火星探測任務對環境模擬技術的需求展望

賈 陽，李 曄，吉 龍，陶 灼，王 瓊

（1.北京空間飛行器總體設計部；2.北京衛星環境工程研究所：北京 100094）

0 引言

作為深空探測的第一步，我國的探月工程分“繞、落、回”三期工程實施，現已圓滿實現了探月工程一期“繞”和二期“落”的目標，正在實施三期“回”的工程研制。隨著月球探測的成功推進，火星探測等深空探測任務也在論證中[1]。

深空探測器的技術特點包括：工作環境惡劣，工作模式復雜，技術跨度巨大，資源約束嚴格，地面驗證困難[2]。例如環境方面：月球探測器需要適應月面惡劣的高低溫環境；火星探測器將面臨火星稀薄大氣環境下的溫度保持問題；彗星探測器要面臨低溫、塵埃環境的適應問題。為了確保探測任務的完成，探測器在發射前必須進行充分的地面驗證試驗，因此試驗所需的環境模擬方法與試驗技術面臨新型探測任務的挑戰。

生命探尋等重大科學問題使火星持續成為深空探測的熱點星球，而火星極區、土壤恒溫層以及火星衛星等仍是重要的探測目標。在火星著陸巡視及取樣返回任務中，探測器將遭遇塵暴、低氣壓、低溫等環境的考驗。進入到火星表面資源利用（推進劑原地生產等）、地球化技術（生物艙等）驗證階段，更涉及資源獲得、儲存、輸運等一系列工程問題。

本文首先回顧人類的火星探測歷程，之后展望未來火星近、遠期探測任務及探測方式，繼而從新技術、新環境、新任務等角度分析、研究未來火星探測任務對環境模擬技術發展的需求及解決方案。

1 火星探測歷程回顧

火星探測起步于20世紀60年代，迄今人類共 實施了42 次火星探測任務：美國20 次，蘇聯/俄羅斯19 次，日本1 次，歐洲1 次，印度1 次；完全成功或部分成功22 次，失敗20 次[3]。

早期通過掠飛對火星進行遠距離觀測，初步了解火星總體概貌；其后采用軌道器環繞探測與著陸器著陸、巡視探測相結合的方式，對火星表面、大氣、磁場、地質地貌以及火星地表下的環境進行綜合研究。

美國是目前全球唯一一個全面掌握火星掠飛、環繞、著陸和巡視勘察技術的國家，已成功實施了6 個火星環繞器、3 個火星著陸器和4 輛火星車，取得火星探測史上的多個“第一”，在火星探測領域占據絕對領先地位：1971年發射的“水手-9”是第一個成功進入環繞火星軌道的探測器；1975年發射的“海盜-1”是第一個在火星表面成功著陸并持續開展探測工作的著陸器；1996年發射的“索杰納”是第一個登陸火星的火星車；2011年發射的“火星科學實驗室”是第一個采用“空中吊車”精準著陸技術的探測器。

蘇聯/俄羅斯的火星探測活動起步最早，也取得了火星探測史上的多個“第一”：蘇聯1960年發射的“火星探測器-1”是世界上第一個飛往火星的探測器；1971年發射的“火星-3”是世界上第一個在火星表面著陸的探測器。從火星探測技術發展水平看，蘇聯/俄羅斯已實現了火星掠飛和環繞探測；4 次嘗試進行火星著陸探測，僅1 次取得部分成功（“火星-3”）；曾嘗試火星衛星的取樣返回探測任務，但未成功。

歐洲于2003年發射“火星快車”探測器，由環繞探測器和“獵兔犬-2”著陸器組成。環繞探測器成功進入環繞火星軌道并正常工作，標志著歐洲掌握了火星環繞探測技術；但“獵兔犬-2”著陸器在軟著陸時與地面失去聯系，墜毀在火星表面。

日本于1998年成功發射“希望”火星環繞探測器，但由于火星捕獲制動環節發生故障，未能進入環繞火星軌道，任務失敗。

印度在基礎薄弱、時間緊張的情況下，于2013年發射了其首顆火星環繞探測器，并于2014年9月進入火星環繞軌道，成功實施了其首次火星探測任務。使印度成為國際上第4 個獨立成功進行火星探測的國家，大大提升了其在航天領域的國際地位。

中國研制了“螢火一號”小型火星環繞探測器，但搭載發射時由于火箭故障使得探測任務失敗。

近年來，結合發射窗口，世界主要航天國家和組織均制定了宏偉的火星探測計劃，部分已經處于實施階段[4]。

2 火星探測任務展望

未來的火星探測任務中，探測形式將更趨多樣化。綜合分析國際深空探測發展趨勢，結合我國深空探測從技術突破階段向創新發展階段發展的需要，對火星探測的近、遠期任務有如下展望：

