火星车行驶环境研究综述

赵 静，魏世民，唐 玲，危清清

(1.北京邮电大学自动化学院机器人实验室，北京100876；2.北京空间飞行器总体设计部，北京100090)

1 引言

自上世纪六十年代苏联发射了第一个火星探测器以来，火星探测越来越受到各国的重视。到目前为止，人类发射的火星探测器约45枚，成功到达火星的约18枚，着陆探测任务仅有7次获得成功[1-2]。2004年1月，勇气号和机遇号成功登陆火星，探索火星表面上可能曾经存在水的两个着陆点古谢夫环形山和梅里迪亚尼平原，并评估这些地点过去的环境条件及其对生命的适应性[3]。机遇号从地貌和沉积上判定其着陆区的前期地貌应属于水成地貌，而勇气号在着陆区则发现疑似湖积物的暗色泥质体[4]。2012年8月6日，好奇号成功登陆火星，主要对火星气候特征、地质特征以及是否有生命存在的可能进行探索，并且传回了大量珍贵的火星资料，为人类探索火星了奠定基础[5]。

目前，国内外主要针对火星表面地形地貌、火星土壤性能和土壤的参数模拟等方面开展研究，没有针对影响火星车行驶性能的火星环境进行系统地归纳分析。本文对成功登陆火星的探测器传回来的图像以及数据进行归纳整理，对火星车行驶区域的地表地形的物质特征和力学特性进行研究，总结出火星车行驶区域的重要模拟参数，为后续相关研究提供参考。

2 火星地形地貌

2.1 火星探测器登陆情况

虽然火星探测起步于苏联，但到目前为止，美国是火星探测器发射最多也是火星探测最为成功的国家。发射成功及预计发射的登陆器或巡视器的国家、时间、地点以及成就总结如表1所示。

2.2 火星地形地貌概述

同地球一样，火星上也有平原、山脉，有丘陵，有沟谷，甚至还有陨石坑，但火星基本上是沙漠行星，火星表面覆盖着一些松散的颗粒材质，由于重力等因素的影响，火星地形和地球地形相比也有许多不同的地方。以下根据在着陆点采集的信息对火星地形地貌进行归类分析。

2.2.1 高地/山

与水星和月球类似，火星的地质活动并不活跃，且目前的火星仍处于地质不活动期[6]，但可从已知的火星地质资料能大致推断出火星过去的地质活动情况。总面积约占火星表面1/4的Tharsis Bulge高地最为著名，中心位于(101 W，14 S)点处，最高点高于火星地平面11 km，其形状似圆形，周围是呈放射状的断层；根据古老的断层地质信息可以推断出Tharsis Bulge高地在火星地质早期就已形成[6]。此外火星表面还有许多大小各异的环形山以及比较年轻的山谷、小山。地质学家推断，陨石撞击及火山喷发都是环形山形成的原因[6]。

2.2.2 峡谷

火星地貌的另一个显著特征是峡谷。

一般而言，地球上峡谷的形成主要原因有流水、地壳运动、地质变迁和地震等[6]，但火星并非如此，它是一颗地质运动并不活跃的星球，却拥有显著的峡谷地貌。根据目前掌握火星的地质信息情况，能够解释火星上的峡谷形成的原因大致有三个方面：①地质断层；②地壳张裂；③火山活动[6-7]。在火星赤道区域有一个著名的峡谷即Valles Marineris大峡谷[6-8]，其地势异常的险峻，峡谷中有断层悬崖，但没有侵蚀堆积物，可以证明该峡谷的形成可能是地质断层作用，如图1所示。火星另一个著名峡谷水手峡谷，其形成原因则可能是因为地壳的张裂[7]。

表1 登陆器或巡视器登陆地点和运行状态Table 1 Landing location and operating status of landers or rovers

