動(dòng)能侵徹式星壤物性原位觸探技術(shù)研究進(jìn)展

姜生元，張偉偉，楊宇彬，李紅浪，賀懷宇，張 熇，黃江川，鄧宗全

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；2. 四川航天技術(shù)研究院，成都 610100；3. 國家納米科學(xué)中心，北京 100190；4. 中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；5. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；6. 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

引 言

星壤的物理性質(zhì)和化學(xué)組分等基本物性參數(shù)及星球地質(zhì)結(jié)構(gòu)和星表熱流等科學(xué)數(shù)據(jù)，是人類認(rèn)知星球演化、資源分布和生命起源的重要證據(jù)[1]?？v觀人類已經(jīng)開展的深空探測活動(dòng)，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難易程度和科學(xué)探測的深入程度可分為天文觀測、飛掠探測、環(huán)繞探測、著陸探測4大類。著陸探測方式是認(rèn)知地外天體星壤物性最直接、最精準(zhǔn)和最有效的途徑。從20世紀(jì)60年代以來，人類已在月球、火星、小行星等地外天體上實(shí)施了30余次著陸接觸式探測活動(dòng)[2-4]，通過就位探測及采樣返回物地面分析等手段，為認(rèn)知星壤物性提供了大量寶貴數(shù)據(jù)。中國從2000年發(fā)布航天白皮書以來，陸續(xù)實(shí)施了探月、探火等深空探測工程，已經(jīng)在月面成功實(shí)施了3次著陸巡視探測，“嫦娥五號(hào)”任務(wù)已成功完成了月面返回采樣[5-7]。

星球著陸探測又可分為軟著陸、硬著陸兩種方式。軟著陸是指利用發(fā)動(dòng)機(jī)反推、大氣減速、觸地緩沖等手段，使探測器減速至安全閾值內(nèi)，緩慢降落在星球表面的探測方式。硬著陸是指探測器本體或其分離物通過彈道式飛行方式以較大速度撞擊至星球表面的探測方式。硬著陸方式一般伴有較大的著陸沖擊，可撞擊濺射起星壤物質(zhì)，也可侵徹至一定深度。硬著陸探測方式體系簡約，能大幅度降低任務(wù)的復(fù)雜度，可由軌道器或著陸器搭載，實(shí)現(xiàn)廣域、多點(diǎn)分布式的探測，在未來的深空探測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。若能采取有效的緩沖措施，在侵徹器內(nèi)還可搭載科學(xué)載荷并使其保持存活狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)與星球物質(zhì)接觸狀態(tài)下的原位探測，本文將這種探測方式稱為“侵徹式原位觸探”。

繼“繞”落”“回”探月工程之后，中國將陸續(xù)深化實(shí)施面向月球、火星及小行星的著陸探測任務(wù)。動(dòng)能侵徹式原位觸探技術(shù)具有的優(yōu)勢，可為探月四期、無人月球科研站（基地）、載人登月、火星二期及小行星探測等重大深空探測工程任務(wù)提供新方法和新方案。

1）月球深化探測工程（探月四期、載人登月等）：針對(duì)月球后續(xù)系列探測及月面無人科研站建設(shè)與科學(xué)探測任務(wù)，通過硬著陸動(dòng)能侵徹潛入方式可實(shí)現(xiàn)月球極區(qū)水冰物質(zhì)及月壤綜合物性的原位探測，構(gòu)建月球地震波和月表熱流分布式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。還可通過硬著陸侵徹式潛入方式，構(gòu)建月球分布式導(dǎo)航與定位信標(biāo)系統(tǒng)，為無人基地裝備的多次定點(diǎn)投放、宇航員艙外活動(dòng)、月球車廣域勘查、軌道器精確導(dǎo)航與定位提供技術(shù)條件。

2）火星二期采樣返回工程：針對(duì)火星二期采樣返回工程，可投放多個(gè)分布式大氣及土壤全剖面綜合物性穿探器，實(shí)現(xiàn)火星大氣及土壤剖面綜合物性、水冰物質(zhì)分布、地表熱流、火星地震波等多功能一體化探測，為采樣點(diǎn)的科學(xué)選擇及典型資源的原位利用提供科學(xué)依據(jù)。

