深空探测环境模拟试验技术进展

王晶 高文（北京卫星环境工程研究所）

深空探测航天器在任务过程中会面临不同于常规冷黑环境的复杂特殊环境，各种环境要素是航天器设计、研制、发射、在轨运行参数选择的依据。对月球表面环境、火星表面环境及金星表面环境等深空环境进行梳理，分析国内外的深空环境模拟试验技术，探究未来深空探测环境模拟试验技术发展需求，有利于促进未来深空探测任务持续长足发展。

1 深空环境

月球与深空探测是了解太阳系、宇宙起源的关键途径，也是国家综合国力的重要体现。国内将对地球以外天体开展的空间探测活动称为深空探测[1]。现阶段深空探测任务主要局限于太阳系内部，以月球、火星为重点，同时兼顾太阳系内其他行星、卫星，如：金星、木星、木卫二、土卫六等。深空探测航天器在任务过程中面临的环境主要包括：行星际空间环境、星球表面环境等。

行星际空间环境

行星际空间环境的主要环境因素为真空环境、辐射环境及微流星体等[2]。其真空环境下气体压力为10-9Pa，而辐射环境包括：银河宇宙射线、太阳宇宙射线、太阳电磁辐射、太阳风等。

月球表面环境

月球表面环境的主要环境因素包括真空环境、低温环境、低重力环境、辐射环境、月尘地貌等[2]。月表真空度为1.3×10-10Pa；月昼温度达400K，月夜温度可达90K，极区陨石坑永久阴影区温度可达40K以下；重力加速度为1/6g；太阳辐射强度为1367W/m2；月表广泛分布着月尘，月尘微粒长度介于30nm~20μm之间，形态以气泡状、棱角状碎片为主，成分以玻璃质及纳米颗粒金属铁为主。

火星表面环境

火星表面环境的主要环境因素包括低气压大气环境、低温环境、低重力环境、辐射环境、沙尘环境等[2]。火星表面气体主要由95%二氧化碳、2.7%氮气及其他微量气体构成，大气平均压强约为700Pa；火星表面温度最高达300K，最低可达150K；重力加速度为3/8g；太阳辐射强度为589W/m2；火星表面风速一般为0~20m/s，日间平均风速为6~8m/s，夜间为2m/s，尘暴最大风速可达150m/s。

金星表面环境

金星表面环境的主要环境因素包括高压大气环境、高温环境、辐射环境、腐蚀环境等。金星表面气体由96%二氧化碳、3%氮气及其他多种弱酸性微量气体构成，压力最高可达9MPa；温度最高可达750K；太阳辐射强度为2.62kW/m2，重力加速度为0.91g[3]；根据织女星－2（Vega－2）着陆探测数据，金星大气有着较高的风速，风速随高度下降而降低，最高可达100m/s，而表面处接近0。同时，在50~70km高度存在硫酸云。

其他深空探测环境

1）水星表面环境。水星作为距太阳最近的行星，其表面的主要环境因素包括真空环境、高温环境、低重力环境、辐射环境等。水星昼夜温差极大，白天可达700K，夜晚达100K；重力加速度为0.38g；水星的太阳辐射强度为9126.6W/m2。

2）木星与土星环境。木星及土星是气态行星，没有实体表面，其主要环境因素包括大气环境、低温环境、辐射环境、磁场环境等。大气主要成分是氢气；具有约120K的表面温度；木星磁场大约是地球的10倍。

3）木卫二与土卫六表面环境。木卫二重力约为0.13g。木卫二的大气层十分稀薄，约10-6Pa。表面温度约110K。同时，其表面冰层下存在着海洋。土卫六重力约为0.14g。同时，土卫六具有较为浓厚的大气层，主要成分为氮气，表面大气压约为150kPa，表面温度约为100K。

2 深空探测环境模拟试验的必要性

深空探测任务需考虑的环境要素十分复杂，随着任务目的、形式变化而变化。由于深空探测任务的可靠性要求比常规航天器任务更高，而且深空探测任务的周期长，发射后如果出现失效事件，很难在任务期间进行直接维修，从而造成经济上的巨大损失。在过去的月球、火星及金星深空探测任务中，发生了数次由于环境因素导致的失效事件。

