金星大气环境模拟设备及试验技术综述

高 文，郭芹良，毕研强，王 晶，杨晓宁

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

金星是距地球最近的行星，由于其与地球几乎是由同一星云同时形成，且其大小、质量和密度与地球非常相似，所以被称为地球的“姊妹星”。探测金星是了解地球过去、未来乃至太阳系形成演化的重要途径。进入航天时代以来，金星一度成为地外行星探测的焦点。金星和地球同处于太阳系的宜居带，但金星表面环境却非常恶劣——大气主要成分是CO，表面平均温度高达460 ℃。1960 年3 月11 日，人类首次尝试对金星进行航天器探测；然而，早期金星着陆探测任务的成功率极低：Venera-3着陆器由于金星表面的高温使得通信遥测信号中断；Venera-4 着陆器下降至距金星表面25～27 km时由于着陆舱无法承受大气压力导致器件受损，通信中断；Venera-7 着陆器由于金星高温大气导致其降落伞失效。直至1972 年3 月，金星探测任务才首次取得全面成功。

1985 年，Kliore 等根据探测结果建立了首个金星大气模型，并沿用至今。1990 年后，金星探测的热度有所降低，但各航天强国并未停止对金星大气环境的研究。2021 年，Greaves 等称在金星大气中发现了磷化氢，但这一研究结果在相关学界的争议较大；同年6 月，NASA 公布了最新的金星探测计划——Davinci+与Veritas。由于金星大气十分致密，金星表面是否存在火山、其大气层中的CO为什么未以碳酸盐形式固化等问题始终没有明确结论，必须通过着陆或抵近探测方式（例如着陆器或近表面飞艇等）才有可能得到进一步探究。

鉴于金星表面复杂环境效应导致航天器结构或元器件受损是金星探测任务失败的主要原因，在地面开展金星大气环境模拟，从而考核航天器的环境适应性，是研制金星近表面探测器以及保障金星着陆探测任务成功的关键。本文对现有金星大气环境模拟设备及试验进行综述，并对金星表面环境模拟关键技术进行总结。

1 金星近表面环境

根据探测结果，金星近表面环境具有高温、高压、气体呈弱酸性的特点。因此，金星近表面环境模拟的要素包括：1）最高约750 K 的高温；2）最高约9.2 MPa 的高压；3）多组分弱酸性的气体环境，参表1 所示。此外，金星表面0～40 km 大气环境的带电粒子浓度极低，磁场强度仅为地球表面的1/1000。

表1 金星与地球大气成分（体积分数）对比Table 1 Comparison of atmospheric composition between Venus and Earth

2 金星近表面环境模拟关键技术

由前所述，金星近表面环境十分恶劣，在地面进行模拟需解决如下关键技术：

1）微量气体的精确测量与控制

如何准确检测及精确控制环境模拟容器内的微量气体关系到试验环境与探测环境的一致性，是金星表面环境模拟的首要问题。而在高温、高压环境条件下，气体扩散系数较低，如何保证容器内气体浓度场具有良好均匀性成为影响试验有效性的关键。

2）高温、高压环境下的气体温度及压力控制

在金星表面环境模拟容器中，隔热材料及密封结构的选用与设计是气体温度、压力控制的直接影响因素，如何保证其可靠性是气体温度、压力控制的首要问题。其次，金星着陆器在降落过程中会面临温度、压力的复合变化，因此如何根据金星着陆器温度、压力变化曲线对容器内气体压力和温度进行复合控制成为金星表面环境模拟的关键。

3）高温、高压环境下的气体温度及压力测量

高温、高压环境下的气体温度及压力测量是金星表面环境模拟试验的关键环节之一，可为未来金星着陆探测的温度、压力测量载荷选用提供重要参考。目前，国内外的研究进展如下：

对于温度测量，热电偶、光纤等测温方式均可在高温高压条件下进行测量。深圳大学提出一种基于空芯光子带隙光纤（HC-PBF ）与空芯光纤（HCF）拼接的紧凑型双腔法布里-珀罗干涉仪（DC-FPI）传感器，10 MPa 压力下的温度测量范围为375～1075 K。不过， 在热电偶与光纤等测温传感器应用时，需考虑数据传输过程中容器内外的压差。