3）小行星附著與采樣工程：針對(duì)小行星附著與采樣探測工程，利用侵徹式潛入方式，可實(shí)現(xiàn)弱引力條件下的錨固附著，還可利用動(dòng)能侵徹式方式，實(shí)現(xiàn)次表層礫石堆組構(gòu)的高效能潛入及次表層星壤物質(zhì)綜合物性的原位勘查。

綜上所述，動(dòng)能侵徹式原位觸探技術(shù)具有顯著優(yōu)勢。本文擬綜述國內(nèi)外動(dòng)能侵徹式探測的先行案例，分析需要解決的關(guān)鍵技術(shù)及途徑，并提出月球、火星和小行星動(dòng)能侵徹式原位觸探的實(shí)施方案，供國家立項(xiàng)論證和同行專家參考。

1 動(dòng)能侵徹式原位探測技術(shù)現(xiàn)狀

硬著陸探測一般分為高速撞擊式遙感探測和動(dòng)能侵徹式原位探測兩種模式。高速撞擊式遙感探測是指環(huán)繞飛行的探測器在燃料耗盡后，實(shí)施變軌降落，以較大的末速度撞擊至星球表面，濺射起星球物質(zhì)顆粒和塵埃，通過其它科學(xué)載荷對(duì)濺射物實(shí)施非接觸式遙感探測。1999年7月31日，美國的“月球勘探者號(hào)”（Surveyor）探測器在燃料耗盡時(shí)，按地面指令撞擊至月球南極附近；中國的“嫦娥一號(hào)”在2009年完成撞月動(dòng)作；日本的“月神號(hào)”（Luna）在2009年6月11日撞月；美國的“半人馬座”（Centaurus）火箭在2009年10月9日撞擊月球極地永久陰影區(qū)隕坑坑底，證明了月球上存在水，高速撞擊如圖1所示。

圖1 高速撞擊探測模式Fig. 1 Detection mode of high velocity impact

在動(dòng)能侵徹式原位探測模式下，軌道器或其它探測器搭載的侵徹器，在分離釋放后經(jīng)過空中飛行、制動(dòng)減速、姿態(tài)調(diào)整等階段后，依靠動(dòng)能侵徹到星壤預(yù)期深度。侵徹過程中需控制侵徹速度保持在安全閾值內(nèi)，并在侵徹過程中通過沖擊防護(hù)手段保證科學(xué)載荷的存活。侵徹至目標(biāo)剖面深度后，利用自身攜帶的科學(xué)載荷，對(duì)諸如星球土壤力/熱/電學(xué)特性、化學(xué)組成、熱流分布等目標(biāo)實(shí)施接觸式原位探測。

侵徹器構(gòu)型具有整體式和分體式兩種類型，整體式侵徹器完全侵徹至星壤剖面中，一般需要可伸出天線實(shí)現(xiàn)與主探測器通訊；分體式侵徹器的前端和后端采用柔性系纜連接，前端部分侵徹至星壤剖面預(yù)定深度，后端部分通過高侵徹阻力構(gòu)型的作用停留在星表與主探測器建立通訊。

在過去的20幾年里，國外共有4套侵徹器完成了系統(tǒng)性設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，圖2和表1分別給出了星球侵徹器原理樣機(jī)及詳細(xì)技術(shù)信息。

圖2 侵徹器原理樣機(jī)Fig. 2 Prototype of penetrators

表1 星壤剖面侵徹式探測器參數(shù)對(duì)比Table 1 Parameter comparison of plantary penetrators

1996年，俄羅斯發(fā)往火星的“火星96號(hào)”（Mars 96）探測器上攜帶了2枚侵徹器，與軌道器分離后，預(yù)計(jì)會(huì)以80 ± 20 m/s的速度分別撞擊火星表面兩個(gè)目標(biāo)位置，潛入5～6 m的深度[8]。該任務(wù)由于運(yùn)載火箭故障導(dǎo)致變軌失敗，任務(wù)終止。Mars 96系統(tǒng)組成及工作流程如圖3所示。

