火星表面环境模拟技术

2021-10-13顾苗

装备环境工程 2021年9期

顾苗

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

火星是太阳系的八大行星之一。火星与地球有着类似的四季交替和几乎等长的日落日出。每隔26年就会出现一次火星探测的研究高峰。从20世纪60年代起，人类就开始使用空间探测器对火星进行研究。火星探测器的任务分为火星掠飞、环绕、着陆和巡查等类型。人类总计启动了42次的火星探测任务，美国20次，苏联/俄罗斯19次，日本1次，欧洲1次，印度1次，失败和成功参半[1]。火星任务失败的主要因素可归结为3个方面：火星环境适应性问题；关键系统故障；轨道控制问题。因此，火星探测任务成功与否和火星的特殊环境密切相关[2]。如1971年，前苏联的火星二号和火星三号由于火星沙暴导致失效。2004年，美国勇气号火星车由于车轮陷于土壤内失去行动能力。2007年，美国的凤凰号探测器由于进入严冬电量过低导致失联[2-3]。当前随着火星探测热潮的出现，掠飞探测和硬着陆探测的价值远低于软着陆和巡查探测。因此对火星表面环境的研究，以及利用已知火星地表自然环境知识，建立相应的地面效应模拟，具有重大科研价值。

研究火星自然环境因素对其表面巡视航天器的影响，火星自然环境的地面模拟方法分析，以及综合多个环境因素联合模拟，对于火星地表探测具有深远的影响。文中阐述了火星表面各个主要环境因素，环境因素对其表面巡视航天器的作用及其模拟方法。指出了当前火星环境适应性试验过程中，哪几个环境因素适合执行综合模拟。

1 火星环境及其效应

火星环境在大气、气压、温度、表面风速、灰尘、地形地貌、光照、引力等方面，与地球环境迥异。火星与地球环境的区别见表1。这些环境因素之间相互影响，相互作用，对飞行器或探测器等造成影响。这些火星表面的基本参数来源于美国1975年发射的两个火星探测器“海盗号”。

表1 火星环境与地球环境类比 Tab.1 Mars environment and Earth environment

1.1 火星大气环境以及效应

火星表面的大气压力约在750 Pa左右，约为地球的0.75%。主要成分为95%的二氧化碳、3%氮气、1.6%氢气，很少量的氧气、水汽、一氧化碳、氖气、氪气和氙气。大气气压在全年内略有变化，变化范围为150~1350 Pa。低气压环境会对航天器造成低气压放电的影响。根据帕邢定律，CO2气体与空气放电规律略有不同，同等间隙与压力状态下，CO2气体的击穿电压略微高于空气。但是火星表面的气压范围仍旧能够造成航天器用电设备的低气压放电现象。

火星大气中，CO2的体积分数会在1个火星年内发生约26%的变化。这样以CO2气体为主要成分的大气环境，在低温的驱使之下，会凝结成干冰，附着在航天器裸露的表面。首先会影响航天器的光学特性，如太阳能电池板的透光率降低，影响输出性能，相机镜头结霜影响图像质量。其次，运动关节的结霜会影响运动机构的摩擦力特性。

火星表面的温度变化范围很大，由于大气层较薄，热容较小，昼夜温度变化大。地表的夏季平均温度为–60 ℃，冬季平均温度为–123 ℃。昼夜温差大，变化范围为50~100 ℃。在冬季，CO2会出现凝结现象。在两极处，CO2冰层因为温度循环造成升华和凝固，会影响气压变化，变化值达到30%[4]。火星表面热环境的影响因素主要有2个来源，分别为火星表面二氧化碳大气的温度辐射和太阳辐照引起的热变化。火星表面的温度变化范围很大，会带来结构件的热胀冷缩，给航天器运动结构带来有害应力。温度的大温区变化考验表面巡视航天器的温度保持系统性能。

火星气压低，引力小，伴随着温度大幅度变化，大气动能增加，尘埃被卷入空中，易于形成强烈尘暴。常规火星夜间风速约为2 m/s，白天约为6~8 m/s，发生尘暴时，可达到150 m/s。由于火星的大气密度小，不会产生较大的横风。每年火星尘暴发生频繁，每年约发生100次局域尘暴，和1次以上大规模尘暴[5]。尘暴持续时间短则几天，长则数十天。这些尘暴可从太空观测到褐色尘云或者大面积橘色尘雾。海盗1号和海盗2号着陆器测得火星沙尘暴的起动一般需要离火星表面2 m高处的风速达到30 m/s，这相当于地球上的12级飓风。火星表面的尘暴会造成火星表面探测器的表面磨损，影响暴露在外光学镜头的性能，改变水升华器等散热器的特性，降低探测器用太阳帆板性能等。火星尘暴具有剥蚀、遮蔽、阻滞、摩擦放电等多种环境效应[6]。在人类探测火星的30年中，除了目前正在工作的3个火星车外，其余登陆火星的探测器几乎均被火星的尘暴所毁坏。例如火星尘暴影响“探路者号”的太阳帆板性能，“勇气号”和“机遇号”也应为火星尘暴的影响出现故障。