2.2.3 火山及火山坑

火星虽然没有活跃的地质运动，也未发现火星上有火山活动的迹象，但却有许多类似地球的火山特征。

在火星北部的高地，有许多类似火山坑的地貌，其主要物质组成为玄武岩[7]。在30亿年前，火星可能发生过较大规模的火山喷发，导致火星岩浆和火星灰等物质涌出地面留下了火山遗迹，主要集中在Tharsis Bulge高地和Elysium Bulge高地[6]。在 Tharsis Bulge高地还有 Arisia Mons、Pavonis Mons和Ascraeus Mons 3个大型盾形火山，平均高度约为6 km，平均直径约为700 km[7]。而在Elysium Bulge高地上也有Elysium Mons、HecatesThalus和AlborThalus 3座火山，其中最大的火山为 Elysium Mons，高度为 14 km，宽度为170 km，其侧面非常陡峭(斜坡角度达到78°～80°)；位于(133 W，18 N)的 OlympusMons火山是火星上最大的火山，高出火星地平线27 km，其宽度达 500～600 km[9-10]。

2014年11月26日，欧洲航天局(ESA)的火星快车号传回了火星北部阿拉伯高地(Arabia Terra)的SiloePatera地区的照片，如图2所示[11]。两个巨大的嵌套式火山坑组成了Siloe Patera地区。外面的火山坑长40 km，宽30 km，最深处可达1750 m。据物质成分分析显示，纹理细腻的层状硫酸盐以及粘土物质是阿拉伯高地地质的主要成分[7]。

图2 火星火山坑[11]Fig.2 Volcano pit of Mars[11]

2.2.4 陨坑以及坑地形

火星表面有大量的火星坑，大致是陨星撞击等相关活动风蚀土侵相互作用的结果，具有碎形分布的特征[12]。与月球坑不同的是，火星坑地形相对丰满，形成这种地形的原因可能是风力侵蚀[12]。火星地表充满火星坑，且南北半球的分布很不均匀：南半球火星坑聚集，2/3区域坑化严重；北半球则火星坑稀少且1/3区域的火星坑相对较浅，这表明北半球的火星坑较为年轻[12-13]，火星坑地形如图3所示。

图3 陨坑[13]Fig.3 Meteorite pit of Mars[13]

2.2.5 河道

火星南半球河道地貌非常显著，似乎有流水冲刷侵蚀的痕迹，如图4所示[14-15]。但除流水冲刷外，火山熔岩流、地质断层、风蚀等都可能形成类似河道地貌，不排除火星某个时期一些特殊的天气或气候条件形成火星河道地貌的可能。与地球河道地貌相似，径流河道和溢流河道为火星上河道地貌主要类型。径流河道多分布在南方高地，河道之间互相联系，四通八达，交织而成一个河道网络；溢流河道主要分布在赤道，其形态类似大水冲刷的痕迹，分布混乱无序且河道非常深[14-15]。

图4 火星河道[15]Fig.4 River of Mars[15]

2.2.6 沙丘

沙丘在火星北极地区呈带状分布，其他则零星分布于陨坑、峡谷之间[16]。由于尘暴吹起的岩屑在火星风的作用下不断吹起又沉降，导致了火星上的沙丘地貌的形成，如图5所示[16-17]。但另一奇怪的现象是：在火星探测器“海盗号”的着陆地点，被吹起的沙尘沉降后并没有形成沙丘地形[16]，这也表明沙丘的形成机制并没那么简单。沙丘的主要物质组成成分为玄武岩颗粒，北极沙丘则以石膏质颗粒组成为主；从粒径上来看，沙丘粒径主要由平均粒径为430 mm粗沙和粒径不小于120 mm的中沙组成[16]。

3 火星表面物质特性

3.1 火星土壤

3.1.1 火星土壤特性

图5 火星沙丘[17]Fig.5 Dune of Mars[17]

火星土壤的特性与火星探测器在火星的着陆以及火星车在火星的运动有着密切的联系。火星探测器所携带的土壤探测仪得到的表层火星土壤数据显示，火星表面土壤与月球表面相似，其颗粒直径的分布范围比较广，且火星土壤表层的颗粒直径比月球土壤表层的颗粒直径要大，火星土壤密度比较小，火星表层容重总体上要比月球土壤表层容重小，火星土壤的内摩擦角要比月球土壤的内摩擦角小，火星土壤的承载力和月球接近[18-19]。