圖3 Mars 96 侵徹器系統(tǒng)組成及工作流程Fig. 3 Composition and work process of Mars 96 penetrator

1999年，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在火星“深空2號(hào)”（Deep Space 2）任務(wù)中，搭載了2枚侵徹器，預(yù)計(jì)以200 m/s的速度撞擊火星并潛入約1 m深度。Deep Space 2是唯一一次成功到達(dá)被測天體表面的侵徹器，但是沒有收到其發(fā)回的信號(hào)，原因尚不明確[9]。2004年，針對(duì)月球次表層探測任務(wù)，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace eXploration Agency，JAXA）啟動(dòng)了“月球A”（Lunar-A）探測任務(wù)，擬攜帶3枚侵徹器，預(yù)期以285 m/s的侵徹速度侵徹至月壤剖面1～3 m的深度[10]。但該項(xiàng)目由于推進(jìn)器的故障被推遲直至取消[11]。此外，其它國家或機(jī)構(gòu)也提出了同類計(jì)劃，但這些計(jì)劃仍然處于概念或原理性驗(yàn)證階段。如英國擬定的2014年發(fā)往月球的“月光”（MoonLITE）[12]任務(wù)，該項(xiàng)計(jì)劃促進(jìn)了英國潛入者聯(lián)盟的創(chuàng)建，該聯(lián)盟還提出了其它2個(gè)潛入探測任務(wù)LunarEX和LunarNET[13]。

針對(duì)月球、火星剖面的原位探測、月震組網(wǎng)等任務(wù)設(shè)想，中國航天部門相關(guān)單位也初步開展了動(dòng)能侵徹式探測方案研究[14-15]。總體而言，中國在星球動(dòng)能侵徹式探測方面的研究起步較晚，相關(guān)技術(shù)的成熟度還不夠高。動(dòng)能侵徹式著陸探測與軟著陸探測相比，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，還可利用軌道器進(jìn)行多點(diǎn)投放，極大拓展了探測范圍。然而，動(dòng)能侵徹式探測任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)大，由于各種原因，至今尚無成功案例。為保證侵徹過程的儀器存活，同時(shí)獲取更加豐富的探測數(shù)據(jù)，還需突破侵徹效應(yīng)預(yù)示與驗(yàn)證、侵徹式探測器速度與姿態(tài)控制、侵徹過載防護(hù)、科學(xué)載荷小型化、原位傳感與數(shù)據(jù)解譯等關(guān)鍵技術(shù)，助推動(dòng)能侵徹式探測方案更加廣泛地在深空探測領(lǐng)域應(yīng)用。

2 動(dòng)能侵徹式原位探測關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)的軟著陸探測模式相比，動(dòng)能侵徹式原位探測技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，但也存在很多新的技術(shù)挑戰(zhàn)。如在高速撞擊瞬間侵徹器能否侵徹進(jìn)去、會(huì)產(chǎn)生多大的沖擊過載、如何保證侵徹器內(nèi)部搭載載荷保持存活狀態(tài)、如何在狹小空間內(nèi)布置功能部件、如何實(shí)現(xiàn)原位探測等技術(shù)難題，均需得到有效解決。為此，針對(duì)型號(hào)任務(wù)背景的特殊需求，歸納出以下關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑。

2.1 侵徹潛入效應(yīng)預(yù)示與驗(yàn)證技術(shù)

星球的地質(zhì)特征各異，月球和火星剖面為顆粒物質(zhì)堆積結(jié)構(gòu)，小行星表面為礫石堆組構(gòu)。月球極區(qū)和火星部分地區(qū)還存在水冰物質(zhì)，與星壤顆?；旌闲纬杀C壤膠結(jié)物，類似于地球凍土。針對(duì)這些特殊地質(zhì)剖面結(jié)構(gòu)的侵徹效應(yīng)研究，獲得侵徹器在高速侵徹作用下侵徹深度與姿態(tài)、侵徹過載、侵徹生熱特性等數(shù)據(jù)，是開展侵徹器總體設(shè)計(jì)的必要前提。

