火星車行駛環(huán)境研究綜述

趙 靜，魏世民，唐 玲，危清清

(1.北京郵電大學自動化學院機器人實驗室，北京100876；2.北京空間飛行器總體設計部，北京100090)

1 引言

自上世紀六十年代蘇聯(lián)發(fā)射了第一個火星探測器以來，火星探測越來越受到各國的重視。到目前為止，人類發(fā)射的火星探測器約45枚，成功到達火星的約18枚，著陸探測任務僅有7次獲得成功[1-2]。2004年1月，勇氣號和機遇號成功登陸火星，探索火星表面上可能曾經(jīng)存在水的兩個著陸點古謝夫環(huán)形山和梅里迪亞尼平原，并評估這些地點過去的環(huán)境條件及其對生命的適應性[3]。機遇號從地貌和沉積上判定其著陸區(qū)的前期地貌應屬于水成地貌，而勇氣號在著陸區(qū)則發(fā)現(xiàn)疑似湖積物的暗色泥質體[4]。2012年8月6日，好奇號成功登陸火星，主要對火星氣候特征、地質特征以及是否有生命存在的可能進行探索，并且傳回了大量珍貴的火星資料，為人類探索火星了奠定基礎[5]。

目前，國內外主要針對火星表面地形地貌、火星土壤性能和土壤的參數(shù)模擬等方面開展研究，沒有針對影響火星車行駛性能的火星環(huán)境進行系統(tǒng)地歸納分析。本文對成功登陸火星的探測器傳回來的圖像以及數(shù)據(jù)進行歸納整理，對火星車行駛區(qū)域的地表地形的物質特征和力學特性進行研究，總結出火星車行駛區(qū)域的重要模擬參數(shù)，為后續(xù)相關研究提供參考。

2 火星地形地貌

2.1 火星探測器登陸情況

雖然火星探測起步于蘇聯(lián)，但到目前為止，美國是火星探測器發(fā)射最多也是火星探測最為成功的國家。發(fā)射成功及預計發(fā)射的登陸器或巡視器的國家、時間、地點以及成就總結如表1所示。

2.2 火星地形地貌概述

同地球一樣，火星上也有平原、山脈，有丘陵，有溝谷，甚至還有隕石坑，但火星基本上是沙漠行星，火星表面覆蓋著一些松散的顆粒材質，由于重力等因素的影響，火星地形和地球地形相比也有許多不同的地方。以下根據(jù)在著陸點采集的信息對火星地形地貌進行歸類分析。

2.2.1 高地/山

與水星和月球類似，火星的地質活動并不活躍，且目前的火星仍處于地質不活動期[6]，但可從已知的火星地質資料能大致推斷出火星過去的地質活動情況?？偯娣e約占火星表面1/4的Tharsis Bulge高地最為著名，中心位于(101 W，14 S)點處，最高點高于火星地平面11 km，其形狀似圓形，周圍是呈放射狀的斷層；根據(jù)古老的斷層地質信息可以推斷出Tharsis Bulge高地在火星地質早期就已形成[6]。此外火星表面還有許多大小各異的環(huán)形山以及比較年輕的山谷、小山。地質學家推斷，隕石撞擊及火山噴發(fā)都是環(huán)形山形成的原因[6]。

2.2.2 峽谷

火星地貌的另一個顯著特征是峽谷。

一般而言，地球上峽谷的形成主要原因有流水、地殼運動、地質變遷和地震等[6]，但火星并非如此，它是一顆地質運動并不活躍的星球，卻擁有顯著的峽谷地貌。根據(jù)目前掌握火星的地質信息情況，能夠解釋火星上的峽谷形成的原因大致有三個方面：①地質斷層；②地殼張裂；③火山活動[6-7]。在火星赤道區(qū)域有一個著名的峽谷即Valles Marineris大峽谷[6-8]，其地勢異常的險峻，峽谷中有斷層懸崖，但沒有侵蝕堆積物，可以證明該峽谷的形成可能是地質斷層作用，如圖1所示。火星另一個著名峽谷水手峽谷，其形成原因則可能是因為地殼的張裂[7]。

表1 登陸器或巡視器登陸地點和運行狀態(tài)Table 1 Landing location and operating status of landers or rovers