1）掠飛探測已經由于很難再有新的科學發現而被摒棄，但是不排除在行星際探測中利用火星實現借力飛行。

2）環繞探測仍將是主要探測形式之一，包括火星重力場、磁場、表面地形地貌等目標的全局精細探測。同時作為火星表面探測器的通信中繼，甚至可能發展成為地球之外的又一通信網絡。與地球同步軌道衛星類似，開發火星同步軌道通信應用具有重要價值。同時挖掘日-火系統的拉格朗日點的通信價值，也是值得研究的重要方向。

3）硬著陸探測的產出較少，通常不會被采用，但存在利用硬著陸的能量或其他方式產生機械波，以了解火星內部結構的可能性。

4）軟著陸探測可以對火星表面做深度探測，是火星探測的主要形式之一。未來的發展方向包括極區、感興趣地區等的重點探測。

5）巡視探測的優點是能擴大火星表面深度探測的范圍，克服著陸點精度的影響。因此，巡視探測是未來火星探測最重要的形式，技術上向提高探測能力、移動速度、地形適應性及自主能力等方向發展。

6）取樣返回（包括火星樣品、火星衛星樣品等）將使人類對火星的認識提升到一個新的高度，具有里程碑意義。目前，有多個國家正在規劃這類探測任務。

7）載人火星探測更是火星探測皇冠上的明珠，具有劃時代意義，但是其巨大的技術挑戰和極高的經費需求，使其備受爭議。

在主探測形式之外，還可以有如下附屬探測形式作為補充：

1）鉆探。火星土壤恒溫層利用、水冰存在探找等問題，使得鉆探勘測、鉆探取樣成為一種重要的附屬勘測形式。鉆探勘測需要解決生熱排放、樣品“原位”狀態保存等技術問題。

2）浮空氣球。利用浮空氣球攜帶小型探測裝置在火星大氣層內長距離飛行，是環繞探測的一種補充。

3）火星飛機。火星飛機巡航也是環繞探測的一種補充，但火星大氣密度低，實現火星飛機巡航探測的技術難度很大，需要材料、發動機、能源獲得等多方面的技術突破。

4）“風滾草”。將小型探測儀器置于輕質膨松結構內部，借助風能實現火星表面的不可控移動探測，可作為移動探測形式的一種低代價補充。

5）“火星蛇”。屬于子母型探測器的一種，可用于復雜地形探測、土壤淺層探測，甚至在特殊情況下作為錨點，用于搶救沉陷的火星車。

6）“火星蛙”。通過慢蓄能、快釋放過程，實現探測地點的轉移，是移動探測形式的一種補充。

7）生物艙。火星是人類星際移民的最可能目的地，對火星進行地球化改造涉及提高大氣密度和火星表面溫度、氧氣生物學制造、建筑材料的原位生產等，都是重大工程難題。利用火星大氣中的CO2、光能以及剩余推進劑燃燒產生的少量水，探討氧氣生產可能性等工程目標，可能被列入到火星探測的遠景規劃中。

8）推進劑原位生產。利用CO2、H2O 等，在火星表面生產推進劑，包括CO/O2、CH4/O2等選擇，是探測發展到火星工廠階段的重要任務，其原理性驗證是頗具吸引力的工程目標。

9）科學普及。在完成任務科學目標、工程目標的同時，也需要對任務的科學普及目標進行適當考慮。例如通過相機拍攝火星日落、日食、火星衛星食、流星、小旋風等景色，記錄火星表面的風以及火星車移動產生的機械振動，極區雪橇方式移動，語音控制火星車移動，紀念地標設置等任務，對擴大任務影響，提高科學普及效果等，均有好處。

3 環境模擬技術需求分析

火星自然環境比較復雜，需要認真分析其工程效應，研究地面模擬的方法。自然環境在特定任務過程與探測器作用后，又將產生誘導環境，如EDL過程中產生的等離子體環境，其地面模擬的難度更大。下面討論火星探測任務中涉及的主要特殊環境。

3.1 低重力模擬

火星重力加速度為3.72 m/s2，是地球重力加速度的1/3。地面實現低重力環境模擬的方法主要有直接模擬法、相似模型法和力平衡法3 種。落塔、低重力飛機等低重力直接模擬手段，雖然可行，但是有效時間短，工程上很少采用；相似模型存在準則因子的選擇問題，對具體工程問題而言只具有指導意義；力平衡法是工程中使用最廣泛的方法，按其實現手段又可分為垂向平衡法和斜向平衡法。

