習近平主席提出，探索浩瀚的宇宙是全人類的共同夢想。探索的道路是充滿創(chuàng)新與荊棘的路徑，但人類仍勇往直前。1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星斯普特尼克1號發(fā)射成功，開啟了人類的航天時代；1961年尤里·加加林成為第一位進入太空的地球人，實現(xiàn)了人類進入太空的愿望；1969年阿姆斯特朗成功登上月球，以他個人的“一小步”，帶動了人類航天技術發(fā)展的“一大步”；1970年4月24日，我國第一顆人造衛(wèi)星東方紅一號發(fā)射成功，開啟了中國航天史的新紀元；2013年，嫦娥3號月球探測器成功發(fā)射，標志著我國成為世界上第三個具有月球軟著陸能力的國家。人類對宇宙的探索越來越遠，深空特別是火星更是成為各國爭相探索的熱點，美國、俄羅斯、歐盟等國家和地區(qū)均已積極開展了相關的火星探測活動，并取得了豐富的成果。我國也于2020年7月發(fā)射了“天問一號”探測器，開啟了火星探索之旅。
美國好奇號火星車是迄今為止最為成功的行星車之一，它使用了可拼接擴展的隔熱設計、安全準確的著陸方式、靈活穩(wěn)定的供電以及自主快速的通信等多項先進技術。好奇號是在火星表面著陸并成功運行至今的最先進的火星探測器，它攜帶了10種有效載荷，先后發(fā)現(xiàn)了火星上存在水、有機物、微生物等的直接證據(jù)，初步探索了火星大氣的演化，測定了火星的輻射環(huán)境，取得了多項重大發(fā)現(xiàn)。對好奇號火星巡視器進行全面和系統(tǒng)的專業(yè)解讀，不僅可以為我國火星探測提供設計理念和技術基礎方面的借鑒，而且可以為航天工程專業(yè)的教學提供教材。
本書從美國好奇號火星車的研制歷程、主要任務、科學目標、各分系統(tǒng)及創(chuàng)新點與取得的成績等方面，系統(tǒng)地描述了好奇號火星車的科學目標的具體實施情況，它概括了好奇號火星車的總體技術方案；對好奇號火星車的有效載荷分系統(tǒng)、移動分系統(tǒng)、結(jié)構與機構分系統(tǒng)、自主導航分系統(tǒng)、綜合電子分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、測控數(shù)傳分系統(tǒng)等進行了重點的剖析；對好奇號火星車的著陸與地面驗證技術進行了重點的闡釋；全面總結(jié)了好奇號火星探測任務實施的經(jīng)驗；分析了NASA的項目管理體制及好奇號的研制經(jīng)驗，對我國航天工程具有較強的借鑒意義。
本書在全面解析好奇號火星車的同時，也系統(tǒng)地梳理了火星車研制的關鍵技術，展望了火星探測的發(fā)展前景、路徑及技術需求，填補了我國在火星探測領域?qū)I(yè)著作的空白，對我國未來的火星探測具有十分重要的引領和推動作用。
第1章緒論1
1.1火星探測背景1
1.2火星環(huán)境5
1.2.1溫度環(huán)境5
1.2.2大氣環(huán)境5
1.2.3引力環(huán)境5
1.2.4地形地貌5
1.2.5輻照環(huán)境6
1.2.6塵暴環(huán)境6
1.3火星探測的科學成果6
1.4火星探測的工程成果7
1.5行星保護7
第2章火星著陸巡視探測歷程9
2.1火星探測的目的及意義9
2.2火星探測任務分析10
2.3火星探測器技術參數(shù)對比12
2.4歷次火星探測的科學目標及發(fā)現(xiàn)14
2.4.1海盜1號和海盜2號15
2.4.2火星探路者和索杰納號15
2.4.3勇氣號與機遇號16
2.4.4鳳凰號著陸器18
2.4.5洞察號著陸器20
2.4.6其他火星探測任務21
2.5歷次著陸點及其分布圖22
2.5.1著陸區(qū)域選擇22
2.5.2著陸區(qū)域特點24
第3章好奇號的任務與成果29
3.1好奇號任務29
3.2科學目標論述29
3.2.1美國火星探測戰(zhàn)略科學目標29
3.2.2好奇號的科學目標30
3.3好奇號取得的成果30
3.3.1科學成果30
3.3.2工程成果48
3.4好奇號日志51
3.4.1古代火星具有適宜微生物生存的環(huán)境條件51
3.4.2研究古代火星宜居性以及火星環(huán)境演化51
3.4.3研究火星地質(zhì)變化的歷史52
3.5好奇號預期目標對比54
第4章好奇號總體技術方案55
4.1好奇號任務過程55
4.1.1發(fā)射階段56
4.1.2星際巡航與火星接近階段57
4.1.3EDL階段58
4.1.4首次行走62
4.1.5火星表面巡視探測過程63
4.2系統(tǒng)組成及功能63
4.2.1總體構型與布局63
4.2.2移動分系統(tǒng)69
