火星探测任务对环境模拟技术的需求展望

贾 阳，李 晔，吉 龙，陶 灼，王 琼

（1.北京空间飞行器总体设计部；2.北京卫星环境工程研究所：北京 100094）

0 引言

作为深空探测的第一步，我国的探月工程分“绕、落、回”三期工程实施，现已圆满实现了探月工程一期“绕”和二期“落”的目标，正在实施三期“回”的工程研制。随着月球探测的成功推进，火星探测等深空探测任务也在论证中[1]。

深空探测器的技术特点包括：工作环境恶劣，工作模式复杂，技术跨度巨大，资源约束严格，地面验证困难[2]。例如环境方面：月球探测器需要适应月面恶劣的高低温环境；火星探测器将面临火星稀薄大气环境下的温度保持问题；彗星探测器要面临低温、尘埃环境的适应问题。为了确保探测任务的完成，探测器在发射前必须进行充分的地面验证试验，因此试验所需的环境模拟方法与试验技术面临新型探测任务的挑战。

生命探寻等重大科学问题使火星持续成为深空探测的热点星球，而火星极区、土壤恒温层以及火星卫星等仍是重要的探测目标。在火星着陆巡视及取样返回任务中，探测器将遭遇尘暴、低气压、低温等环境的考验。进入到火星表面资源利用（推进剂原地生产等）、地球化技术（生物舱等）验证阶段，更涉及资源获得、储存、输运等一系列工程问题。

本文首先回顾人类的火星探测历程，之后展望未来火星近、远期探测任务及探测方式，继而从新技术、新环境、新任务等角度分析、研究未来火星探测任务对环境模拟技术发展的需求及解决方案。

1 火星探测历程回顾

火星探测起步于20世纪60年代，迄今人类共 实施了42 次火星探测任务：美国20 次，苏联/俄罗斯19 次，日本1 次，欧洲1 次，印度1 次；完全成功或部分成功22 次，失败20 次[3]。

早期通过掠飞对火星进行远距离观测，初步了解火星总体概貌；其后采用轨道器环绕探测与着陆器着陆、巡视探测相结合的方式，对火星表面、大气、磁场、地质地貌以及火星地表下的环境进行综合研究。

美国是目前全球唯一一个全面掌握火星掠飞、环绕、着陆和巡视勘察技术的国家，已成功实施了6 个火星环绕器、3 个火星着陆器和4 辆火星车，取得火星探测史上的多个“第一”，在火星探测领域占据绝对领先地位：1971年发射的“水手-9”是第一个成功进入环绕火星轨道的探测器；1975年发射的“海盗-1”是第一个在火星表面成功着陆并持续开展探测工作的着陆器；1996年发射的“索杰纳”是第一个登陆火星的火星车；2011年发射的“火星科学实验室”是第一个采用“空中吊车”精准着陆技术的探测器。

苏联/俄罗斯的火星探测活动起步最早，也取得了火星探测史上的多个“第一”：苏联1960年发射的“火星探测器-1”是世界上第一个飞往火星的探测器；1971年发射的“火星-3”是世界上第一个在火星表面着陆的探测器。从火星探测技术发展水平看，苏联/俄罗斯已实现了火星掠飞和环绕探测；4 次尝试进行火星着陆探测，仅1 次取得部分成功（“火星-3”）；曾尝试火星卫星的取样返回探测任务，但未成功。

欧洲于2003年发射“火星快车”探测器，由环绕探测器和“猎兔犬-2”着陆器组成。环绕探测器成功进入环绕火星轨道并正常工作，标志着欧洲掌握了火星环绕探测技术；但“猎兔犬-2”着陆器在软着陆时与地面失去联系，坠毁在火星表面。

日本于1998年成功发射“希望”火星环绕探测器，但由于火星捕获制动环节发生故障，未能进入环绕火星轨道，任务失败。

印度在基础薄弱、时间紧张的情况下，于2013年发射了其首颗火星环绕探测器，并于2014年9月进入火星环绕轨道，成功实施了其首次火星探测任务。使印度成为国际上第4 个独立成功进行火星探测的国家，大大提升了其在航天领域的国际地位。

中国研制了“萤火一号”小型火星环绕探测器，但搭载发射时由于火箭故障使得探测任务失败。

近年来，结合发射窗口，世界主要航天国家和组织均制定了宏伟的火星探测计划，部分已经处于实施阶段[4]。

2 火星探测任务展望

未来的火星探测任务中，探测形式将更趋多样化。综合分析国际深空探测发展趋势，结合我国深空探测从技术突破阶段向创新发展阶段发展的需要，对火星探测的近、远期任务有如下展望：