“嫦娥三號”探測器地面試驗中主要采用力平衡法，并在多剛體低重力模擬及模擬精度上有新的發展[5]。巡視器內場試驗中采取在主副搖臂上增加配重、調整吊絲受力點等方法，保證巡視器每個車輪與地面的作用力在平面行駛、爬坡、越障等各種工況下均與月面相同。在著陸器的懸停避障緩速下降試驗和巡視器的內場試驗中，通過精密的視覺定位、力控與二維隨動，保證了低重力的模擬精度優于5‰。在著陸穩定性試驗中，斜向平衡法也很好地實現了低重力的模擬。在機構展開試驗中，在垂直平衡法中利用配重、氦氣球等實現了低重力的模擬。

火星低重力模擬與月球的類似，主要采用力平衡法，并需關注吊絲力控精度、火星車運動過程中車輪接地比壓模擬、復雜地形移動顛簸過程的模擬誤差、土壤鉆探過程中機構力學特性模擬等問題。

3.2 土壤的模擬

根據不同的試驗目的，需要發展多種工程模擬土壤的制備與整備方法，以實現地形地貌模擬，且模擬土壤的物理力學性能須符合試驗需求。

在著陸器的試驗中，關注土壤的承載能力；而在火星車移動試驗中，關注松軟的土壤對火星車牽引力的影響，因此不同的試驗，對工程模擬土壤的要求不同。可通過制備過程中的粒徑級配，以及整備過程的淋灑、壓實過程，和通過對顆粒的內摩擦角、內聚力等參數設計來實現對模擬土壤的物理力學性能的控制[6]。

火星土壤的機械特性類似于地球上密度適中的土壤，如混入了沙子、細礫和卵石的像黏土一樣的泥沙；月球土壤松軟但相對均勻，火星土壤存在由于侵蝕而導致的表層土壤堅硬而里層土壤松軟的情況，可能使火星車在行駛時出現塌陷。“勇氣號”火星車就曾因車輪陷落而導致永遠喪失移動能力，因此需要考慮讓火星車移動系統具有防塌陷和塌陷脫困的功能，設計主動式移動懸架，分析土壤黏附車輪效應，并進行試驗驗證。

在土壤鉆探任務中，還需要考慮溫度、原始土層結構被破壞后而導致的物理力學參數改變。一般不需要考慮土壤的低重力模擬，因為土壤的物理力學參數更多地決定于其形成、演化過程，而不是重力加速度。

3.3 光照模擬

火星大氣層頂，遠日點的太陽輻照常數Ⅰ0為493 W/m2，近日點為717 W/m2，平均值為589 W/m2；透過火星大氣后光強衰降為0.607Ⅰ0，衰減了約40%，平均值為357.5 W/m2，是地球表面的43%。反照率在赤道附近約為0.25～0.28，隨著緯度增加，反照率增大，在南北兩極位置達到最大（0.5）。火星赤道上的最大太陽高度角于1 個火星年內在65°～90°之間變化。

為服務于探測器光學敏感器測試，需要采用多種光源的復合組陣技術，實現大輻照面積的可見光譜段、紅外譜段太陽輻照模擬，而且要考慮散射光深模擬。

對于我國是否應該建設系統級試驗的太陽模擬器以及相應的運動模擬器，一直爭議較大。爭論的焦點包括：熱管應用對太陽入射熱流模擬方法的使用限制，不同軌道航天器的通用運動模擬器設計困難，高額的運行維護成本等。但是，隨著探測器構型的日益復雜，對模擬試驗精度的要求越來越高，深空探測器關鍵部件例如集熱器性能驗證，若僅采用到達熱流模擬方法會有較大的誤差，因此開展太陽模擬試驗還是必要的。

3.4 溫度模擬

與地球相比，火星表面、大氣有更低的熱容，因此日溫變化周期非常明顯。火星溫度的最小值出現在黎明前，其后溫度迅速升高，在午后達到最大值，然后快速降低，并且這種降低的態勢趨緩，直至黎明前降到最低。在緯度0°～30°范圍內，火星表面溫度白晝最高為27 ℃、夜晚最低為-103 ℃。特別需要注意的是，火星大氣溫度與土壤溫度變化差異較大，在塵暴發生時，也將產生較大的溫度波動。

溫度模擬通常在熱真空試驗設備中實現，在低氣壓環境下，利用熱沉實現降溫，利用各種外熱流模擬設備實現熱流模擬。

3.5 火星塵模擬

探測器在火星表面工作，不可避免地會受到火星塵的影響。火星塵沉積將影響太陽電池陣的工作效能，前30 d 的功率衰減為每天0.3%，之后每天衰減0.1%（“索杰納”火星車數據）。如果保守估計，按照每天恒定衰減3%計算，180 d 后，太陽電池陣的功率輸出會降低42%。“索杰納”火星車在經歷火星塵暴后，太陽電池輸出功率下降了1.5%。