综上，对火星、月球和地球的土壤样本的对比分析并得到以下火星土壤形成原因：在火星上，温差和风导致的物理风化、陨石撞击导致的岩石破碎效应是其土壤形成的主要原因；在月球上，土壤形成与火星类似，陨石撞击同样是其主要因素；而在地球上，土壤形成的过程中液态水的作用最为明显。

3.1.2 火星土壤的力学参数

火星表面的土壤是由固体颗粒组成，颗粒本身的强度要远远大于颗粒间的连接强度，一旦遇到外力，固体颗粒之间发生错动，从而引起火星土壤的一部分相对另一部分滑动[20-21]。行星表层土的强度一般用内聚力和内摩擦角两个参数描述，颗粒间粘结力的大小用内聚力的值表示，火星土壤颗粒间摩擦力的大小则由内摩擦角的值表示[22-24]。由于火星车上没有测量土壤力学参数的专用设备，因此火星土壤力学参数的研究主要是探测器的实地就位探测数据分析和地面模拟火星土壤仿真分析。通过采样铲与土壤和车轮与土壤之间的相互作用进行反演估计火星力学参数。表2所示为火星表面5个降落点(不包括好奇号巡视器)的火星土壤力学参数估计[20-24]。

表2 火星土壤的力学参数[21-24]Table 2 Mechanical parameters of Martian soil[21-24]

3.2 火星尘土

火星尘埃主要组成成分为极细粒的硅酸盐颗粒物。2008年，凤凰号在火星近北极发现了高氯酸盐物质，这是火星探测器首次发现高氯酸盐物质[25]。2012年8月份，好奇号在火星盖尔陨坑执行任务时也探测到了高氯酸盐物质的存在[25]。目前国内外的研究对于火星尘埃也只是初步认识其基本特性，对于火星尘埃的监测，在无论方法还是技术手段均需进一步提高。因为火星尘埃会在火星地表随风迁移，会考虑到这种物质对火星探测器表面工作的光学部件、航天员的航天服可能产生的威胁以及火星探测器的寿命的影响[26-28]。目前，火星尘埃的特性讨论和研究主要方法是风洞仿真实验[25-28]。

3.2.1 尘埃带电

运动的尘埃是否带电，这对监测火星探测器表面的尘埃累积十分重要。有不少学者认为火星表面的静止沙粒和尘埃产生带电现象主要因为到达表面的紫外线入射带电，而运动的火星尘埃和沙粒可能在卷风和尘暴的作用下，尘埃颗粒碰撞使得火星尘埃带电[25-28]。火星复杂的尘埃静电环境给航天员的航天服以及火星探测器带来极大影响。此外，火星尘埃的沉积使得太阳能电池板以及裸露在火星环境中的其他硬件设备的效率和寿命带来极大挑战，勇气号曾因为供电系统中的太阳能电池板蒙尘，电力供应一直持续下降导致供电系统瘫痪[29]。

3.2.2 磁性尘埃

火星上存在磁异常现象[25]，这表明火星上极有可能存在含有磁性物质的土壤和尘埃。火星上气候恶劣，在各种外界环境的长期侵蚀下，火星岩石风化面碎裂导致火星岩石中含有磁性物质[21]。对已有的火星探测数据的分析显示，火星土壤和尘埃平均磁化强度较低，但均呈现出磁性响应[30-31]，监测这种磁性尘埃、磁性土壤和磁性岩石的分布与特性十分重要。

3.2.3 火星尘埃的基本参量

根据火星探测器初步探测[31-33]，获得火星尘埃的基本物理参量，具体参数如表3所示。

表3 火星尘埃的物理参量[32-34]Table 3 Physical parameters of Mars dust[32-34]

3.3 火星岩石

火星表面除了土壤和尘土外，还分布着大量的岩石。据统计，火星表面的岩石分布密集程度比月球表面多[33]，这对于火星探测器提出更大的挑战。了解并掌握火星岩石分布及物理特性，能够对火星探测器机械设计及着陆提供参考。

与地球石块状态相对比，火星石块的裸露状态可分为：完全裸露、部分裸露和完全埋没；火星石块形状分可为：方形、圆形和三角形。由此可统计海盗1号(Viking-1 lander)、海盗2号(Viking-2 lander)以及探路者号(Mars Pathfinder)探得的石块裸露情况如表4。