1）掠飞探测已经由于很难再有新的科学发现而被摒弃，但是不排除在行星际探测中利用火星实现借力飞行。

2）环绕探测仍将是主要探测形式之一，包括火星重力场、磁场、表面地形地貌等目标的全局精细探测。同时作为火星表面探测器的通信中继，甚至可能发展成为地球之外的又一通信网络。与地球同步轨道卫星类似，开发火星同步轨道通信应用具有重要价值。同时挖掘日-火系统的拉格朗日点的通信价值，也是值得研究的重要方向。

3）硬着陆探测的产出较少，通常不会被采用，但存在利用硬着陆的能量或其他方式产生机械波，以了解火星内部结构的可能性。

4）软着陆探测可以对火星表面做深度探测，是火星探测的主要形式之一。未来的发展方向包括极区、感兴趣地区等的重点探测。

5）巡视探测的优点是能扩大火星表面深度探测的范围，克服着陆点精度的影响。因此，巡视探测是未来火星探测最重要的形式，技术上向提高探测能力、移动速度、地形适应性及自主能力等方向发展。

6）取样返回（包括火星样品、火星卫星样品等）将使人类对火星的认识提升到一个新的高度，具有里程碑意义。目前，有多个国家正在规划这类探测任务。

7）载人火星探测更是火星探测皇冠上的明珠，具有划时代意义，但是其巨大的技术挑战和极高的经费需求，使其备受争议。

在主探测形式之外，还可以有如下附属探测形式作为补充：

1）钻探。火星土壤恒温层利用、水冰存在探找等问题，使得钻探勘测、钻探取样成为一种重要的附属勘测形式。钻探勘测需要解决生热排放、样品“原位”状态保存等技术问题。

2）浮空气球。利用浮空气球携带小型探测装置在火星大气层内长距离飞行，是环绕探测的一种补充。

3）火星飞机。火星飞机巡航也是环绕探测的一种补充，但火星大气密度低，实现火星飞机巡航探测的技术难度很大，需要材料、发动机、能源获得等多方面的技术突破。

4）“风滚草”。将小型探测仪器置于轻质膨松结构内部，借助风能实现火星表面的不可控移动探测，可作为移动探测形式的一种低代价补充。

5）“火星蛇”。属于子母型探测器的一种，可用于复杂地形探测、土壤浅层探测，甚至在特殊情况下作为锚点，用于抢救沉陷的火星车。

6）“火星蛙”。通过慢蓄能、快释放过程，实现探测地点的转移，是移动探测形式的一种补充。

7）生物舱。火星是人类星际移民的最可能目的地，对火星进行地球化改造涉及提高大气密度和火星表面温度、氧气生物学制造、建筑材料的原位生产等，都是重大工程难题。利用火星大气中的CO2、光能以及剩余推进剂燃烧产生的少量水，探讨氧气生产可能性等工程目标，可能被列入到火星探测的远景规划中。

8）推进剂原位生产。利用CO2、H2O 等，在火星表面生产推进剂，包括CO/O2、CH4/O2等选择，是探测发展到火星工厂阶段的重要任务，其原理性验证是颇具吸引力的工程目标。

9）科学普及。在完成任务科学目标、工程目标的同时，也需要对任务的科学普及目标进行适当考虑。例如通过相机拍摄火星日落、日食、火星卫星食、流星、小旋风等景色，记录火星表面的风以及火星车移动产生的机械振动，极区雪橇方式移动，语音控制火星车移动，纪念地标设置等任务，对扩大任务影响，提高科学普及效果等，均有好处。

3 环境模拟技术需求分析

火星自然环境比较复杂，需要认真分析其工程效应，研究地面模拟的方法。自然环境在特定任务过程与探测器作用后，又将产生诱导环境，如EDL过程中产生的等离子体环境，其地面模拟的难度更大。下面讨论火星探测任务中涉及的主要特殊环境。

3.1 低重力模拟

火星重力加速度为3.72 m/s2，是地球重力加速度的1/3。地面实现低重力环境模拟的方法主要有直接模拟法、相似模型法和力平衡法3 种。落塔、低重力飞机等低重力直接模拟手段，虽然可行，但是有效时间短，工程上很少采用；相似模型存在准则因子的选择问题，对具体工程问题而言只具有指导意义；力平衡法是工程中使用最广泛的方法，按其实现手段又可分为垂向平衡法和斜向平衡法。