1.2 火星地形地貌以及效应

火星表面拥有多样的地形地貌，有高山、平原、峡谷。由于风速和尘暴的原因，火星表面呈现类似风蚀沙漠地貌。南半球多为充满陨石坑的高地，北半球多为熔岩填平的低平原。两级为干冰或水冰形成的极冠。局部探测器能够接触到的火星表面，大多以沙石为主，表面覆盖风化的尘埃。这些尘埃主要由极小的硅酸盐颗粒物构成，也存在高氯酸盐物质成分（2008年美国宇航员凤凰号探测器发现），或者石膏粉尘。这些粉尘对航天器和探测器均存在危害，其中高氯酸盐物质和石膏粉尘物质也会对人体产生危害。这些尘埃的直径为50~100 μm的颗粒物。

1.3 火星光照环境以及效应

火星表面的光照环境在远日点和近日点略有差别，远日点的太阳辐照常数为493 W/m2，近日点为717 W/m2，平均辐照度为589 W/m2。透过火星大气衰减为0.607倍，平均太阳常数约为357 W/m2。反照率为0.2~0.5，极地最大，赤道最小。太阳辐照角度为65°~90°[7]。当探测器使用太阳能作为其主要能源供给，到达火星表面时，其太阳能帆板的功率会发生衰减，大约为地球附近的1/2或者更少。这将会影响以太阳能为能量来源的航天器。

1.4 火星表面其他环境以及效应

除上述环境之外，火星表面还存在着低重力（约为地球重力的1/3）、等离子体环境[8-10]。这些火星环境因素会对火星探测器或火星航天器存在着较大的影响。例如低重力会影响巡视器车轮与地面的接触的摩擦力，以及钻探机构的力学特性。有必要在地面模拟出这样的环境，以考验这些环境因素对航天器带来的影响[11]。

2 火星表面环境的模拟

2.1 火星低气压环境模拟

低气压环境模拟一般在真空舱中进行。依据当前火星相关航天器尺寸，建议整星级别模拟舱体选择有效直径5 m左右，部件级别的舱体选择有效直径1 m左右[12]。放电测试用低气压环境的模拟系统一般由气瓶、质量流量计、可控开度调节阀门、真空泵、手动调节阀门、真空规、控制系统组成，如图1所示。

图1 低气压环境模拟原理 Fig.1 The simulation method for low pressure environment

低气压控制系统，通过气瓶向真空舱内放气，同时通过质量流量计控制放气量。该系统通过真空泵（建议为干泵，不会出现返油污染）抽除真空舱内气体，形成低气压环境。控制系统通过控制质量流量计的进气量和调节阀门的开度，达到指定的压力值。

我国的火星车低气压试验在KM6F空间环境模拟器内执行，压力调节范围为150~1500 Pa，调节精度为±10 Pa。KM6F采用如图1所示低气压充压和泄压方式实现舱体内的压力平衡[13]，具体压控流程如图2所示。

图2 我国火星车低气压控制流程 Fig.2 Low pressure control flowchart for Chinese Mars rover

2.2 火星大气成分模拟

大气成分环境模拟在真空舱内进行，一般与低气压环境同时实施。在低气压环境充气时，充入的气体采用CO2气体即可。在大气成分模拟过程中，一般不精确模拟火星大气中的其他成分。大气的成分可用四极质谱计测量，得到精确的模拟舱内CO2气体的体积分数。

我国火星车的CO2大气环境试验与低气压环境试验同时执行，其控制流程参见图2中的CO2快速充气通路。我国火星探测航天器的部件同样执行CO2环境的低气压试验[14]。

