深空探測環境模擬試驗技術進展

王晶 高文（北京衛星環境工程研究所）

深空探測航天器在任務過程中會面臨不同于常規冷黑環境的復雜特殊環境，各種環境要素是航天器設計、研制、發射、在軌運行參數選擇的依據。對月球表面環境、火星表面環境及金星表面環境等深空環境進行梳理，分析國內外的深空環境模擬試驗技術，探究未來深空探測環境模擬試驗技術發展需求，有利于促進未來深空探測任務持續長足發展。

1 深空環境

月球與深空探測是了解太陽系、宇宙起源的關鍵途徑，也是國家綜合國力的重要體現。國內將對地球以外天體開展的空間探測活動稱為深空探測[1]。現階段深空探測任務主要局限于太陽系內部，以月球、火星為重點，同時兼顧太陽系內其他行星、衛星，如：金星、木星、木衛二、土衛六等。深空探測航天器在任務過程中面臨的環境主要包括：行星際空間環境、星球表面環境等。

行星際空間環境

行星際空間環境的主要環境因素為真空環境、輻射環境及微流星體等[2]。其真空環境下氣體壓力為10-9Pa，而輻射環境包括：銀河宇宙射線、太陽宇宙射線、太陽電磁輻射、太陽風等。

月球表面環境

月球表面環境的主要環境因素包括真空環境、低溫環境、低重力環境、輻射環境、月塵地貌等[2]。月表真空度為1.3×10-10Pa；月晝溫度達400K，月夜溫度可達90K，極區隕石坑永久陰影區溫度可達40K以下；重力加速度為1/6g；太陽輻射強度為1367W/m2；月表廣泛分布著月塵，月塵微粒長度介于30nm~20μm之間，形態以氣泡狀、棱角狀碎片為主，成分以玻璃質及納米顆粒金屬鐵為主。

火星表面環境

火星表面環境的主要環境因素包括低氣壓大氣環境、低溫環境、低重力環境、輻射環境、沙塵環境等[2]。火星表面氣體主要由95%二氧化碳、2.7%氮氣及其他微量氣體構成，大氣平均壓強約為700Pa；火星表面溫度最高達300K，最低可達150K；重力加速度為3/8g；太陽輻射強度為589W/m2；火星表面風速一般為0~20m/s，日間平均風速為6~8m/s，夜間為2m/s，塵暴最大風速可達150m/s。

金星表面環境

金星表面環境的主要環境因素包括高壓大氣環境、高溫環境、輻射環境、腐蝕環境等。金星表面氣體由96%二氧化碳、3%氮氣及其他多種弱酸性微量氣體構成，壓力最高可達9MPa；溫度最高可達750K；太陽輻射強度為2.62kW/m2，重力加速度為0.91g[3]；根據織女星－2（Vega－2）著陸探測數據，金星大氣有著較高的風速，風速隨高度下降而降低，最高可達100m/s，而表面處接近0。同時，在50~70km高度存在硫酸云。

其他深空探測環境

1）水星表面環境。水星作為距太陽最近的行星，其表面的主要環境因素包括真空環境、高溫環境、低重力環境、輻射環境等。水星晝夜溫差極大，白天可達700K，夜晚達100K；重力加速度為0.38g；水星的太陽輻射強度為9126.6W/m2。

2）木星與土星環境。木星及土星是氣態行星，沒有實體表面，其主要環境因素包括大氣環境、低溫環境、輻射環境、磁場環境等。大氣主要成分是氫氣；具有約120K的表面溫度；木星磁場大約是地球的10倍。

3）木衛二與土衛六表面環境。木衛二重力約為0.13g。木衛二的大氣層十分稀薄，約10-6Pa。表面溫度約110K。同時，其表面冰層下存在著海洋。土衛六重力約為0.14g。同時，土衛六具有較為濃厚的大氣層，主要成分為氮氣，表面大氣壓約為150kPa，表面溫度約為100K。

2 深空探測環境模擬試驗的必要性

深空探測任務需考慮的環境要素十分復雜，隨著任務目的、形式變化而變化。由于深空探測任務的可靠性要求比常規航天器任務更高，而且深空探測任務的周期長，發射后如果出現失效事件，很難在任務期間進行直接維修，從而造成經濟上的巨大損失。在過去的月球、火星及金星深空探測任務中，發生了數次由于環境因素導致的失效事件。