1973年，苏联月球－21（Luna－21）和月球车－2（Lunokhod－2）任务中，月球车－2移动时太阳电池盖碰到月球表面，机构收拢时，月壤洒落车身，影响车体散热，最终导致月球车因高温失效[4]。

火星表面环境从数据上看起来较为“温和”，但在低气压下，二氧化碳等气体放电电压阈值降低20%以上。由此造成维京－2（Viking－2）航天器到达表面后行波管放大器由于放电烧毁。另外，火星尘沉积影响太阳电池阵的工作效能，导致漫游者号（Sojourner）火星车在经历火星尘暴后，太阳电池输出功率下降1.5%[5]。

金星表面环境十分严酷，多颗金星（Venera）着陆器由于金星环境发生了严重失效事件：Venera－3由于金星表面的高温而通信中断，Venera－4、Venera－5由于大气压力导致受损，通信中断，Venera－7由于高温使得降落伞损毁，Vega－1受到强烈气流扰动，使传感器误读数据，提前在空中启动钻探程序，导致采样失败。达到金星表面的着陆器在很短的时间内就会“死亡”，存活时间最长的航天器是Venera－13，其纪录为127min[6]。

环境因素（月尘、火星尘暴、金星高温高压等）导致耗资巨大的深空探测任务直接或间接失败，影响了国家科学与经济的发展。因此，深空探测航天器在地面上进行充分必要的环境试验是航天器任务成功的关键之一，深空环境的模拟与试验技术研究是深空探测的先期工作。

3 国外深空探测环境模拟技术

月表环境模拟

月表环境与地球轨道环境存在相似性，截至2021年11月，国外共有约23个系统可以在一定程度上对月表环境进行模拟。

为配合“阿波罗”（Apollo）探月计划，美国在20世纪60年代设计并建造了空间环境模拟试验设备Chamber A。该系统位于休斯敦的约翰逊航天中心（JSC），具备太阳辐射、真空、冷黑环境、低重力的综合模拟能力，但未考虑月球尘埃、地形等环境因素。该系统为评估月球车的交通能力，月尘对系统热辐射性能的影响等开展了一些小规模的环境模拟试验。

Chamber A（左）与ARGOS（右）

在重返月球、探测火星等的任务需求下，2011年约翰逊航天中心研制了主动重力补偿系统（ARGOS），首次利用了垂直悬吊法实现了重力补偿。

火星表面环境模拟

截至2021年11月，国外共有9个系统能在一定程度上对火星环境进行模拟。下面分别对火星表面无风、有风环境的模拟进行简要介绍。

25-foot空间模拟器实景图

1）火星表面无风环境模拟。美国喷气推进实验室（JPL）的25-foot立式空间模拟器，其直径7.7m、高25.7m，曾用于漫游者号、勇气号（Spirit）和机遇号（Opportunity）火星车的巡航热试验。空间模拟器配置有真空系统、氮系统、热沉系统、太阳模拟器和红外加热装置。在进行真空热试验时，真空度在10-6Pa量级，热沉温度范围为88~398K。

2）火星表面有风环境模拟。卢瑟福-阿普尔顿实验室空间环境模拟器（STC）是直径3m、长5.5m的卧式不锈钢真空容器，曾用于猎兔犬－2（Beagle－2）火星着陆器的热平衡试验。系统配置有太阳模拟器、热沉、气氮调温系统、压力控制系统和鼓风系统。太阳模拟器可提供A类光谱的模拟，其有效辐照面积为φ800mm，辐照度为0~600W/m2，辐照不均匀度为±5%；热沉温度范围为160~220K；压力控制系统可将STC容器内的压力维持在700Pa，控制精度为±50Pa；鼓风系统可以制造出流速为0~10m/s的CO2气流来模拟火星风。