4.2.3結(jié)構與機構分系統(tǒng)69
4.2.4自主導航分系統(tǒng)70
4.2.5綜合電子分系統(tǒng)70
4.2.6電源分系統(tǒng)70
4.2.7熱控分系統(tǒng)70
4.2.8測控數(shù)傳分系統(tǒng)71
4.2.9有效載荷分系統(tǒng)71
4.3好奇號的行星保護71
4.4總體技術指標72
4.5工作模式75
4.5.1控制模式75
4.5.2通信模式76
第5章有效載荷分系統(tǒng)78
5.1有效載荷與科學目標的關系78
5.2有效載荷組成及功能78
5.3有效載荷布局80
5.4桅桿相機81
5.4.1設計目標81
5.4.2技術參數(shù)82
5.4.3設備組成及功能82
5.4.4關鍵部件解析85
5.5輻射評估探測儀85
5.5.1設計目標86
5.5.2技術參數(shù)86
5.5.3設備組成及功能86
5.5.4關鍵部件解析86
5.6化學分析相機88
5.6.1設計目標88
5.6.2技術參數(shù)89
5.6.3設備組成及功能89
5.6.4關鍵部件解析90
5.7環(huán)境監(jiān)測站91
5.7.1設計目標91
5.7.2技術參數(shù)92
5.7.3設備組成92
5.7.4關鍵部件解析93
5.8中子動態(tài)反照率探測器95
5.8.1設計目標95
5.8.2技術參數(shù)95
5.8.3設備組成及功能96
5.8.4關鍵部件解析97
5.9下降成像儀99
5.9.1設計目標100
5.9.2技術參數(shù)100
5.9.3設備組成及功能100
5.9.4關鍵部件解析100
5.10樣本分析儀101
5.10.1設計目標101
5.10.2技術參數(shù)101
5.10.3設備組成及功能103
5.10.4關鍵部件解析103
5.11化學與礦物學分析儀106
5.11.1設計目標106
5.11.2技術參數(shù)106
5.11.3設備組成及功能107
5.11.4關鍵部件解析110
5.12手持透鏡成像儀113
5.12.1設計目標113
5.12.2技術參數(shù)114
5.12.3設備組成及功能114
5.12.4關鍵部件解析120
5.13α粒子X射線光譜儀122
5.13.1設計目標122
5.13.2技術參數(shù)122
5.13.3設備組成及功能123
5.13.4關鍵部件解析127
5.14再入下降著陸儀128
5.14.1設計目標128
5.14.2技術參數(shù)128
5.14.3設備組成及功能129
5.14.4關鍵部件解析129
第6章移動分系統(tǒng)134
6.1功能與組成134
6.1.1搖臂轉(zhuǎn)向架式懸架系統(tǒng)134
6.1.2連桿式差速機構136
6.1.3車輪140
6.1.4驅(qū)動機構142
6.2主要技術指標142
6.3關鍵技術解析143
6.3.1好奇號任務初期地面力學分析143
6.3.2滑動軸承研究145
第7章結(jié)構與機構分系統(tǒng)150
7.1功能與組成150
7.1.1結(jié)構子系統(tǒng)設計150
7.1.2樣本獲取、處理與傳送子系統(tǒng)（SA/SPAH）設計155
7.1.3機械臂子系統(tǒng)設計168
7.1.4鉆機子系統(tǒng)設計173
7.1.5火星巖石原位采樣分析儀子系統(tǒng)182
7.1.6除塵工具188
7.2主要技術指標196
7.3關鍵技術解析197
7.3.1MSL小質(zhì)量灰塵除塵技術197
7.3.2極端環(huán)境下的機電系統(tǒng)設計技術202
第8章自主導航分系統(tǒng)206
8.1功能與組成206
8.1.1視覺導航子系統(tǒng)207
8.1.2組合導航子系統(tǒng)210
8.1.3路徑規(guī)劃子系統(tǒng)211
8.2主要技術指標211
8.2.1導航相機211
8.2.2避障相機212
8.3關鍵技術解析213
8.3.1巡視器定位定姿技術213
8.3.2視覺測程技術215
8.3.3路徑規(guī)劃技術220
8.4未來行星車自主導航技術的發(fā)展223
8.4.1地形預測223
8.4.2航行速度223
8.4.3自主能力224
8.4.4巖心取樣224
第9章綜合電子分系統(tǒng)226
9.1功能與組成226
9.1.1綜合電子分系統(tǒng)主要功能226
9.1.2綜合電子分系統(tǒng)組成226
9.1.3硬件227
9.1.4軟件234
9.2主要技術指標241
9.3關鍵技術解析242
9.3.1分布式電機控制技術242
