火星環(huán)境對著陸探測任務(wù)的影響及設(shè)計考慮

曲少杰，呼延奇，饒 煒，向艷超，張冰強(qiáng)，王闖，董捷，陳百超，李群智

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

0 引言

美、俄（蘇聯(lián)）等國早期火星探測成功率低，很大程度是由于對火星目標(biāo)特性的未知。截至今日，獲取火星環(huán)境知識仍然是一項正在進(jìn)行的活動。為保證我國首次自主火星探測任務(wù)“天問一號”的圓滿完成，研究人員在調(diào)研分析國外已獲得的火星環(huán)境模型以及在軌數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)資料等的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國首次火星探測任務(wù)的工程實際情況，提出了2020火星任務(wù)中需要考慮的火星空間環(huán)境、大氣環(huán)境及表面環(huán)境的主要因素及其量化條件。

火星空間環(huán)境須考慮的因素包括探測器地火轉(zhuǎn)移階段和環(huán)繞火星運(yùn)行階段面臨的地球輻射帶、銀河宇宙線、太陽宇宙線、太陽紫外輻射及真空環(huán)境等?；鹦谴髿猸h(huán)境需要考慮的因素包括大氣密度、大氣風(fēng)速、大氣光學(xué)深度、塵暴概率與塵埃影響等。火星表面環(huán)境因素包括著陸區(qū)高程與坡度、土壤與巖石、等效大氣溫度、地表溫度、表面熱慣量、紅外輻射強(qiáng)度、表面反照率、表面吸收率、表面紅外發(fā)射率、表面雷達(dá)后向散射系數(shù)及表面太陽光譜等。對火星大氣環(huán)境與表面環(huán)境的分析與設(shè)計，對“天問一號”進(jìn)入、下降和著陸（enter, descent and landing,EDL）階段的安全性有著至關(guān)重要的影響，甚至直接決定了探測任務(wù)的成敗。

本文對火星著陸探測任務(wù)中須考慮的火星環(huán)境要素及其量化條件的確定過程進(jìn)行闡述。

1 火星概貌

火星是太陽系中自然環(huán)境最接近地球的行星，也被認(rèn)為是未來最適合人類移民的星球?；鹦怯性S多特征與地球類似，其主要物理特性數(shù)據(jù)見表1[1-2]。

表1 火星主要物理特性Table 1 Principal physical properties of Mars

2 任務(wù)剖面的環(huán)境概況

火星探測器需飛行至距離地球上億km 的火星進(jìn)行環(huán)繞探測，并釋放著陸/巡視器實現(xiàn)火星表面著陸與巡視探測。任務(wù)期間將經(jīng)歷不同的空間區(qū)域，面臨不同的空間環(huán)境及效應(yīng)，主要包括：太陽電磁輻射、帶電粒子輻射、熱輻射、火星大氣與火星表面環(huán)境等，如表2所示?；鹦翘綔y器系統(tǒng)設(shè)計中須針對這些環(huán)境條件進(jìn)行準(zhǔn)確識別和相應(yīng)的設(shè)計、驗證。

表2 不同任務(wù)階段的空間環(huán)境Table 2 Space environments during different mission phases

3 火星空間環(huán)境分析

3.1 太陽電磁輻射

地球位置的太陽輻照度較為穩(wěn)定。在地球以遠(yuǎn)，直接太陽輻照度與對日距離的平方成反比；由于火星軌道呈輕微橢圓形，火星軌道上的航天器接收的太陽輻照度是變化的。火星探測器采用的太陽常數(shù)（單位時間內(nèi)垂直于入射太陽光線的單位表面積上接收到的太陽能量）如表3所示。

表3 火星探測任務(wù)考慮的太陽輻射Table 3 Solar irradiance for Mars missions

太陽電磁輻射中的紫外波段可對探測器系統(tǒng)外表面的有機(jī)材料、高分子材料、光學(xué)材料、薄膜、黏結(jié)劑和涂層等造成損傷及性能退化。因此需考慮上述材料耐受太陽紫外輻射的能力，當(dāng)其能力數(shù)據(jù)未知或無法確認(rèn)時，除具有相應(yīng)的成功應(yīng)用經(jīng)驗外，必須通過紫外輻照試驗予以測定。

3.2 帶電粒子輻射

1）累積輻射效應(yīng)

火星探測器應(yīng)考慮的累積輻射效應(yīng)包括電離總劑量效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)。