1973年，蘇聯月球－21（Luna－21）和月球車－2（Lunokhod－2）任務中，月球車－2移動時太陽電池蓋碰到月球表面，機構收攏時，月壤灑落車身，影響車體散熱，最終導致月球車因高溫失效[4]。

火星表面環境從數據上看起來較為“溫和”，但在低氣壓下，二氧化碳等氣體放電電壓閾值降低20%以上。由此造成維京－2（Viking－2）航天器到達表面后行波管放大器由于放電燒毀。另外，火星塵沉積影響太陽電池陣的工作效能，導致漫游者號（Sojourner）火星車在經歷火星塵暴后，太陽電池輸出功率下降1.5%[5]。

金星表面環境十分嚴酷，多顆金星（Venera）著陸器由于金星環境發生了嚴重失效事件：Venera－3由于金星表面的高溫而通信中斷，Venera－4、Venera－5由于大氣壓力導致受損，通信中斷，Venera－7由于高溫使得降落傘損毀，Vega－1受到強烈氣流擾動，使傳感器誤讀數據，提前在空中啟動鉆探程序，導致采樣失敗。達到金星表面的著陸器在很短的時間內就會“死亡”，存活時間最長的航天器是Venera－13，其紀錄為127min[6]。

環境因素（月塵、火星塵暴、金星高溫高壓等）導致耗資巨大的深空探測任務直接或間接失敗，影響了國家科學與經濟的發展。因此，深空探測航天器在地面上進行充分必要的環境試驗是航天器任務成功的關鍵之一，深空環境的模擬與試驗技術研究是深空探測的先期工作。

3 國外深空探測環境模擬技術

月表環境模擬

月表環境與地球軌道環境存在相似性，截至2021年11月，國外共有約23個系統可以在一定程度上對月表環境進行模擬。

為配合“阿波羅”（Apollo）探月計劃，美國在20世紀60年代設計并建造了空間環境模擬試驗設備Chamber A。該系統位于休斯敦的約翰遜航天中心（JSC），具備太陽輻射、真空、冷黑環境、低重力的綜合模擬能力，但未考慮月球塵埃、地形等環境因素。該系統為評估月球車的交通能力，月塵對系統熱輻射性能的影響等開展了一些小規模的環境模擬試驗。

Chamber A（左）與ARGOS（右）

在重返月球、探測火星等的任務需求下，2011年約翰遜航天中心研制了主動重力補償系統（ARGOS），首次利用了垂直懸吊法實現了重力補償。

火星表面環境模擬

截至2021年11月，國外共有9個系統能在一定程度上對火星環境進行模擬。下面分別對火星表面無風、有風環境的模擬進行簡要介紹。

25-foot空間模擬器實景圖

1）火星表面無風環境模擬。美國噴氣推進實驗室（JPL）的25-foot立式空間模擬器，其直徑7.7m、高25.7m，曾用于漫游者號、勇氣號（Spirit）和機遇號（Opportunity）火星車的巡航熱試驗。空間模擬器配置有真空系統、氮系統、熱沉系統、太陽模擬器和紅外加熱裝置。在進行真空熱試驗時，真空度在10-6Pa量級，熱沉溫度范圍為88~398K。

2）火星表面有風環境模擬。盧瑟福-阿普爾頓實驗室空間環境模擬器（STC）是直徑3m、長5.5m的臥式不銹鋼真空容器，曾用于獵兔犬－2（Beagle－2）火星著陸器的熱平衡試驗。系統配置有太陽模擬器、熱沉、氣氮調溫系統、壓力控制系統和鼓風系統。太陽模擬器可提供A類光譜的模擬，其有效輻照面積為φ800mm，輻照度為0~600W/m2，輻照不均勻度為±5%；熱沉溫度范圍為160~220K；壓力控制系統可將STC容器內的壓力維持在700Pa，控制精度為±50Pa；鼓風系統可以制造出流速為0~10m/s的CO2氣流來模擬火星風。