高速侵徹星壤是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)行為，通常采用經(jīng)驗(yàn)預(yù)估、理論分析和數(shù)值仿真的方法開展研究。美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室（Sandia National Laboratories，SNL）開展了大量的地面侵徹試驗(yàn)，總結(jié)了穿透深度經(jīng)驗(yàn)公式。理論方法層面，需合理簡化復(fù)雜的侵徹過程，通過適當(dāng)?shù)睦碚撃Ｐ颓蠼狻］^為成熟的理論包括空腔膨脹理論、微分面力法、局部相互作用理論等。數(shù)值仿真法可給出整個(gè)侵徹過程的完整解，再現(xiàn)完整的侵徹過程，也是目前研究侵徹問題的有效方法。為提高侵徹效應(yīng)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常需采用氣炮、火箭橇等地面試驗(yàn)手段對(duì)理論與仿真分析方法進(jìn)行驗(yàn)證和修正，形成一套用于星球侵徹效應(yīng)預(yù)示與驗(yàn)證的方法。以侵徹深度及姿態(tài)數(shù)據(jù)為依據(jù)，指導(dǎo)侵徹器構(gòu)型設(shè)計(jì)、侵徹速度等動(dòng)力參數(shù)確定；以侵徹過載數(shù)據(jù)為依據(jù)，指導(dǎo)科學(xué)載荷及探測儀器防護(hù)方案設(shè)計(jì)；此外，在侵徹式探測過程中，可充分利用侵徹過程的生熱效應(yīng)，使星壤水冰及其它化學(xué)物質(zhì)熱致?lián)]發(fā)，為器載質(zhì)譜儀等科學(xué)載荷提供分析樣品。

2.2 侵徹速度與姿態(tài)控制技術(shù)

月球和火星探測器環(huán)繞飛行速度為幾千米每秒，與星壤發(fā)生侵徹作用前，需對(duì)侵徹器進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p速調(diào)姿和軌道控制。在類似火星這種有大氣存在的星體，可使用充氣式降落傘實(shí)現(xiàn)減速，開展火星大氣制動(dòng)、熱防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)研究；對(duì)于月球這種沒有大氣的星體，需開展反沖式火箭減速技術(shù)及軌道控制技術(shù)研究，使侵徹器能降落在預(yù)定地點(diǎn)、潛入至目標(biāo)深度以及在預(yù)期侵徹速度的前提下保證安全存活。

2.3 侵徹沖擊過載的安全防護(hù)技術(shù)

針對(duì)火星和月球的動(dòng)能侵徹器其末速度設(shè)計(jì)值一般100～300 m/s。侵徹過程中將會(huì)產(chǎn)生（1～3）萬g的沖擊過載，侵徹器結(jié)構(gòu)、材料和侵徹器內(nèi)部的科學(xué)載荷均無法承受，必須研究高效緩沖減振技術(shù)，保證侵徹器主體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部搭載載荷的存活。

利用如鋁蜂窩等材料或緩沖結(jié)構(gòu)的塑性變形，吸收沖擊過程中的大量動(dòng)能，在星球腿式著陸緩沖中得到了廣泛應(yīng)用，另一種緩沖吸能方式是利用金屬材料塑性大變形和變形之后材料破裂吸能，如金屬切削耗能方式，吸能能力大于單純的金屬塑性變形。金屬切削過程是一種典型、不可逆的能量耗散過程，可在短時(shí)間內(nèi)消耗大量的能量。此外，對(duì)于侵徹器內(nèi)部搭載的傳感及硬件電路部分，采用將液態(tài)復(fù)合材料灌入裝有元器件的封裝結(jié)構(gòu)并固化的灌封工藝也能顯著提高其抗沖擊過載能力。

2.4 科學(xué)載荷與功能器件的小型化技術(shù)