火星塵環境主要是由4 個因素導致的：發動機羽流噴射、著陸沖擊、火星車移動攜帶和自然激揚。火星塵的影響主要表現為：吸附在光學設備表面，導致其成像性能的下降；進入機構內部，影響機構正常運動；吸附在太陽電池陣表面，影響其輸出功率；黏附在OSR 片、熱控涂層或隔熱多層表面會導致其性能下降，改變探測器的溫度分布；火星車釋放過程中如附著在轉移機構上，則會改變車輪與轉移機構間的接觸狀態，影響釋放過程的安全性。因此，需要分析火星塵的沉降時間，研究機構等艙外設備的防塵措施驗證試驗方法，采取針對性的防塵措施，確保設備工作可靠。

在敏感器表面上還可以采取被動防塵措施，例如，在太陽電池陣蓋片表面設計防塵微觀形狀，以減少塵土附著。在大型火星表面探測器上可以采用主動除塵措施，例如機械法、靜電法除塵。

3.6 低氣壓模擬

火星表面氣壓在500～700 Pa 之間，只有地球表面氣壓的0.6%，密度約為地球大氣的1%，主要成分是CO2。由于CO2的季節性凝結，在冬天凝結為干冰，氣壓減小，全年氣壓變化30%；通常選擇大氣壓610 Pa 作為海拔線。

需要關注高頻設備是否會產生低氣壓放電現象；若采用氣凝膠隔熱，則需要考慮自然對流對熱控的影 響；分析二硫化鉬等潤滑材料的低氣壓特性。此外，低氣壓可以用于熱真空試驗中升降溫過程的加速，但要關注水凝結對設備絕緣方面的不利影響。

3.7 火星風的模擬

火星夜間平均風速為2 m/s，白天為6～8 m/s，塵暴最大風速可以達到150 m/s。但火星大氣密度很小，因此不會產生很大的橫向風力。當出現塵暴時，火星表面能見度將再次降低，衰減率為0.18～0.95。局部性和全球性的塵暴常發生于熱帶和南半球的夏季，1 個火星年內可發生約100 次局部塵暴和1 次或多次區域型以上塵暴，局部塵暴持續時間為幾天，區域型以上塵暴持續時間從5 d 到70 d 不等。

執行火星著陸任務時，應避開塵暴發生階段。火星風對降落傘的影響，也需要在地面進行驗證。塵暴期間熱交換速度快，沙塵附著會改變火星車車體表面熱特性，因此需考慮塵暴期間對熱控制的特殊要求；更極端地，需要進行探測器休眠設計，在長期塵暴期間令探測器進入休眠或待機模式。

低氣壓下的風場模擬主要通過風機實現，需要關注風機散熱問題。

3.8 進入火星大氣過程中的等離子體環境

火星大氣成分主要為CO2（95.3%）、N2（2.7%）、Ar（1.6%）。在探測器進入火星大氣層時，大氣受到擠壓，形成弓形激波，產生的高溫、高壓引起大氣分子與燒蝕材料電離，形成等離子體鞘，吸收和反射電磁波，造成通信中斷或減弱，稱為“黑障”。

需要在地面完善試驗條件，實現CO2氣體環境下再入過程的等離子體環境模擬，驗證防熱結構設計。

3.9 系統級驗證條件

系統級試驗過程涉及多種特殊環境的綜合模擬。例如，火星車的內場試驗中，需要同時模擬火星表面的低重力、光照、地形地貌、土壤等環境，服務于移動能力、導航能力的系統級驗證。為更加充分地考核火星車的移動性能，可以考慮在空間環境模擬設備中實現低重力、光照及熱真空環境下的火星車系統級性能驗證。

火星車的自主技術和遙操作技術對環境驗證的需求更加突出，需要開展外場試驗進行驗證。可以考慮通過衛星中繼鏈路實現可控通信延時，進行遠距離遙操作控制演練。初步調研發現，新疆哈密五堡鄉以南地區，屬剝蝕殘丘及傾斜平原，巖性為褐紅、紫紅色砂質粉砂巖、礫巖，氣候干燥，適合作為火星車的野外試驗場候選場址。著陸敏感器掛飛試驗也需要在外場進行，此項試驗需更加關注地面微波特性的相似性。

此外，還需要重視深空探測進一步發展引發的試驗測量手段需求，包括熱真空條件下的相機標定方法、微形變測量技術、高精度溫度測量技術等。

4 結束語

多種形式的火星探測對地面環境模擬技術的發展提出了新的要求，通過對低重力、土壤、光照、溫度、塵及塵暴、低氣壓、風、進入過程等離子體等火星探測將面臨的特殊環境及其效應的分析，提出火星環境模擬方法和技術發展的建議具有積極意義。

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