產(chǎn)生電離總劑量的空間帶電粒子輻射源是來自地球輻射帶的捕獲電子、捕獲質(zhì)子以及太陽耀斑質(zhì)子。因此，火星探測器系統(tǒng)遭遇空間電離總劑量主要是在地火轉(zhuǎn)移段位于磁層頂之內(nèi)的幾個小時，此后直到任務(wù)期結(jié)束期間，如果發(fā)生太陽耀斑爆發(fā)，則探測器系統(tǒng)遭受的電離總劑量會包含由太陽耀斑質(zhì)子引發(fā)的，否則不會產(chǎn)生此部分總劑量[3]。

對于火星探測器系統(tǒng)來說，軌道器的太陽電池陣工作時間最長，因此需針對軌道器的太陽電池進(jìn)行輻射損傷分析。地球輻射帶粒子和太陽耀斑質(zhì)子引起的電離總劑量與屏蔽厚度之間的關(guān)系見圖1。與典型的繞地航天器（遙感衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星等）相比，火星探測器的累積輻射劑量較低，與低軌載人空間站相當(dāng)，對于電子元器件和材料的影響不大，但未來的載人火星任務(wù)必須認(rèn)真考慮航天員的輻射劑量防護(hù)問題。

圖1 火星探測器的輻射劑量Fig.1 Radiation dose on the Mars probe

對位移損傷效應(yīng)的分析與電離總劑量效應(yīng)類似，主要針對太陽電池陣及其他光電器件，需考慮位移損傷效應(yīng)造成的相關(guān)性能參數(shù)衰退。

2）單粒子效應(yīng)

火星探測器所面臨的引發(fā)單粒子效應(yīng)的高能粒子源主要來自地球輻射帶質(zhì)子、銀河宇宙線和太陽宇宙線，與其他繞地航天器乃至月球探測器相比并不存在環(huán)境類型或強(qiáng)度上的差異。因此，火星探測器的單粒子效應(yīng)影響與防護(hù)與其他繞地航天器基本相似；但由于火星與地球之間的往返電波信號傳輸時延最長可達(dá)45 min，使得探測器必須具有在軌故障自主診斷和自主恢復(fù)能力，不能依靠地面人員的控制。

3）充放電效應(yīng)

火星探測器不會長時間浸泡在稠密熱等離子體中，因此表面充放電效應(yīng)并非其需要考慮的重要風(fēng)險。在探測器設(shè)計中，只需對探測器表面材料的電阻率和接地狀態(tài)參照其他繞地衛(wèi)星的要求進(jìn)行控制，并對單機(jī)產(chǎn)品鑒定件進(jìn)行表面放電效應(yīng)模擬試驗考核，即可將表面充放電效應(yīng)風(fēng)險控制在可接受的范圍內(nèi)。同樣，對于內(nèi)帶電效應(yīng)，火星探測器亦因遭遇相應(yīng)高能電子環(huán)境的概率低而無須考慮。

4 火星大氣環(huán)境分析

EDL過程中最關(guān)鍵的環(huán)境因素是火星大氣。本文詳細(xì)調(diào)研了國外主要火星探測器的大氣環(huán)境設(shè)計參數(shù)與探測成果，包括“海盜號”“探路者號”“鳳凰號”“勇氣號”“機(jī)遇號”“好奇號”“火星快車”和ExoMars等的[4-6]；同時，基于火星大氣模型MCD5.2[7]和Mars-GRAM[8]開展多工況仿真分析及互相驗證，工作流程參見圖2。MCD（Mars climate database）是法國開發(fā)的火星氣候數(shù)據(jù)庫，在歐洲火星探測任務(wù)ExoMars中應(yīng)用；Mars-GRAM 系列模型是NASA開發(fā)的火星大氣工程模型，并已在“探路者號”等火星探測任務(wù)中成功應(yīng)用。

圖2 火星大氣環(huán)境分析工作流程Fig.2 Workflow of atmospheric analysisof the Marsatmosphere

本文考慮著陸日期、地方時、光學(xué)深度、著陸緯度等影響大氣參數(shù)的輸入條件的變化，進(jìn)行總共180種工況分析，將2個模型獲得的所有工況的計算結(jié)果取平均值作為大氣參數(shù)的標(biāo)稱值。然后，針對大氣參數(shù)不確定性可能產(chǎn)生的偏差，分3個相對獨立的來源逐一進(jìn)行分析。

偏差1（描述2個大氣模型結(jié)果之間的差異）：考慮著陸日期、著陸位置、著陸地方時、光學(xué)深度等參數(shù)完全一樣的條件下，對MCD5.2和Mars-GRAM大氣模型分析結(jié)果之間的差異進(jìn)行統(tǒng)計分析，其反映的是2個模型之間的固有差異。