对于压力测量，金星表面环境条件下的压力传感器仍处于发展阶段。上海大学提出一种蓝宝石衍生光纤（SDF）和石英毛细管复合法布里-珀罗干涉仪（FPI），可用于0～4 MPa 与300～975 K 的压力与温度测量；西安交通大学设计了一种在475 K、0～150 MPa 环境下工作的压阻式压力测量芯片；Wieczorek 等开发了一种SiC 压力传感器，300～675 K 温度环境下的压力测量范围为0～300 MPa。

3 金星近表面环境模拟系统

3.1 国外金星近表面环境模拟

截至2021 年7 月，国外共有12 个模拟系统可以在一定程度上对金星表面的温度、压力与气体组分进行模拟，但大部分容积太小（不超过15 L），只能进行材料级试验。本文介绍其中2 个较为典型的模拟系统——佐治亚理工学院的超高温压力系统与NASA 格林研究中心的高温高压模拟系统。

1）佐治亚理工学院的超高温压力系统

佐治亚理工学院的超高温压力系统（Ultra-High Temperature Pressure System, UHTPS）的最初目的是为了模拟木星的深层大气环境（气体组分为H与He）。由于木星深层大气压力与金星表面环境较为相近，后将气体组分替换为CO、N用以模拟金星表面大气环境。

UHTPS 整体质量超过1283 kg，主体部分由温度容器和压力容器构成，如图1所示。压力容器由304 不锈钢制成，长0.46 m、直径0.04 m，体积为29.9 L；模拟温度为620 K、模拟压力为10 MPa；气体组分为CO和N（或H和He），不具备气体浓度实时检测能力。

图1 佐治亚理工学院的超高温压力系统Fig. 1 Temperature container (a) and pressure container (b) of UHTPS

2）NASA 格林研究中心的高温高压模拟系统

NASA 格林研究中心的高温高压模拟系统（Glenn Extreme Environment Rig, GEER）是现阶段国外最大的金星表面大气环境模拟容器，国外诸多学者利用GEER 进行了多项研究试验。

GEER 由气体混合系统、温度与压力控制系统、气体检测系统以及数据采集系统组成。容器主体材料为306 不锈钢，内表面采用铜镍合金，内径0.914 m、长1.219 m，外观如图2所示。

图2 NASA 格林研究中心的高温高压模拟系统Fig. 2 Overall view of GEER in NASA Gleen Research Center

GEER 的模拟温度可达770 K，模拟压力可达9.2 MPa，模拟气体组分包括CO、N、HO、SO、CO、OCS、NO、HCl。其气体混合装置（见图3(a)）由9 个独立气罐（8 种气体源以及1 个混合气罐）及质量流量控制器组成，通过预先混合方式进行气体混合。气体组分的控制精度为ppm 级，采用傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared，FTIR）法测量气体组分（见图3(b)），检测精度为ppm 级。

图3 GEER 的气体混合装置与FTIR 气体检测装置Fig. 3 Gas mixing device (a) and FTIR (b) of GEER

3.2 国内金星近表面环境模拟

北京卫星环境工程研究所设计并建造了国内首个金星近表面环境模拟装置（Venus Near-Surface Environment Simulator, VNSES），如图4 所示，该设备容器内径1 m、长1.6 m，容积是目前世界范围内最大的。