美國噴氣推進實驗室的10-foot空間模擬器曾用于漫游者號、勇氣號和機遇號火星車的著陸巡視階段熱試驗。10-foot空間模擬器主要由溫度可控的銅基板、用于模擬空間溫度環境的溫度可控平板、風力產生器和用于控制風溫的溫度補償板組成。可以模擬火星表面環境、近地表大氣溫度、火星晝夜天空環境和火星風。具體模擬指標為大氣溫度145~295K、氣體壓力100~1300Pa、風速6m/s和12m/s。

10-foot空間模擬器實景圖

金星表面環境模擬

2021年6月，NASA公布了最新的金星探測計劃，預計在2028－2030年間發射兩個金星探測器—達芬奇+（Davinci+）和真理（Veritas），其主要科學目標分別是：探測金星近表面大氣環境及金星表面地質分布圖[7]。截至2021年11月，國外共有12個系統可以在一定程度上對金星的溫度、壓力與氣體組分進行模擬，但大部分受限于容積（不超過15L），只能做材料級試驗。

國外最大的金星表面環境模擬容器為格蘭中心的極端環境平臺（GEER），其包括數據采集系統、氣體混合系統、溫度與壓力控制系統以及氣體檢測系統。容器主體材料為306不銹鋼，內表面采用銅鎳合金[8]，內徑0.914m，長1.219m。

GEER模擬溫度可達750K，模擬壓力可達9MPa，模擬氣體包括CO2、N2、H2O、SO2、CO、OCS、NO、HCI。氣體混合系統由9個獨立氣罐及質量流量控制器組成，氣體控制精度為ppm級，并利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）方法測量氣體組分，氣體檢測精度為ppm級。

GEER整體圖

氣體混合裝置（左）與FTIR氣體檢測裝置（右）

木星探測環境模擬

木星探測一般分為環繞探測方式與進入大氣探測方式，分別對應了木星軌道環境試驗及木星大氣試驗。對于木星軌道環境試驗，由于環境的相似性，可利用月表環境模擬容器進行試驗，國外共有23個系統可以在一定程度上對木星軌道的溫度、壓力進行模擬；對于木星大氣環境試驗，可改造金星環境模擬容器用以試驗，國外共有12個系統可以在一定程度上對木星的氣體環境進行模擬。

木星冰衛星探索者（JUICE）計劃是歐洲最大的木星探測任務，計劃2022年發射，2030年到達木星軌道，對木星的3顆衛星（木衛二、木衛三及木衛四）開展至少3年的近距離探測。JUICE任務探測器于2021年6月在大型空間模擬器（LSS）內進行了熱真空試驗。LSS是歐洲最大的空間模擬器，于1986年建成，主要包括主模擬容器、輔助室、熱沉、太陽模擬器系統、高真空系統、運動模擬器、設備數據處理系統等7個子系統。主模擬容器直徑10m、高15m；熱沉溫度100±5K；極限壓力3×10-5Pa；太陽模擬器輻照強度可達2700kW/m2。

木星探測器JUICE熱真空試驗

對于木星大氣環境試驗，可改造金星環境模擬容器用以試驗。例如：佐治亞理工學院的超高溫壓力系統（UHTPS），其主體部分由溫度容器、壓力容器構成。壓力容器由304不銹鋼制成，長0.46m，直徑0.04m，體積為29.9L，模擬溫度為616K、模擬壓力為10MPa，氣體環境為CO2、N2或H2、He，無氣體成分檢測設備，系統整體質量超過1283kg。

對于木星磁場環境試驗，則考慮在木星軌道空間下典型等離子體環境導致航天器表面充放電失效的影響。

高輻照太陽模擬

歐洲空間技術中心（ESTEC）于2010年更新了LSS內的太陽模擬器，成為全球唯一能夠進行高輻照的太陽模擬系統，用于“貝皮-科倫坡”（BepiColombo）水星探測任務與近距離太陽觀測任務（Solar Orbiter）。BepiColombo探測器于2018年10月20日發射升空，計劃于2025年抵達水星軌道。

該系統可進行17940kW/m2太陽輻照試驗，由燈室、遮光筒、水冷擋板、光學窗口、電源控制系統和循環水系統組成，燈室由1盞25kW/32kW水冷氙燈和聚光鏡組成，聚光鏡面形為拋物面，直徑為1000mm，氙燈位置可通過電機驅動進行調整；遮光筒內部直徑約800mm，水冷擋板位于遮光筒端部，可以在需要時對光路進行短暫遮擋。