由表4可以得出着陆器着陆点石块分布情况如下：Phoenix＜Viking-1＜Viking-2 ＜Pathfinder，而Pathfinder处的石块分布最多，大于0.1 m的石块分布占比约为19%，Viking-2着陆点附近的石块与Pathfinder着陆点处的石块分布十分接近，在17%左右，Viking-1的石块分布在 5%左右，而Phoenix石块分布量最少[37-38]。

4 火星车行驶区域环境模拟

4.1 火星土壤的模拟参数

模拟火星土壤需与火星土壤的矿物成分、物理特性以及力学参数接近且具有一定的均匀性和稳定性。由于火星土壤的物理特性和力学参数无法直接得到，只能通过车辙印迹反推火星土壤的参数，故火星土壤的模拟参数根据月球土壤参数作为一种参考进行研究。基于模拟月球土壤模型建立的方法，根据已得到的火星土壤相关的数据，得到火星土壤力学参数模型。目前国内模拟火星土壤力学性能推荐参数如表5所示[24]。

表4 火星表面石块形状及裸露情况[33-37]Table 4 Mars surface stone shape and bare situation[33-37]

表5 模拟火星土壤力学性能推荐参数[24]Table 5 The proposed mechanical parameters of the Martian soil simulant[24]

4.2 火星石块的模拟参数

石块的分布情况对火星车轮子机械结构的设计有极其重要的影响，NASA于2004年就在北极Haughton陨石坑建立了户外试验场。按照不同石块直径分为4个模拟区域，如表6所示[34]。

4.3 火星车行驶区域坡度模拟参数

NASA喷气推进实验室建立了火星环境室外试验场MarsYard，约 2500 m2，并在 Mars Yard试验场对好奇号移动系统的备份车The Dynamic Test Model(DTM)进行了大量不同坡度和不同模拟地形的试验，其中图6所示坡度模拟主要得出如下结论[38]：在光滑的基岩上，高达22°的斜坡是可穿越的，而在某些粘性土上，高达28°的斜坡是可穿越的。试验结果验证了好奇号的爬坡能力。

4.4 火星车行驶区域模拟构建

对火星环境的调研和分析表明：可将火星车行驶区域分为水平模拟区域和坡度模拟区域，通过坡度、火壤类型以及石块分布进行组合，将火星车行驶环境主要分为如表7所示的几种典型环境，对各个工况进行试验验证。

表7 火星车行驶区域模拟参数Table 7 Parameters for simulation of rover driving area

5 结论

1)火星表面地形有如下特征：①南半球高且崎岖不平，且多为充满陨石坑的古老高地和大型环形山；北半球则多为平整且年轻的平原，海拔比南半球低，有少量环形山和死火山；②峡谷地形显著；③地表点缀着许多大小不同的陨石撞击坑；④在火星北部的高地，存在类似火山的地貌，构成火山山脉、火山平原和火山坑等地形；⑤存在类似地球河道的地貌；⑥每年都会发生尘暴，存在各种各样的沙丘。

2)分析了火星土壤物质特性、火星尘埃物理参数以及火星岩石分布情况，其中火星土壤粒径范围从0.1～3500 μm，容重 1000～2900 kg/cm3，内聚力0～11 kPa，摩擦系数 0.3～0.5；火星尘埃主要成分为 SiO2，粒径为 0.1～10 μm，粘附力为 0.9～79 Pa；火星表面岩石密度比月球大，火星探测器着陆点附近的石块分布约为18%。

3)提出了模拟火星车行驶环境的重要参数以及18种火星车行驶区域模拟方案，其中，火星土壤模拟推荐参数为内摩擦角35°，容重推荐参数为1.52 g/cm3，内聚力推荐参数为0.24 Pa；石块模拟参数为：模拟中等石块时，直径可选在15.24～30.48 cm之间，模拟较大石块时，直径可选在0.3～0.61 m之间，模拟大石块时，直径应大于0.61 m；模拟火星车行驶区域坡度可选0～30°。