2.2.3 火山及火山坑

火星雖然沒有活躍的地質運動，也未發(fā)現(xiàn)火星上有火山活動的跡象，但卻有許多類似地球的火山特征。

在火星北部的高地，有許多類似火山坑的地貌，其主要物質組成為玄武巖[7]。在30億年前，火星可能發(fā)生過較大規(guī)模的火山噴發(fā)，導致火星巖漿和火星灰等物質涌出地面留下了火山遺跡，主要集中在Tharsis Bulge高地和Elysium Bulge高地[6]。在 Tharsis Bulge高地還有 Arisia Mons、Pavonis Mons和Ascraeus Mons 3個大型盾形火山，平均高度約為6 km，平均直徑約為700 km[7]。而在Elysium Bulge高地上也有Elysium Mons、HecatesThalus和AlborThalus 3座火山，其中最大的火山為 Elysium Mons，高度為 14 km，寬度為170 km，其側面非常陡峭(斜坡角度達到78°～80°)；位于(133 W，18 N)的 OlympusMons火山是火星上最大的火山，高出火星地平線27 km，其寬度達 500～600 km[9-10]。

2014年11月26日，歐洲航天局(ESA)的火星快車號傳回了火星北部阿拉伯高地(Arabia Terra)的SiloePatera地區(qū)的照片，如圖2所示[11]。兩個巨大的嵌套式火山坑組成了Siloe Patera地區(qū)。外面的火山坑長40 km，寬30 km，最深處可達1750 m。據(jù)物質成分分析顯示，紋理細膩的層狀硫酸鹽以及粘土物質是阿拉伯高地地質的主要成分[7]。

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

2.2.4 隕坑以及坑地形

火星表面有大量的火星坑，大致是隕星撞擊等相關活動風蝕土侵相互作用的結果，具有碎形分布的特征[12]。與月球坑不同的是，火星坑地形相對豐滿，形成這種地形的原因可能是風力侵蝕[12]?；鹦堑乇沓錆M火星坑，且南北半球的分布很不均勻：南半球火星坑聚集，2/3區(qū)域坑化嚴重；北半球則火星坑稀少且1/3區(qū)域的火星坑相對較淺，這表明北半球的火星坑較為年輕[12-13]，火星坑地形如圖3所示。

圖3 隕坑[13]Fig.3 Meteorite pit of Mars[13]

2.2.5 河道

火星南半球河道地貌非常顯著，似乎有流水沖刷侵蝕的痕跡，如圖4所示[14-15]。但除流水沖刷外，火山熔巖流、地質斷層、風蝕等都可能形成類似河道地貌，不排除火星某個時期一些特殊的天氣或氣候條件形成火星河道地貌的可能。與地球河道地貌相似，徑流河道和溢流河道為火星上河道地貌主要類型。徑流河道多分布在南方高地，河道之間互相聯(lián)系，四通八達，交織而成一個河道網(wǎng)絡；溢流河道主要分布在赤道，其形態(tài)類似大水沖刷的痕跡，分布混亂無序且河道非常深[14-15]。

圖4 火星河道[15]Fig.4 River of Mars[15]

2.2.6 沙丘

沙丘在火星北極地區(qū)呈帶狀分布，其他則零星分布于隕坑、峽谷之間[16]。由于塵暴吹起的巖屑在火星風的作用下不斷吹起又沉降，導致了火星上的沙丘地貌的形成，如圖5所示[16-17]。但另一奇怪的現(xiàn)象是：在火星探測器“海盜號”的著陸地點，被吹起的沙塵沉降后并沒有形成沙丘地形[16]，這也表明沙丘的形成機制并沒那么簡單。沙丘的主要物質組成成分為玄武巖顆粒，北極沙丘則以石膏質顆粒組成為主；從粒徑上來看，沙丘粒徑主要由平均粒徑為430 mm粗沙和粒徑不小于120 mm的中沙組成[16]。

3 火星表面物質特性

3.1 火星土壤

3.1.1 火星土壤特性

圖5 火星沙丘[17]Fig.5 Dune of Mars[17]

火星土壤的特性與火星探測器在火星的著陸以及火星車在火星的運動有著密切的聯(lián)系?；鹦翘綔y器所攜帶的土壤探測儀得到的表層火星土壤數(shù)據(jù)顯示，火星表面土壤與月球表面相似，其顆粒直徑的分布范圍比較廣，且火星土壤表層的顆粒直徑比月球土壤表層的顆粒直徑要大，火星土壤密度比較小，火星表層容重總體上要比月球土壤表層容重小，火星土壤的內摩擦角要比月球土壤的內摩擦角小，火星土壤的承載力和月球接近[18-19]。

綜上，對火星、月球和地球的土壤樣本的對比分析并得到以下火星土壤形成原因：在火星上，溫差和風導致的物理風化、隕石撞擊導致的巖石破碎效應是其土壤形成的主要原因；在月球上，土壤形成與火星類似，隕石撞擊同樣是其主要因素；而在地球上，土壤形成的過程中液態(tài)水的作用最為明顯。