星壤物質(zhì)成分、熱學(xué)和電學(xué)特性參數(shù)及星壤組構(gòu)的熱流和振動(dòng)波傳導(dǎo)特性是深空探測的重要科學(xué)目標(biāo)。與之對(duì)應(yīng)的科學(xué)載荷通常包括質(zhì)譜儀、紅外光譜儀、溫度陣列、地震儀等一系列儀器。在深空探測領(lǐng)域，要求搭載載荷能適應(yīng)空間熱真空環(huán)境條件。針對(duì)星球侵徹器搭載載荷，在滿足耐沖擊過載的同時(shí)還需要滿足小型化要求。面向科學(xué)載荷小型化技術(shù)要求，應(yīng)開展傳感新原理、新材料、科學(xué)載荷關(guān)鍵部件技術(shù)的研究，助推科學(xué)載荷小型化技術(shù)發(fā)展，對(duì)提高中國深空探測科學(xué)載荷搭載可行性、豐富科學(xué)探測數(shù)據(jù)具有重大意義。

2.5 原位物性傳感與數(shù)據(jù)解譯技術(shù)

從傳感原理、芯片材料、器件封裝等基礎(chǔ)入手，發(fā)展能適應(yīng)高真空、寬溫域環(huán)境條件的非硅基特種傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)星壤物質(zhì)成分及力/熱/電等綜合物性的智能感知。同時(shí)，還要考慮傳感器件的小型化及與探測作業(yè)工具的集成設(shè)計(jì)。此外，充分利用原位傳感的一次探測數(shù)據(jù)，建立仿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)方法，利用地面標(biāo)校數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)科學(xué)探測數(shù)據(jù)的地面解譯。

3 動(dòng)能侵徹式原位觸探方案設(shè)計(jì)

3.1 月壤物性侵徹式原位觸探

通過星載遙感探測手段已初步探明月球極區(qū)存在水冰物質(zhì)，但目前的探測結(jié)果較為粗略并僅能表征淺表層月壤水冰物質(zhì)賦存狀態(tài)的平均估計(jì)值。月球極區(qū)光照率低，永久陰影區(qū)內(nèi)無光照，通過太陽能獲取電能的方案受限，需核電源供電，能源供應(yīng)極其有限，不利于長時(shí)間的探測作業(yè)。月球極區(qū)環(huán)境的平均溫度110 K，永久陰影坑的溫度最低可達(dá)40 K，對(duì)月壤水冰原位探測機(jī)構(gòu)及器件的極端低溫耐受性提出了更高的要求[16]。此外，含冰月壤組構(gòu)的低溫硬度和機(jī)械強(qiáng)度高，常規(guī)鉆進(jìn)潛入方式嚴(yán)重受限。動(dòng)能侵徹式探測方案具有短時(shí)工作、高效突破高硬度月壤水冰組構(gòu)的特點(diǎn)，是月球極區(qū)水冰探測的可行方案。

月球探測器與侵徹器組合體沿月球環(huán)繞軌道以千米級(jí)速度飛行，在距離月表幾十千米高度釋放，進(jìn)而對(duì)月面實(shí)施動(dòng)能侵徹潛入。為抵消侵徹器釋放后較大的水平速度分量，在月球無大氣環(huán)境條件下，通常采用反推火箭制動(dòng)減速的方案。但利用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)所需的質(zhì)量代價(jià)很大，MoonLITE制動(dòng)艙約占總質(zhì)量高達(dá)60%[17]。結(jié)合中國探月四期工程總體規(guī)劃和月球南極水冰探測任務(wù)需求，本文提出了在著陸器上搭載2～3枚侵徹器，在垂直降軌階段釋放的設(shè)計(jì)方案。月球侵徹器參數(shù)如表2所示，工作流程如圖4所示。