偏差2（大氣模型輸入?yún)?shù)不確定產(chǎn)生的偏差）：考慮采用同一大氣模型（MCD5.2或Mars-GRAM）的條件下，由于不同著陸窗口和著陸地點、不同光學(xué)深度等輸入?yún)?shù)變化產(chǎn)生的偏差，其反映的是同一大氣模型由輸入?yún)?shù)的不確定性引起的偏差。

偏差3（輸入?yún)?shù)確定時隨機(jī)擾動產(chǎn)生的偏差）：考慮在輸入?yún)?shù)確定條件下，由于重力波等擾動因素產(chǎn)生的隨機(jī)偏差，其反映的是火星天氣變化產(chǎn)生的偏差。

對仿真分析中各種來源的偏差進(jìn)行復(fù)合，與國外火星探測任務(wù)的偏差取值進(jìn)行綜合分析考慮后，確定最終的大氣環(huán)境參數(shù)條件。

1）大氣密度

考慮上述3種偏差來源，對2個模型所有工況的極值與平均值的偏差再外擴(kuò)5%，得到偏差范圍。結(jié)合國外已開展的火星探測任務(wù)的火星大氣密度偏差取值[9]，取最大包絡(luò)作為大氣密度的±3σ偏差范圍，見圖3。

圖3 歷次火星任務(wù)采用的大氣密度偏差比較Fig.3 Comparison of atmospheric density deviations used in previous Mars missions

2）大氣溫度

大氣溫度偏差范圍采用MCD5.2和Mars-GRAM模型所有工況的極值與平均值的偏差再外擴(kuò)2 K作為最終的偏差范圍，見圖4。

圖4 火星大氣溫度Fig.4 Atmospheric temperatureof the Mars

3）大氣風(fēng)速

對于水平風(fēng)速，綜合MCD5.2和Mars-GRAM模型所有工況的極值與平均值的偏差，同時考慮“好奇號”等國外火星任務(wù)設(shè)計中大氣風(fēng)速的±3σ偏差取值，取兩者的最大包絡(luò)作為最終偏差范圍，見圖5。

圖5 模型計算結(jié)果與國外火星任務(wù)設(shè)計值對比Fig.5 Comparison of the model results with the design values of previous tasks

對于垂直風(fēng)速，整體而言主要集中在火星大氣的邊界層（最大高度約8 km）且量值不大。故參考ExoMars和“鳳凰號”任務(wù)中對火星大氣垂直風(fēng)速的取值[4,10]，在MOLA 高度10 km 以下均按照最大20 m/s取值，方向隨機(jī)（向上或向下）。

4）光學(xué)深度

光學(xué)深度又稱為光學(xué)厚度（簡稱光深），反映的是對特定波長的太陽光在穿過大氣層時由于塵埃的吸收和散射等作用造成的輻射衰減。從國外多個火星年的實測數(shù)據(jù)來看，著陸時間太陽經(jīng)度Ls位于31°～56°，著陸緯度范圍為4°N～30°N，火星大氣光學(xué)深度變化趨勢和范圍隨火星年變化具有一定的重復(fù)性。在此著陸范圍內(nèi)，光學(xué)深度歷史觀測數(shù)據(jù)見圖6，從圖中可見Ls=31°～56°期間的光深變化范圍約為0.2～0.7（見圖6中藍(lán)色方框所示）。

圖6 備選著陸點附近光學(xué)深度歷史觀測數(shù)據(jù)（10個火星年）Fig.6 Historical observation of optical depth near optional landing sites (10 Martian years)

5）塵暴

火星的大型塵暴僅發(fā)生在Ls=160°～330°期間，北半球塵暴主要發(fā)生在秋季（Ls=180°～250°）和冬季（Ls=305°～350°），見圖7[11]。我國火星探測器的著陸時間為春季（見圖7中藍(lán)色方框所示），發(fā)生大型塵暴的概率極低，在6個火星年中沒有觀測到全球性塵暴和大型塵暴。

圖7 MGSMOC與MROMARCI 觀測的大型塵暴季節(jié)分布Fig.7 Seasonal distributions of large-scale dust storm by MGSMOCand MROMARCI

同時，在執(zhí)行EDL任務(wù)前夕，應(yīng)利用軌道器中分辨率相機(jī)獲取的目標(biāo)著陸區(qū)附近圖像，對大氣塵暴和光深情況進(jìn)行識別，為EDL 任務(wù)當(dāng)天提供決策支持。