“貝皮-科倫坡”探測器熱控模擬件在LSS內進行太陽輻照試驗

4 國內深空探測環境模擬技術

國內的整星深空探測環境模擬技術起步較晚，目前只有北京衛星環境工程研究所具備整星的深空探測環境模擬技術，并結合型號進行了試驗。

月表環境模擬

月球是現階段國內深空探測的重點。月球表面環境的低溫、月塵等模擬技術日趨成熟，航天器熱真空試驗技術能夠滿足月表環境下的熱邊界條件模擬要求。

KM6載人航天器環境模擬是三艙組合的、中國第二大的空間環境模擬容器，包括真空容器、熱沉、真空系統、液氮系統、氣氮系統、氦系統、載人試驗系統、紅外熱流模擬系統、總控制系統等9個子系統。主容器直徑12m、高22.4m；載人試驗艙容器直徑5m、長15m；熱沉溫度100K；極限真空度4.5×10-6Pa。能夠進行航天器熱平衡、熱真空及太陽電池陣、天線可展開機構的展開試驗。同時，國內建立了800m2月貌模擬環境。

嫦娥三號任務試驗在北京衛星環境工程研究所的KM6設備中完成了整星試驗。低溫環境可通過氣氦制冷以模擬40K的環境溫度。另外，國內還開展了真空低溫環境下移動式多體低重力模擬技術研究，研制了基于懸掛方式的低重力環境模擬系統，懸掛系統自動跟蹤精度可達0.8mm。

嫦娥三號任務真空熱試驗

嫦娥三號月表模擬

火星表面環境模擬

1）火星車低氣壓無風熱環境模擬。北京衛星環境工程研究所針對KM6載人試驗艙（KM6F）的氣氮調溫熱沉、壓力控制、氣體溫度測量等方面進行了改造設計。2017年3月，火星車熱控模擬器在KM6F中進行了火星無風環境模擬試驗。試驗中對熱沉溫度進行了精確控制，高溫端熱沉溫度335K，低溫端熱沉溫度138K。氣體極限低溫達到170K，升/降溫速率大于0.5℃/min。

2）火星車低氣壓有風熱環境模擬。在無風熱環境模擬基礎上，國內研制了一套包括低氣壓風速模擬系統、低氣壓風速測量系統、氣體溫度控制系統、氣體壓力控制系統、火星車姿態控制系統的火星車低氣壓有風熱環境模擬系統。在真空容器內增加風道、風扇、導流板、整流網等裝置，采用直流吸氣的方式，實現火星表面0~20m/s的均勻風速模擬。完成了火星車的低壓有風熱平衡試驗。

該系統試驗段圓筒直徑2.5m以上，長度大于3m，可實現火星表面0~20m/s的風速模擬；火星表面150~300K的氣體溫度模擬和火星表面150~1600Pa的壓力模擬，氣體成分為CO2或N2；同時可以實現火星車不同的姿態控制，轉動角度范圍為-90°~90°。在此系統內完成了祝融號火星車的試驗。

金星表面環境模擬

國內建造了目前世界范圍內最大的金星近表面環境模擬設備，其內徑為1m，長為1.6m。金星表面環境模擬系統具有氣體存儲、氣體檢測、溫度及壓力檢測、緊急泄壓等子系統。模擬溫度上限為780K，模擬壓力上限為9.8MPa，可模擬氣體環境為CO2、N2、H2O、SO2、CO、OCS、H2S、HCI 以及HF，氣體控制精度為ppm級，通過氣相色譜儀進行氣體成分檢測，檢測精度為ppm級。

金星表面環境模擬裝置

5 結語

通過對國內外現有深空環境模擬技術總結，結合對未來深空探測環境模擬需求，國內的深空探測環境模擬目前仍需發展包括月面真空熱低重力綜合環境模擬，月球極區大空間深低溫環境模擬，面向金星著陸探測的金星大氣模擬環境原位測試方法研究，面向火星著陸探測的高速沙塵模擬試驗技術研究，面向金星、水星、近太陽探測的極高太陽常數模擬，面向木星系探測任務的強磁場環境模擬試驗技術研究等相關技術。深空探測環境模擬試驗技術的發展必將推動中國的深空探測走得更快、更遠！