9.3.2適用于低溫環(huán)境的專用集成電路加工技術245
第10章電源分系統(tǒng)247
10.1功能及組成247
10.1.1功能247
10.1.2組成247
10.2主要技術指標252
10.3關鍵技術253
10.3.1高可靠多任務同位素熱電發(fā)電機總體技術253
10.3.2多任務同位素熱電溫差發(fā)電技術256
10.3.3多任務同位素熱電發(fā)電機熱防護技術258
10.3.4耐低溫鋰離子電池技術261
第11章熱控分系統(tǒng)264
11.1功能與組成264
11.1.1功能264
11.1.2系統(tǒng)組成266
11.2主要技術指標269
11.3關鍵技術解析269
11.3.1EDL階段氣動熱防護技術269
11.3.2流體回路系統(tǒng)技術278
11.3.3關鍵部件熱設計概述287
11.3.4熱平衡試驗293
第12章測控數(shù)傳分系統(tǒng)299
12.1功能與組成299
12.1.1功能299
12.1.2系統(tǒng)組成299
12.2主要技術指標302
12.2.1器地X頻段指標302
12.2.2器間UHF頻段指標303
12.3關鍵設備解析304
12.3.1器地X頻段關鍵部件304
12.3.2器間UHF關鍵部件313
第13章著陸與地面驗證技術321
13.1巡視器著陸技術321
13.1.1著陸過程321
13.1.2著陸系統(tǒng)組成與功能分析328
13.1.3著陸技術分析及解決途徑344
13.1.4好奇號著陸技術的創(chuàng)新性361
13.1.5小結(jié)365
·ⅩⅦ·
13.2地面驗證技術365
13.2.1利用ADAMS仿真進行空中吊車系統(tǒng)論證365
13.2.2MSL熱真空安全性及有效性測試375
13.2.3MSL巡視器結(jié)構的離心試驗驗證與確認379
第14章好奇號任務的前沿性分析387
14.1首次采用空中吊車著陸緩沖技術387
14.2續(xù)航能力強勁387
14.3設計行程遠387
14.4樣本采集能力強388
14.5任務更復雜388
14.6科學儀器多樣化且能有機協(xié)作388
14.7結(jié)構特點靈活389
14.8軟件系統(tǒng)功能強389
14.9自主熱控系統(tǒng)390
第15章好奇號任務的組織管理391
15.1研制流程391
15.2參研單位及任務分工392
15.2.1政府航天部門392
15.2.2研究機構393
15.2.3參與高校393
15.2.4國際合作機構394
15.2.5參與企業(yè)394
15.2.6MSL項目辦人員名單395
15.2.7有效載荷研究人員名單395
15.3工作模式400
15.3.1MSL科學團隊成員400
15.3.2MSL科學團隊合作人員405
15.3.3增員與裁員405
15.3.4運行方針405
15.3.5活動信息406
15.3.6參與測試與訓練406
15.3.7儀器向上傳輸信息的準備工作406
15.3.8用于工程技術的儀器設備406
·ⅩⅧ·
15.4管理模式406
15.4.1NASA總部項目管理組織及其管理職能406
15.4.2全面質(zhì)量管理（TQM）措施409
15.4.3經(jīng)費管理411
15.4.4招標和外包程序411
15.4.5在國際航天交流中應遵循的原則412
15.5管理方法413
15.5.1利用過程的方法進行項目管理413
15.5.2利用標準化的方法進行項目管理415
15.5.3加強項目人力資本的開發(fā)與培訓415
第16章未來火星探測規(guī)劃417
16.1美國火星發(fā)展規(guī)劃417
16.1.1美國火星探測發(fā)展規(guī)劃歷程417
16.1.2美國火星發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃418
16.1.3近期美國火星探測器420
16.2俄羅斯火星發(fā)展規(guī)劃424
16.3ESA火星發(fā)展規(guī)劃425
16.4中國火星發(fā)展規(guī)劃425
16.5其他國家火星發(fā)展規(guī)劃427
16.5.1印度427
16.5.2日本427
16.5.3阿聯(lián)酋427
16.5.4韓國428
16.6典型載人火星探測案例428
16.6.1ESA 的“曙光計劃”428
16.6.2NASA的DRA 5.0方案428
16.6.3SpaceX的火星移民計劃430
第17章總結(jié)與展望433
參考文獻434
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