图4 北京卫星环境工程研究所的金星近表面环境模拟装置Fig. 4 Overall view of VNSES in BISEE

3）温度、压力复合精确控制

在对着陆器载荷等进行试验时，需考虑降落过程中的环境变化。该平台能够实现随高度变化的温度、压力变化，以满足未来金星着陆任务环境模拟的需求。

参考国外金星探测着陆器（Venera-7、Davinci+等）设计尺寸，VNSES 可以满足未来金星着陆探测任务的材料级、组件级以及小型的整星级环境模拟需求。

3.3 小结

VNSES 包括气体存储、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800 K，模拟压力上限为9.8 MPa，可模拟气体组分包括CO、N、HO、SO、CO、OCS、HS、HCl 及HF，气体组分控制精度为ppm 级，采用气相色谱仪进行气体组分检测，检测精度为ppm 级。

VNSES 具备以下特点：

1）多元气体快速混合

金星近表面环境的模拟气体组分有9 种，在气体组分检测时需保证容器内的气体分布整体均匀。该平台采用载气配合方式实现多元气体快速混合，并保证各气体组分的浓度与金星表面环境一致。

2）压力、气体成分原位测量技术

在试验过程中，实时监测容器内气体压力及气体成分的变化是了解试验进程的关键，该平台通过引压降温等方式实现了容器内压力和气体成分的实时监测。

对国内外典型金星近表面环境模拟容器的参数进行对比，结果见表2。

表2 金星近表面环境模拟容器参数对比Table 2 Comparison of Venus near-surface environment simulator

截至2021 年，世界范围内金星表面环境模拟容器仅有GEER 与VNSES 的容积达到百L 量级，能够进行多组分金星气体环境系统级试验。GEER采取预先混合的气体配置方式模拟8 种金星环境气体组分，能够初步模拟金星近表面环境。VNSES采取载气配合的气体配置方式模拟包括HS、HF的9 种金星环境气体组分，可缩短整体试验时间，提升模拟系统的可靠性，为未来金星着陆探测器的研制提供更加完善的金星环境模拟支撑。

4 典型金星表面环境模拟试验

在金星探测任务方案、初样及正样阶段，均需验证材料、组件、分系统及航天器整器的环境适应性，进行金星表面环境模拟试验是验证设计可靠性的关键途径。

4.1 金星表面风速传感器试验

NASA 研制的金星表面风速传感器的初样在GEER 中进行了2 次原位试验测试，如图5 所示。首次试验持续34 天，试验条件从距金星表面55 km高度变化至金星表面环境条件；第2 次试验在金星表面环境条件下进行了持续23 天的试验。测试结果为(0.094±0.010) m/s 与(0.495±0.053) m/s，表明金星表面风速传感器在金星表面环境条件下对环境变化具有良好的响应能力。

图5 GEER 中的高温风速传感器验证试验Fig. 5 High temperature wind speed sensor verification test in GEER

4.2 极端环境下的SiC 传感器试验

NASA 长寿命太阳系探测器（Long-Lived In-situ Solar System Explorer, LLISSE）项目组于2018 年5 月利用高温共烧陶瓷（HTCC）封装下的SiC高温半导体集成电路，在GEER 中进行了3 种恶劣环境试验，试验条件分别为：740 K、地球空气下暴露48 h；740 K、9 MPa 的 N环境下暴露48 h；740 K、9 MPa的金星多组分气体环境下暴露1400 h。试验后对器件性能进行介电性能测试分析表明，在金星表面环境下HTCC 封装SiC 高温半导体集成电路稳定性良好。

4.3 长寿命太阳系探测器的组件级试验

LLISSE 的任务目标为着陆至金星表面存活60 天并收集金星昼夜转换期间的温度、压力数据。LLISSE 项目组于2020 年1 月在GEER 中进行了60 天的组件级（100 MHz 通信系统）金星环境模拟试验，如图6 所示。LLISSE 的100 MHz 通信系统同样基于SiC 材料研制。

图6 长寿命太阳系探测器（LLISSE）的金星环境模拟试验Fig. 6 LLISSE (a), and its SiC circuit boards (b) and element (c)in Venus environment simulate test

4.4 金星表面大气分层验证试验

2019 年，Lebonnois 等利用GEER 系统进行了金星表面大气浓度梯度验证试验，以探讨金星近表面大气的组分梯度现象，其试验系统设计及试验容器如图7 所示。试验结果表明，金星大气模拟气体经过长时间静置后并未出现明显的静置分层现象。