表2 月球侵徹器技術(shù)指標(biāo)參數(shù)Table 2 Lunar penetrator technical parameters

圖4 月球侵徹器工作流程Fig. 4 Work process of the lunar penetrator

著陸器垂直降軌至月面高度8～6 km時(shí)，擇機(jī)助推釋放2～3枚侵徹器，當(dāng)侵徹器與著陸器形成安全距離后，侵徹器固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火助推并動(dòng)態(tài)調(diào)姿，侵徹器以300～400 m/s的速度侵徹至相距500～1 000 m內(nèi)的月面剖面中，預(yù)期侵徹深度1～1.5 m，并通過侵徹器搭載的科學(xué)載荷對(duì)月壤剖面熱/電物性、月壤中水及揮發(fā)分化學(xué)組分開展原位探測。多枚侵徹器與著陸器構(gòu)成多點(diǎn)分布式廣域探測布局，探測任務(wù)結(jié)束后侵徹器將數(shù)據(jù)通過超高頻（Ultra-High Frequency，UHF）體制傳送至主著陸器。

侵徹器系統(tǒng)組成及侵徹狀態(tài)如圖5所示，侵徹器由侵徹級(jí)、上面級(jí)及動(dòng)力段3部分組成，侵徹級(jí)與上面級(jí)通過級(jí)間臍纜連接。動(dòng)力段是一個(gè)高效能固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)彈體實(shí)現(xiàn)加速推進(jìn)與姿態(tài)調(diào)整功能。上面級(jí)內(nèi)安裝了儀器艙，包括電源模塊、分布式熱控、控制單元及無線通訊模塊等，通過高密度材料的壓潰吸能緩沖，保存儀器艙的存活。侵徹時(shí)間預(yù)計(jì)10～30 ms，因侵徹級(jí)直徑尺度較小、侵徹阻力較小，且在侵徹初期受上面級(jí)動(dòng)能推動(dòng)，侵徹深度較大；上面級(jí)的柱段直徑較大，侵徹深度較淺而留在月表，便于通過安裝在動(dòng)力段的天線與著陸器構(gòu)型進(jìn)行UHF通訊。

圖5 侵徹器系統(tǒng)組成及侵徹狀態(tài)示意圖Fig. 5 System composition and penetration state of the lunar penetrator

侵徹級(jí)內(nèi)部可搭載熱電物性探頭、侵徹?zé)崾皽仃嚵小㈦x子阱質(zhì)譜儀等科學(xué)載荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)侵徹區(qū)月壤剖面的熱電物性、月壤中水及揮發(fā)物化學(xué)組分等進(jìn)行原位探測。

1）月壤熱電物性原位探測：通過熱電物性傳感、侵徹?zé)崾皽仃嚵袀鞲械葍蓚€(gè)異構(gòu)型原位探測載荷，可實(shí)現(xiàn)剖面內(nèi)原位月壤體積熱容、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)、介電系數(shù)、電導(dǎo)率等參量的直接測量。

2）月壤水冰及揮發(fā)物化學(xué)組分探測：利用侵徹作用所產(chǎn)生的熱擾動(dòng)，誘導(dǎo)侵徹器周圍月壤水冰或其它揮發(fā)物擴(kuò)散性逃逸，利用離子阱質(zhì)譜儀對(duì)揮發(fā)物的化學(xué)組分分析，能辨識(shí)出揮發(fā)物的組分和豐度信息。

3）月壤水冰含量等級(jí)反演：將熱電物性傳感、侵徹?zé)崾皽仃嚵袀鞲?、離子阱質(zhì)譜儀獲得的探測數(shù)據(jù)聯(lián)用，通過和地面知識(shí)庫比對(duì)與關(guān)聯(lián)推演，實(shí)現(xiàn)侵徹區(qū)月壤內(nèi)水冰物質(zhì)的含量等級(jí)的測量。

3.2 火星大氣及土壤物性全剖面穿探

火星具有稀薄的大氣，為侵徹器提供了利用氣動(dòng)力實(shí)現(xiàn)減速與調(diào)姿、省去了姿軌控裝置的可能。對(duì)不需要實(shí)施自主變軌的搭載型探測器，可在常規(guī)侵徹器的基礎(chǔ)上增加氣動(dòng)增阻裝置，利用大氣阻力使侵徹器的姿態(tài)調(diào)正、末速度下降，達(dá)到侵徹要求。但氣動(dòng)減速與調(diào)姿帶來了氣動(dòng)增阻與熱防護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