2.3 火星大温区变化模拟

火星表面温度的大范围变化同样也在模拟舱内执行。模拟舱内设置热沉，热沉为胀板（空心薄板）结构或管板焊接结构，包覆舱体内表面。热沉内通可调温介质，用于调节模拟舱内温度环境。火星表面温度区间的模拟可以使用气氮调温热沉系统来实现。气氮调温热沉调节的温度范围一般为–150~150 ℃，温度调节速率为±2 ℃/min，可以用于火星表面温度的模拟。气氮调温系统使用氮气作为调温工质。工作过程中，将热沉出口的氮气经过气氮调温器的换热降低温度，经过风机的驱动，进入电加热器，调节至目标温度，氮气再次进入热沉腔内，从而形成密闭循环。气氮调温法模拟温度环境原理如图3所示[15-16]。

图3 气氮调温模拟温度环境原理 Fig.3 Gas nitrogen thermal regulator method for temperature environment

当前气氮调温系统已经成为空间环境模拟器的主流配置之一。北京卫星环境工程研究所的气氮调温设备，控温范围为–170~150 ℃，升降温速率可达3.5 ℃/min，控温精度优于±1 ℃[17-18]。

我国火星车的温区试验在KM6F空间环境模拟器中执行，采用如图3所示气氮调温原理实现，具体的流程如图4所示。该火星表面温区模拟范围为－170~60 ℃，均匀性为±5 ℃，温度速率为0.5 ℃/min。

图4 我国火星车温区控制流程 Fig.4 Temperature control flowchart for Chinese Mars rover

2.4 火星尘暴模拟

火星尘暴的模拟方法常见的有风洞[19-20]和真空引流[21-22]两种。

风洞模拟方法使用成熟的火星风洞，在常压环境中，配合火星尘埃和沙石发射装置，可模拟常压环境中火星表面航天器的抗沙尘特性。通常用来模拟尘土颗粒物直径为0~100 μm的火星尘埃[23]。

真空引流法在低真空环境中采用二氧化碳来模拟火星大气、二氧化硅颗粒模拟火星沙尘。高压气罐内存储液态二氧化碳，储沙罐内存储二氧化硅颗粒。调配成为含尘气体，由管道输送到试验容器。风管道直接与尘暴发生装置相连，由于内外压差以及尘暴发生装置的气动加速，可在尘暴发生装置内形成高速尘暴流场。风管道出风口设置于尘暴发生装置外侧，在试验容器内部形成引射环流，可获得稳定的尘暴流场[24]，如图5所示。

图5 火星车尘暴环境模拟原理 Fig.5 Dust storm environment simulation method

这两种方法中，风洞法较易于实现，但是不能同时模拟火星表面的稀薄气体流。真空引射流法能够同时模拟稀薄二氧化碳大气和尘暴，更加贴近于实际环境。

2.5 火星地形地貌模拟

火星环境中的地形地貌多样，有高山、平原和峡谷。从以往的观测来看，火星表面基本上是沙漠行星地表的沙丘和硕石遍布，主要为风积和风蚀地貌同时存在。由于表面的低重力因素，导致地形南北半球有较大差异，北方以平原为主，南方以高地为主，中间以斜坡分割，之间穿插众多火山和陨石坑。沙硕由平均颗粒直径为430 mm的玄武岩粗砂和不小于120 mm的中沙组成。火星表面的土壤和尘埃也有其特别的属性，例如带有静电等[24]。

这些石块、坑洞、松散的沉积物以及坡度的不确定性会影响探测器能否成功着陆。这些地形因素会考验巡视航天器的躲避障碍能力。航天器可根据即将着陆的地区，从地球上寻找类似风沙地貌的地形，或者根据火星表面土壤砂石的特性、地貌坡度，模拟测试场景，如图6所示[8]。在地形模拟过程中，尤其需要关注疏松的沉积尘土对航天器的影响。

图6 好奇号地形地貌测试场景 Fig.6 Curiosity terrain test

2.6 火星辐射光照模拟

太阳能辐射光照试验可在模拟舱内执行，当前主要实现的方式为太阳模拟器。当前北京卫星环境工程研究所研制的空间环境模拟器采用的太阳模拟器，辐照面积直径能够达到 5 m，辐照度能够达到1760 W/m2，不均匀度达到±4%[25-26]。该种太阳模拟器能够模拟火星表面的太阳辐照环境。太阳模拟器主要由光学系统、机械结构、冷却系统、电源及测控系统组成，如图7所示。