“嫦娥三号”探测器地面试验中主要采用力平衡法，并在多刚体低重力模拟及模拟精度上有新的发展[5]。巡视器内场试验中采取在主副摇臂上增加配重、调整吊丝受力点等方法，保证巡视器每个车轮与地面的作用力在平面行驶、爬坡、越障等各种工况下均与月面相同。在着陆器的悬停避障缓速下降试验和巡视器的内场试验中，通过精密的视觉定位、力控与二维随动，保证了低重力的模拟精度优于5‰。在着陆稳定性试验中，斜向平衡法也很好地实现了低重力的模拟。在机构展开试验中，在垂直平衡法中利用配重、氦气球等实现了低重力的模拟。

火星低重力模拟与月球的类似，主要采用力平衡法，并需关注吊丝力控精度、火星车运动过程中车轮接地比压模拟、复杂地形移动颠簸过程的模拟误差、土壤钻探过程中机构力学特性模拟等问题。

3.2 土壤的模拟

根据不同的试验目的，需要发展多种工程模拟土壤的制备与整备方法，以实现地形地貌模拟，且模拟土壤的物理力学性能须符合试验需求。

在着陆器的试验中，关注土壤的承载能力；而在火星车移动试验中，关注松软的土壤对火星车牵引力的影响，因此不同的试验，对工程模拟土壤的要求不同。可通过制备过程中的粒径级配，以及整备过程的淋洒、压实过程，和通过对颗粒的内摩擦角、内聚力等参数设计来实现对模拟土壤的物理力学性能的控制[6]。

火星土壤的机械特性类似于地球上密度适中的土壤，如混入了沙子、细砾和卵石的像黏土一样的泥沙；月球土壤松软但相对均匀，火星土壤存在由于侵蚀而导致的表层土壤坚硬而里层土壤松软的情况，可能使火星车在行驶时出现塌陷。“勇气号”火星车就曾因车轮陷落而导致永远丧失移动能力，因此需要考虑让火星车移动系统具有防塌陷和塌陷脱困的功能，设计主动式移动悬架，分析土壤黏附车轮效应，并进行试验验证。

在土壤钻探任务中，还需要考虑温度、原始土层结构被破坏后而导致的物理力学参数改变。一般不需要考虑土壤的低重力模拟，因为土壤的物理力学参数更多地决定于其形成、演化过程，而不是重力加速度。

3.3 光照模拟

火星大气层顶，远日点的太阳辐照常数Ⅰ0为493 W/m2，近日点为717 W/m2，平均值为589 W/m2；透过火星大气后光强衰降为0.607Ⅰ0，衰减了约40%，平均值为357.5 W/m2，是地球表面的43%。反照率在赤道附近约为0.25～0.28，随着纬度增加，反照率增大，在南北两极位置达到最大（0.5）。火星赤道上的最大太阳高度角于1 个火星年内在65°～90°之间变化。

为服务于探测器光学敏感器测试，需要采用多种光源的复合组阵技术，实现大辐照面积的可见光谱段、红外谱段太阳辐照模拟，而且要考虑散射光深模拟。

对于我国是否应该建设系统级试验的太阳模拟器以及相应的运动模拟器，一直争议较大。争论的焦点包括：热管应用对太阳入射热流模拟方法的使用限制，不同轨道航天器的通用运动模拟器设计困难，高额的运行维护成本等。但是，随着探测器构型的日益复杂，对模拟试验精度的要求越来越高，深空探测器关键部件例如集热器性能验证，若仅采用到达热流模拟方法会有较大的误差，因此开展太阳模拟试验还是必要的。

3.4 温度模拟

与地球相比，火星表面、大气有更低的热容，因此日温变化周期非常明显。火星温度的最小值出现在黎明前，其后温度迅速升高，在午后达到最大值，然后快速降低，并且这种降低的态势趋缓，直至黎明前降到最低。在纬度0°～30°范围内，火星表面温度白昼最高为27 ℃、夜晚最低为-103 ℃。特别需要注意的是，火星大气温度与土壤温度变化差异较大，在尘暴发生时，也将产生较大的温度波动。

温度模拟通常在热真空试验设备中实现，在低气压环境下，利用热沉实现降温，利用各种外热流模拟设备实现热流模拟。

3.5 火星尘模拟

探测器在火星表面工作，不可避免地会受到火星尘的影响。火星尘沉积将影响太阳电池阵的工作效能，前30 d 的功率衰减为每天0.3%，之后每天衰减0.1%（“索杰纳”火星车数据）。如果保守估计，按照每天恒定衰减3%计算，180 d 后，太阳电池阵的功率输出会降低42%。“索杰纳”火星车在经历火星尘暴后，太阳电池输出功率下降了1.5%。