3.1.2 火星土壤的力學參數(shù)

火星表面的土壤是由固體顆粒組成，顆粒本身的強度要遠遠大于顆粒間的連接強度，一旦遇到外力，固體顆粒之間發(fā)生錯動，從而引起火星土壤的一部分相對另一部分滑動[20-21]。行星表層土的強度一般用內聚力和內摩擦角兩個參數(shù)描述，顆粒間粘結力的大小用內聚力的值表示，火星土壤顆粒間摩擦力的大小則由內摩擦角的值表示[22-24]。由于火星車上沒有測量土壤力學參數(shù)的專用設備，因此火星土壤力學參數(shù)的研究主要是探測器的實地就位探測數(shù)據(jù)分析和地面模擬火星土壤仿真分析。通過采樣鏟與土壤和車輪與土壤之間的相互作用進行反演估計火星力學參數(shù)。表2所示為火星表面5個降落點(不包括好奇號巡視器)的火星土壤力學參數(shù)估計[20-24]。

表2 火星土壤的力學參數(shù)[21-24]Table 2 Mechanical parameters of Martian soil[21-24]

3.2 火星塵土

火星塵埃主要組成成分為極細粒的硅酸鹽顆粒物。2008年，鳳凰號在火星近北極發(fā)現(xiàn)了高氯酸鹽物質，這是火星探測器首次發(fā)現(xiàn)高氯酸鹽物質[25]。2012年8月份，好奇號在火星蓋爾隕坑執(zhí)行任務時也探測到了高氯酸鹽物質的存在[25]。目前國內外的研究對于火星塵埃也只是初步認識其基本特性，對于火星塵埃的監(jiān)測，在無論方法還是技術手段均需進一步提高。因為火星塵埃會在火星地表隨風遷移，會考慮到這種物質對火星探測器表面工作的光學部件、航天員的航天服可能產生的威脅以及火星探測器的壽命的影響[26-28]。目前，火星塵埃的特性討論和研究主要方法是風洞仿真實驗[25-28]。

3.2.1 塵埃帶電

運動的塵埃是否帶電，這對監(jiān)測火星探測器表面的塵埃累積十分重要。有不少學者認為火星表面的靜止沙粒和塵埃產生帶電現(xiàn)象主要因為到達表面的紫外線入射帶電，而運動的火星塵埃和沙?？赡茉诰盹L和塵暴的作用下，塵埃顆粒碰撞使得火星塵埃帶電[25-28]?；鹦菑碗s的塵埃靜電環(huán)境給航天員的航天服以及火星探測器帶來極大影響。此外，火星塵埃的沉積使得太陽能電池板以及裸露在火星環(huán)境中的其他硬件設備的效率和壽命帶來極大挑戰(zhàn)，勇氣號曾因為供電系統(tǒng)中的太陽能電池板蒙塵，電力供應一直持續(xù)下降導致供電系統(tǒng)癱瘓[29]。

3.2.2 磁性塵埃

火星上存在磁異?，F(xiàn)象[25]，這表明火星上極有可能存在含有磁性物質的土壤和塵埃。火星上氣候惡劣，在各種外界環(huán)境的長期侵蝕下，火星巖石風化面碎裂導致火星巖石中含有磁性物質[21]。對已有的火星探測數(shù)據(jù)的分析顯示，火星土壤和塵埃平均磁化強度較低，但均呈現(xiàn)出磁性響應[30-31]，監(jiān)測這種磁性塵埃、磁性土壤和磁性巖石的分布與特性十分重要。

3.2.3 火星塵埃的基本參量

根據(jù)火星探測器初步探測[31-33]，獲得火星塵埃的基本物理參量，具體參數(shù)如表3所示。

表3 火星塵埃的物理參量[32-34]Table 3 Physical parameters of Mars dust[32-34]

3.3 火星巖石

火星表面除了土壤和塵土外，還分布著大量的巖石。據(jù)統(tǒng)計，火星表面的巖石分布密集程度比月球表面多[33]，這對于火星探測器提出更大的挑戰(zhàn)。了解并掌握火星巖石分布及物理特性，能夠對火星探測器機械設計及著陸提供參考。

與地球石塊狀態(tài)相對比，火星石塊的裸露狀態(tài)可分為：完全裸露、部分裸露和完全埋沒；火星石塊形狀分可為：方形、圓形和三角形。由此可統(tǒng)計海盜1號(Viking-1 lander)、海盜2號(Viking-2 lander)以及探路者號(Mars Pathfinder)探得的石塊裸露情況如表4。