美国喷气推进实验室的10-foot空间模拟器曾用于漫游者号、勇气号和机遇号火星车的着陆巡视阶段热试验。10-foot空间模拟器主要由温度可控的铜基板、用于模拟空间温度环境的温度可控平板、风力产生器和用于控制风温的温度补偿板组成。可以模拟火星表面环境、近地表大气温度、火星昼夜天空环境和火星风。具体模拟指标为大气温度145~295K、气体压力100~1300Pa、风速6m/s和12m/s。

10-foot空间模拟器实景图

金星表面环境模拟

2021年6月，NASA公布了最新的金星探测计划，预计在2028－2030年间发射两个金星探测器—达芬奇+（Davinci+）和真理（Veritas），其主要科学目标分别是：探测金星近表面大气环境及金星表面地质分布图[7]。截至2021年11月，国外共有12个系统可以在一定程度上对金星的温度、压力与气体组分进行模拟，但大部分受限于容积（不超过15L），只能做材料级试验。

国外最大的金星表面环境模拟容器为格兰中心的极端环境平台（GEER），其包括数据采集系统、气体混合系统、温度与压力控制系统以及气体检测系统。容器主体材料为306不锈钢，内表面采用铜镍合金[8]，内径0.914m，长1.219m。

GEER模拟温度可达750K，模拟压力可达9MPa，模拟气体包括CO2、N2、H2O、SO2、CO、OCS、NO、HCI。气体混合系统由9个独立气罐及质量流量控制器组成，气体控制精度为ppm级，并利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）方法测量气体组分，气体检测精度为ppm级。

GEER整体图

气体混合装置（左）与FTIR气体检测装置（右）

木星探测环境模拟

木星探测一般分为环绕探测方式与进入大气探测方式，分别对应了木星轨道环境试验及木星大气试验。对于木星轨道环境试验，由于环境的相似性，可利用月表环境模拟容器进行试验，国外共有23个系统可以在一定程度上对木星轨道的温度、压力进行模拟；对于木星大气环境试验，可改造金星环境模拟容器用以试验，国外共有12个系统可以在一定程度上对木星的气体环境进行模拟。

木星冰卫星探索者（JUICE）计划是欧洲最大的木星探测任务，计划2022年发射，2030年到达木星轨道，对木星的3颗卫星（木卫二、木卫三及木卫四）开展至少3年的近距离探测。JUICE任务探测器于2021年6月在大型空间模拟器（LSS）内进行了热真空试验。LSS是欧洲最大的空间模拟器，于1986年建成，主要包括主模拟容器、辅助室、热沉、太阳模拟器系统、高真空系统、运动模拟器、设备数据处理系统等7个子系统。主模拟容器直径10m、高15m；热沉温度100±5K；极限压力3×10-5Pa；太阳模拟器辐照强度可达2700kW/m2。

木星探测器JUICE热真空试验

对于木星大气环境试验，可改造金星环境模拟容器用以试验。例如：佐治亚理工学院的超高温压力系统（UHTPS），其主体部分由温度容器、压力容器构成。压力容器由304不锈钢制成，长0.46m，直径0.04m，体积为29.9L，模拟温度为616K、模拟压力为10MPa，气体环境为CO2、N2或H2、He，无气体成分检测设备，系统整体质量超过1283kg。

对于木星磁场环境试验，则考虑在木星轨道空间下典型等离子体环境导致航天器表面充放电失效的影响。

高辐照太阳模拟

欧洲空间技术中心（ESTEC）于2010年更新了LSS内的太阳模拟器，成为全球唯一能够进行高辐照的太阳模拟系统，用于“贝皮-科伦坡”（BepiColombo）水星探测任务与近距离太阳观测任务（Solar Orbiter）。BepiColombo探测器于2018年10月20日发射升空，计划于2025年抵达水星轨道。

该系统可进行17940kW/m2太阳辐照试验，由灯室、遮光筒、水冷挡板、光学窗口、电源控制系统和循环水系统组成，灯室由1盏25kW/32kW水冷氙灯和聚光镜组成，聚光镜面形为抛物面，直径为1000mm，氙灯位置可通过电机驱动进行调整；遮光筒内部直径约800mm，水冷挡板位于遮光筒端部，可以在需要时对光路进行短暂遮挡。