火星尘环境主要是由4 个因素导致的：发动机羽流喷射、着陆冲击、火星车移动携带和自然激扬。火星尘的影响主要表现为：吸附在光学设备表面，导致其成像性能的下降；进入机构内部，影响机构正常运动；吸附在太阳电池阵表面，影响其输出功率；黏附在OSR 片、热控涂层或隔热多层表面会导致其性能下降，改变探测器的温度分布；火星车释放过程中如附着在转移机构上，则会改变车轮与转移机构间的接触状态，影响释放过程的安全性。因此，需要分析火星尘的沉降时间，研究机构等舱外设备的防尘措施验证试验方法，采取针对性的防尘措施，确保设备工作可靠。

在敏感器表面上还可以采取被动防尘措施，例如，在太阳电池阵盖片表面设计防尘微观形状，以减少尘土附着。在大型火星表面探测器上可以采用主动除尘措施，例如机械法、静电法除尘。

3.6 低气压模拟

火星表面气压在500～700 Pa 之间，只有地球表面气压的0.6%，密度约为地球大气的1%，主要成分是CO2。由于CO2的季节性凝结，在冬天凝结为干冰，气压减小，全年气压变化30%；通常选择大气压610 Pa 作为海拔线。

需要关注高频设备是否会产生低气压放电现象；若采用气凝胶隔热，则需要考虑自然对流对热控的影 响；分析二硫化钼等润滑材料的低气压特性。此外，低气压可以用于热真空试验中升降温过程的加速，但要关注水凝结对设备绝缘方面的不利影响。

3.7 火星风的模拟

火星夜间平均风速为2 m/s，白天为6～8 m/s，尘暴最大风速可以达到150 m/s。但火星大气密度很小，因此不会产生很大的横向风力。当出现尘暴时，火星表面能见度将再次降低，衰减率为0.18～0.95。局部性和全球性的尘暴常发生于热带和南半球的夏季，1 个火星年内可发生约100 次局部尘暴和1 次或多次区域型以上尘暴，局部尘暴持续时间为几天，区域型以上尘暴持续时间从5 d 到70 d 不等。

执行火星着陆任务时，应避开尘暴发生阶段。火星风对降落伞的影响，也需要在地面进行验证。尘暴期间热交换速度快，沙尘附着会改变火星车车体表面热特性，因此需考虑尘暴期间对热控制的特殊要求；更极端地，需要进行探测器休眠设计，在长期尘暴期间令探测器进入休眠或待机模式。

低气压下的风场模拟主要通过风机实现，需要关注风机散热问题。

3.8 进入火星大气过程中的等离子体环境

火星大气成分主要为CO2（95.3%）、N2（2.7%）、Ar（1.6%）。在探测器进入火星大气层时，大气受到挤压，形成弓形激波，产生的高温、高压引起大气分子与烧蚀材料电离，形成等离子体鞘，吸收和反射电磁波，造成通信中断或减弱，称为“黑障”。

需要在地面完善试验条件，实现CO2气体环境下再入过程的等离子体环境模拟，验证防热结构设计。

3.9 系统级验证条件

系统级试验过程涉及多种特殊环境的综合模拟。例如，火星车的内场试验中，需要同时模拟火星表面的低重力、光照、地形地貌、土壤等环境，服务于移动能力、导航能力的系统级验证。为更加充分地考核火星车的移动性能，可以考虑在空间环境模拟设备中实现低重力、光照及热真空环境下的火星车系统级性能验证。

火星车的自主技术和遥操作技术对环境验证的需求更加突出，需要开展外场试验进行验证。可以考虑通过卫星中继链路实现可控通信延时，进行远距离遥操作控制演练。初步调研发现，新疆哈密五堡乡以南地区，属剥蚀残丘及倾斜平原，岩性为褐红、紫红色砂质粉砂岩、砾岩，气候干燥，适合作为火星车的野外试验场候选场址。着陆敏感器挂飞试验也需要在外场进行，此项试验需更加关注地面微波特性的相似性。

此外，还需要重视深空探测进一步发展引发的试验测量手段需求，包括热真空条件下的相机标定方法、微形变测量技术、高精度温度测量技术等。

4 结束语

多种形式的火星探测对地面环境模拟技术的发展提出了新的要求，通过对低重力、土壤、光照、温度、尘及尘暴、低气压、风、进入过程等离子体等火星探测将面临的特殊环境及其效应的分析，提出火星环境模拟方法和技术发展的建议具有积极意义。

（References）

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