受到限制。”

“火星全球调查者”将携带“火星观察者”所携带的原来8个科学仪器中的6个——或许是飞行备件，或许是用备件制成的仪器。这些仪器是：

· 磁强计和电子反射仪，由戈达德空间飞行中心研制，用来研究磁场和太阳风与火星的相互作用。

· 火星轨道器照相机，由马林空间科学设备公司制造，用于绘制表面地图和大气层图。

· 火星轨道器激光测高计，由戈达德空间飞行中心研制，用来研究表面地形和重力场。

· 火星中继无线电设备，由CNES法国空间局提供，用来支援未来美国和国际火星任务。

· 热辐射摄谱仪，由亚利桑那州大学提供，用来测量矿物、冷凝物、尘埃、热特性和大气。

· 超稳定振荡器，无线电科学用，用来研究重力场和大气层。

此项任务的科研目标包括以高立体分辨率描绘表面几何形状和确定磁场特性。此外还将监测大气层的气候和热结构，以及帮助选择未来的降落地点。

坎宁安说，“此项任务（适用于一般的行星调查）是朝着帮助确定要继续进行附加的生命探索地区向前迈出的重要一步”。他补充说，例如，可以利用附加的跟踪时间表制作更高分辨率的图像，以便看清在江床和湖床中某些科学家认为可能有地下水供给生命的地区。

[Aviation Week & Space Technology，1996年9月16日］