由表4可以得出著陸器著陸點石塊分布情況如下：Phoenix＜Viking-1＜Viking-2 ＜Pathfinder，而Pathfinder處的石塊分布最多，大于0.1 m的石塊分布占比約為19%，Viking-2著陸點附近的石塊與Pathfinder著陸點處的石塊分布十分接近，在17%左右，Viking-1的石塊分布在 5%左右，而Phoenix石塊分布量最少[37-38]。

4 火星車行駛區(qū)域環(huán)境模擬

4.1 火星土壤的模擬參數(shù)

模擬火星土壤需與火星土壤的礦物成分、物理特性以及力學參數(shù)接近且具有一定的均勻性和穩(wěn)定性。由于火星土壤的物理特性和力學參數(shù)無法直接得到，只能通過車轍印跡反推火星土壤的參數(shù)，故火星土壤的模擬參數(shù)根據(jù)月球土壤參數(shù)作為一種參考進行研究?；谀M月球土壤模型建立的方法，根據(jù)已得到的火星土壤相關的數(shù)據(jù)，得到火星土壤力學參數(shù)模型。目前國內模擬火星土壤力學性能推薦參數(shù)如表5所示[24]。

表4 火星表面石塊形狀及裸露情況[33-37]Table 4 Mars surface stone shape and bare situation[33-37]

表5 模擬火星土壤力學性能推薦參數(shù)[24]Table 5 The proposed mechanical parameters of the Martian soil simulant[24]

4.2 火星石塊的模擬參數(shù)

石塊的分布情況對火星車輪子機械結構的設計有極其重要的影響，NASA于2004年就在北極Haughton隕石坑建立了戶外試驗場。按照不同石塊直徑分為4個模擬區(qū)域，如表6所示[34]。

4.3 火星車行駛區(qū)域坡度模擬參數(shù)

NASA噴氣推進實驗室建立了火星環(huán)境室外試驗場MarsYard，約 2500 m2，并在 Mars Yard試驗場對好奇號移動系統(tǒng)的備份車The Dynamic Test Model(DTM)進行了大量不同坡度和不同模擬地形的試驗，其中圖6所示坡度模擬主要得出如下結論[38]：在光滑的基巖上，高達22°的斜坡是可穿越的，而在某些粘性土上，高達28°的斜坡是可穿越的。試驗結果驗證了好奇號的爬坡能力。

4.4 火星車行駛區(qū)域模擬構建

對火星環(huán)境的調研和分析表明：可將火星車行駛區(qū)域分為水平模擬區(qū)域和坡度模擬區(qū)域，通過坡度、火壤類型以及石塊分布進行組合，將火星車行駛環(huán)境主要分為如表7所示的幾種典型環(huán)境，對各個工況進行試驗驗證。

表7 火星車行駛區(qū)域模擬參數(shù)Table 7 Parameters for simulation of rover driving area

5 結論

1)火星表面地形有如下特征：①南半球高且崎嶇不平，且多為充滿隕石坑的古老高地和大型環(huán)形山；北半球則多為平整且年輕的平原，海拔比南半球低，有少量環(huán)形山和死火山；②峽谷地形顯著；③地表點綴著許多大小不同的隕石撞擊坑；④在火星北部的高地，存在類似火山的地貌，構成火山山脈、火山平原和火山坑等地形；⑤存在類似地球河道的地貌；⑥每年都會發(fā)生塵暴，存在各種各樣的沙丘。

2)分析了火星土壤物質特性、火星塵埃物理參數(shù)以及火星巖石分布情況，其中火星土壤粒徑范圍從0.1～3500 μm，容重 1000～2900 kg/cm3，內聚力0～11 kPa，摩擦系數(shù) 0.3～0.5；火星塵埃主要成分為 SiO2，粒徑為 0.1～10 μm，粘附力為 0.9～79 Pa；火星表面巖石密度比月球大，火星探測器著陸點附近的石塊分布約為18%。

3)提出了模擬火星車行駛環(huán)境的重要參數(shù)以及18種火星車行駛區(qū)域模擬方案，其中，火星土壤模擬推薦參數(shù)為內摩擦角35°，容重推薦參數(shù)為1.52 g/cm3，內聚力推薦參數(shù)為0.24 Pa；石塊模擬參數(shù)為：模擬中等石塊時，直徑可選在15.24～30.48 cm之間，模擬較大石塊時，直徑可選在0.3～0.61 m之間，模擬大石塊時，直徑應大于0.61 m；模擬火星車行駛區(qū)域坡度可選0～30°。