图7 太阳模拟器模拟光照环境原理图 Fig.7 Solar simulator method for radiation environment

北京卫星环境工程研究所大型太阳模拟器外观如图8所示。

图8 太阳模拟器外观 Fig.8 Outer appearance of the solar simulator

火星的辐射光照环境试验也可在大气环境中执行。例如我国辐射光照试验，如图9所示。

图9 辐射光照试验场景 Fig.9 Solar radiation test

2.7 火星低重力模拟

火星表面的重力加速度较低，为3.72 m/s2，只有地球的1/3。低重力会影响巡视器车轮与地面接触的摩擦力，以及钻探机构的力学特性。一般采用自由落体直接模拟法、抛物线飞行法、气浮平台法、水浮试验法、吊丝配重法来模拟火星表面的低重力环境。实际试验中，使用较多的是吊丝配重法。这些测试方法已经成功用于中国登月航天器、失重航天器的微重力模拟。火星表面的低重力模拟方法与月球表面的低重力模拟方法类似。如美国研制的三自由度低重力补偿系统，用于高精度的是重力模拟，如图10所示[27]。

图10 美国CSA三自由度重力补偿系统 Fig.10 3 DOF gravity compensation system from CSA in America

2.8 其他环境因素模拟

火星的其他环境，包括火星表面磁场、等离子体环境等，可根据整个航天器的相关环境适应性测试，或者在航天器材料选取时，执行材料级的模拟试验。

3 综合环境模拟

实际在火星表面环境模拟的试验中，考虑到可行性、经济性和模拟效果等方面的因素，多个因素可以进行综合模拟。

3.1 火星低气压热环境试验（低气压、温度、CO2大气环境）

通常火星表面的低气压、温度、大气成分会互相产生影响。CO2大气在低气压环境下凝华的温度会发生变化。同时，模拟舱内低气压环境，可用CO2气体充气。从可行性和原理上而言，这3个因素一起模拟能够达到所需的模拟效果。

目前火星探测器的低气压、CO2大气环境模拟试验主要在卧式热真空容器（北京卫星环境工程研究所研制）上进行，容器直径为4200 mm，长度为5000 mm。先将真空容器抽至真空度约6.5×10–3Pa量级，通过充气口向其内部通入高纯CO2气体，同时通过真空泵抽除真空腔室内部的气体。通过真空计的读数、干泵连接的可控制开度的蝶阀、以及充气管道上的流量控制器形成负反馈自动控制，用于稳定模拟的压力环境约为725~775 Pa[28]。这种方式能够模拟稳定的CO2氛围和低气压环境。

国外通常把火星表面的热环境、压力环境、大气环境和风速环境放在一起模拟，用来测试火星表面航天器的性能。如英国卢瑟福-阿尔普顿实验室的STC空间环境模拟器，直径为3 m，长度约5.5 m，其外观如图11所示[29]。该空间环境模拟器配置卧式容器、气氮调温系统热沉、压控系统、太阳模拟器系统和鼓风系统。热沉温度为–110~150 ℃，压控系统可将压力维持在700 Pa，鼓风系统可控制二氧化碳气流的流速在10 m/s左右。该设备曾经用于猎犬2号火星着陆器的试验。

图11 英国STC空间环境模拟器 Fig.11 STC space simulator in Britain

美国的JPL10-foot空间环境模拟器，曾用于“漫步者者号”、“勇气号”和“机遇号”火星探测器的测试。空间环境模拟器配置控温冷板，用于模拟空间温度，风机用于模拟火星表面的风速。主要指标为大气温度范围为–130~20 ℃，氮气气体压力为 100~ 1300 Pa，风速为6 m/s和12 m/s。后续的“好奇号”火星车在25ft空间环境模拟器中执行热测试，其外部直径为7.5 m，高21 m，内部试验空间直径为6 m，高7.5 m，热沉温度为–180~100 ℃，太阳模拟器使用37盏20 kW氙灯，可达2太阳常数，光斑为5.6 m，光路从顶及下，如图12所示[30-31]。

图12 美国25ft空间环境模拟器 Fig.12 25ft space simulator in America

3.2 火星风洞试验（低气压、风速、尘暴环境综合模拟）

火星表面的尘暴环境与低气压和高风速密不可分，这三种因素综合模拟可以很好地验证表面巡视器抗风沙能力。火星风洞为目前常用的低气压、风速和尘暴环境综合模拟装置。

例如美国 NASA 的埃姆斯科研中心的MARSWIT风洞，火星风洞在一个体积为4000 m3的低气压腔室内，试验气体和二氧化碳的体积分数可调。风动有效试验段尺寸：直径约1.2 m，长约0.9 m。日本东北大学的MWT火星风洞，放置在压力和温度可调的真空罐中，真空罐体直径约1.5 m，长度约5 m。风洞有效试验段尺寸：直径约100 mm，长约400 mm，如图13所示[32-33]。