5 火星表面環(huán)境分析

1）表面土壤

通過分析“探路者號”“勇氣號/機(jī)遇號”“鳳凰號”等多個探測器對火壤物理力學(xué)特性的探測成果[4-6]，獲得了火壤物理力學(xué)特性的最大包絡(luò)。

表4列出了“鳳凰號”任務(wù)之后的5次火星著陸任務(wù)所獲得的火星表面特性。

表4 火星表面特性Table 4 Martian surface properties

根據(jù)火星土壤調(diào)研成果，可以初步得出適合著陸平臺試驗和火星車研制的模擬火壤特性參數(shù)范圍，見表5和表6。

表 5用于著陸平臺試驗的模擬火壤參數(shù)建議Table 5 Propositional parameter range of simulated Mars soil for landing platform tests

表6 用于火星車研制的模擬火壤參數(shù)建議Table 6 Propositional parameters of simulated Mars soil for rover tests

2）表面熱環(huán)境

根據(jù)我國首次火星探測器計劃著陸點緯度，國外可參考的項目有“海盜2號”“好奇號”“機(jī)遇號”和ExoMars等[10]，其中高溫環(huán)境可參考“好奇號”和“機(jī)遇號”，低溫環(huán)境可參考“海盜2號”。綜合確定用于著陸任務(wù)的火星表面熱環(huán)境條件見表7。

表7 用于我國火星探測任務(wù)的火星表面熱環(huán)境條件Table 7 Thermal environment conditions on Mars surface considered in China’s Marsmission

3）火星表面光譜

根據(jù)圖8的火星表面30°N 和60°N 的標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)[12]，以及光深與光強(qiáng)的關(guān)系：S∝e，可以得到火星表面30°N 處5種光深（τ=0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0）條件下的太陽光譜數(shù)據(jù)，如圖9所示。其中：AM0光譜為ASTM E-490 AM0標(biāo)準(zhǔn)光譜；τ=0.2和τ=1.5 的數(shù)據(jù)根據(jù)插值得到。該結(jié)果與德國Fraunhofer 太陽能系統(tǒng)研究所的火星表面光譜[13]基本一致，印證了光譜數(shù)據(jù)的正確性。

圖8 火星表面30°N 和60°N 的標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)Fig.8 Standard solar spectrum at north latitude 30°and 60°on Marssurface

圖9 火星表面30°N 處的太陽光譜數(shù)據(jù)Fig.9 Solar spectrum of different optical depth at north latitude 30°on Marssurface

4）表面低氣壓放電環(huán)境

火星表面低氣壓放電環(huán)境與近地球表面低氣壓放電環(huán)境的主要區(qū)別有二：一是火星表面的低氣壓放電環(huán)境持續(xù)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于航天器在發(fā)射上升段會經(jīng)歷的低氣壓放電環(huán)境持續(xù)時間；二是火星大氣成分的最小擊穿電壓要高于地球大氣的最小擊穿電壓。

近地航天器僅在發(fā)射上升段要考慮加電設(shè)備的低氣壓放電問題，而火星著陸巡視器將在火星表面持續(xù)遭遇低氣壓環(huán)境，因此對于火星表面工作的電子設(shè)備而言要持續(xù)關(guān)注。在開展低氣壓放電分析時，可將火星大氣近似考慮為純二氧化碳?xì)怏w，其光滑潔凈平板電極間的最小擊穿電壓為(420±15)V（地球大氣的最小擊穿電壓為327 V）；對于高頻電子設(shè)備，最小擊穿電壓會降低。

若電子設(shè)備在150～1350 Pa（重點600～900 Pa）范圍內(nèi)無放電現(xiàn)象發(fā)生，則可認(rèn)為其抗低氣壓放電能力滿足火星探測任務(wù)的應(yīng)用要求。

6 結(jié)束語

火星的空間環(huán)境、大氣環(huán)境、表面環(huán)境對火星著陸探測任務(wù)的影響不言而喻，尤其是任務(wù)中EDL 階段受環(huán)境條件制約較大。本文對我國已順利完成的火星著陸探測任務(wù)中火星環(huán)境的主要因素及其設(shè)計考慮進(jìn)行了詳細(xì)說明。對于未來可能開展的火星采樣返回等任務(wù)，還需在火星表面特性、火星塵暴預(yù)測模式、火星大氣中小尺度模型方面開展更加深入細(xì)致的工作。