图7 金星表面大气浓度梯度验证试验系统Fig. 7 The Venus surface atmospheric concentration gradient verification test system

4.5 金星表面大气材料级试验

Lukco 等在金星表面环境条件下（于GEER 设备中）对多种金属材料进行了长时间暴露试验，分析材料的性能变化并根据试验结果总结认为，能够应用于金星着陆任务的金属材料为钛（Ti）、钛合金TC4（Ti-6Al-4V）和钼等。该次试验的试验材料、试验条件及试验结果如表3 所示，部分试验结果如图8 所示。

表3 金星表面环境下的材料级试验Table 3 Venus surface test material level test conditions

图8 金属钨的金星表面环境长时间暴露试验结果Fig. 8 Test results of tungsten after long duration in simulated Venus environment

5 金星环境模拟试验需求分析

本文分析国外已有任务并结合未来金星探测任务需求，归纳出可利用金星表面环境模拟系统开展的试验及试验方法研究如下：

1）多种材料复杂环境下的寿命试验

金属材料在金星表面的高温高压环境下产生高温蠕变将发生塑性变形，从而影响航天器整体构型甚至是航天器寿命。在金星表面环境模拟容器中进行多种材料、不同时间长度的试验可为未来金星着陆探测器研制中的材料选择提供决策依据。

2）复杂环境下气体热物理特性试验

高温、高压条件下气体的物理特性是开展金星比较行星学研究的关键，但现阶段金星表面环境条件下多种气体物理特性数据仍属空白。Karaiskakis等综述了多种二元系统在298～800 K、0.1 MPa 及248～323 K、9～60 MPa 等不同条件下的扩散系数测量结果。2020 年，中国石油大学（青岛）在6～16 MPa、310～345 K 的环境条件下进行了超临界状态下的CO黏度测量。但高温高压环境下的其他气体的物理特性测量仍处于发展阶段。

在金星表面环境模拟系统中，能够进行高温、一定压力条件下的气体物理特性（包括密度、导热系数、黏度、扩散系数、比热容等）测量，可以弥补一些气体基础物理参数在高温高压条件下的数据空白。

3）多种地质材料的辐射特性试验

金星大气十分致密，无法通过环绕探测方法直接得到金星表面地质分布图，因此目前采取先试验测量获取地质材料辐射特性数据，再结合环绕探测结果得到的整体金星表面的辐射特性数据，计算推演金星表面的地质分布图。这就要求对各种地质材料（如玄武岩、流纹岩、花岗岩、玄武玻璃等）在金星表面模拟环境下经历长时间反应达到稳定状态后进行辐射特性测试，测试时还需要结合考虑金星大气各气体组分的吸收波长。

4）金星着陆探测器系统验证试验

在金星着陆探测器的方案研制阶段，需对其进行充分试验验证，考核各组件的环境适应性能，因此需要在试验时能够实时监测组件的温度及运行状态。

5）金星边界层浓度梯度验证试验

金星近表面大气称为金星边界层，是了解金星的重要途径，在地面进行浓度梯度试验能够验证在高温、高压及重力条件下，CO及N的组分变化规律，与金星探测结果进行对比，从而验证金星表面是否因存在火山活动而在地表持续释放气体的猜想，为进一步了解金星提供参考。

6）金星环境下有机生物体试验

金星大气中发现PH气体是金星大气环境下可能存在生物的间接证据，进行厌氧生物在金星大气环境下的生物试验能够进一步验证金星大气环境存在生物的可能性，并为未来金星着陆探测的行星保护需求提供指导。

6 展望

随着金星探测任务逐渐提上日程，开展金星近表面环境模拟试验技术研究具有重要意义。同时，金星近表面环境模拟系统的用途不仅限于未来金星着陆器的环境试验与早期故障排除，还可应用于行星学研究（例如地质学、大气物理学等）以及特殊条件下材料基本热物理特性测量等。