“贝皮-科伦坡”探测器热控模拟件在LSS内进行太阳辐照试验

4 国内深空探测环境模拟技术

国内的整星深空探测环境模拟技术起步较晚，目前只有北京卫星环境工程研究所具备整星的深空探测环境模拟技术，并结合型号进行了试验。

月表环境模拟

月球是现阶段国内深空探测的重点。月球表面环境的低温、月尘等模拟技术日趋成熟，航天器热真空试验技术能够满足月表环境下的热边界条件模拟要求。

KM6载人航天器环境模拟是三舱组合的、中国第二大的空间环境模拟容器，包括真空容器、热沉、真空系统、液氮系统、气氮系统、氦系统、载人试验系统、红外热流模拟系统、总控制系统等9个子系统。主容器直径12m、高22.4m；载人试验舱容器直径5m、长15m；热沉温度100K；极限真空度4.5×10-6Pa。能够进行航天器热平衡、热真空及太阳电池阵、天线可展开机构的展开试验。同时，国内建立了800m2月貌模拟环境。

嫦娥三号任务试验在北京卫星环境工程研究所的KM6设备中完成了整星试验。低温环境可通过气氦制冷以模拟40K的环境温度。另外，国内还开展了真空低温环境下移动式多体低重力模拟技术研究，研制了基于悬挂方式的低重力环境模拟系统，悬挂系统自动跟踪精度可达0.8mm。

嫦娥三号任务真空热试验

嫦娥三号月表模拟

火星表面环境模拟

1）火星车低气压无风热环境模拟。北京卫星环境工程研究所针对KM6载人试验舱（KM6F）的气氮调温热沉、压力控制、气体温度测量等方面进行了改造设计。2017年3月，火星车热控模拟器在KM6F中进行了火星无风环境模拟试验。试验中对热沉温度进行了精确控制，高温端热沉温度335K，低温端热沉温度138K。气体极限低温达到170K，升/降温速率大于0.5℃/min。

2）火星车低气压有风热环境模拟。在无风热环境模拟基础上，国内研制了一套包括低气压风速模拟系统、低气压风速测量系统、气体温度控制系统、气体压力控制系统、火星车姿态控制系统的火星车低气压有风热环境模拟系统。在真空容器内增加风道、风扇、导流板、整流网等装置，采用直流吸气的方式，实现火星表面0~20m/s的均匀风速模拟。完成了火星车的低压有风热平衡试验。

该系统试验段圆筒直径2.5m以上，长度大于3m，可实现火星表面0~20m/s的风速模拟；火星表面150~300K的气体温度模拟和火星表面150~1600Pa的压力模拟，气体成分为CO2或N2；同时可以实现火星车不同的姿态控制，转动角度范围为-90°~90°。在此系统内完成了祝融号火星车的试验。

金星表面环境模拟

国内建造了目前世界范围内最大的金星近表面环境模拟设备，其内径为1m，长为1.6m。金星表面环境模拟系统具有气体存储、气体检测、温度及压力检测、紧急泄压等子系统。模拟温度上限为780K，模拟压力上限为9.8MPa，可模拟气体环境为CO2、N2、H2O、SO2、CO、OCS、H2S、HCI 以及HF，气体控制精度为ppm级，通过气相色谱仪进行气体成分检测，检测精度为ppm级。

金星表面环境模拟装置

5 结语

通过对国内外现有深空环境模拟技术总结，结合对未来深空探测环境模拟需求，国内的深空探测环境模拟目前仍需发展包括月面真空热低重力综合环境模拟，月球极区大空间深低温环境模拟，面向金星着陆探测的金星大气模拟环境原位测试方法研究，面向火星着陆探测的高速沙尘模拟试验技术研究，面向金星、水星、近太阳探测的极高太阳常数模拟，面向木星系探测任务的强磁场环境模拟试验技术研究等相关技术。深空探测环境模拟试验技术的发展必将推动中国的深空探测走得更快、更远！