Mars 96火星侵徹器采用的是兩級(jí)充氣式氣動(dòng)減速與熱防護(hù)系統(tǒng)，即在高速下展開尺寸較小、剛度較高、有熱防護(hù)的第1級(jí)充氣式增阻裝置，達(dá)到較低速度后再拋除第1級(jí)、展開尺寸較大的第2級(jí)充氣式增阻裝置。雖然進(jìn)入火星的熱流和熱載荷較低（＜ 1 MW/m2，＜ 50 MJ/m2），Mars 96 方案中氣動(dòng)減速與熱防護(hù)系統(tǒng)在探測器總質(zhì)量中的占比仍達(dá)到了20%～30%[18-19]。Deep Space 2 火星侵徹器采用由耐高溫陶瓷材料制成的氣動(dòng)外殼，該外殼能在侵徹星壤時(shí)破碎，省去了拋除防熱大底的作動(dòng)過程，整器質(zhì)量降至3.6 kg。然而侵徹過程中外殼與探測器發(fā)生劇烈碰撞，造成了不安全的因素，且其質(zhì)量較高、占比超過了總重的30%[20]。輕小型氣動(dòng)減速與熱防護(hù)系統(tǒng)是對(duì)火星等有大氣行星實(shí)施侵徹式探測的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

本文提出一種裙式單級(jí)侵徹器，其系統(tǒng)組成如圖6所示。侵徹器由柔性增阻裙（氣動(dòng)增阻裝置）和侵徹體組成，侵徹體內(nèi)設(shè)有電氣資源艙和科學(xué)儀器艙，侵徹體底部設(shè)有防熱層，頂部設(shè)有天線艙。

圖6 裙式單級(jí)侵徹探測器概念設(shè)計(jì)Fig. 6 Conceptual design of the Mars skirt-type penetrator

裙式單級(jí)侵徹探測器工作流程如圖7所示。高速進(jìn)入火星大氣時(shí)，增阻裙利用表面膛線狀的螺旋形褶皺產(chǎn)生氣動(dòng)滾轉(zhuǎn)力矩，使侵徹器自旋，自旋產(chǎn)生的離心力使增阻裙展開，提供減速和調(diào)姿所需的氣動(dòng)力。自旋速度和展開角受結(jié)構(gòu)自適應(yīng)過程的調(diào)控，收斂于特定值[21-22]。這種自適應(yīng)展開的增阻裝置能實(shí)現(xiàn)全程無作動(dòng)、無主動(dòng)控制、無功耗的單級(jí)進(jìn)入–下降–侵徹，有利于侵徹器的小型化、簡約化和輕量化。

圖7 裙式單級(jí)侵徹探測器工作流程Fig. 7 Work process of the Mars skirt-type penetrator

侵徹器的主要技術(shù)指標(biāo)見表3。增阻裙的應(yīng)用使其收納直徑降低 60%，氣動(dòng)減速與熱防護(hù)系統(tǒng)的質(zhì)量占比預(yù)計(jì)低于 20%。其較小的收納尺寸包絡(luò)和較低的單枚質(zhì)量使單次任務(wù)可以搭載多枚侵徹器，從而對(duì)火星高價(jià)值區(qū)域?qū)嵤V域與縱深勘探。

表3 裙式單級(jí)侵徹器技術(shù)指標(biāo)參數(shù)Table 3 Technical parameters of the Mars skirt-type penetrator

該火星裙式侵徹器擬攜帶質(zhì)譜儀、拾溫陣列和星表相機(jī)。進(jìn)入與下降的過程中，在不同的高程對(duì)大氣進(jìn)行原位采樣與質(zhì)譜分析。侵徹星壤之后利用大氣進(jìn)入減速過程中產(chǎn)生的氣動(dòng)熱激發(fā)星壤內(nèi)揮發(fā)性物質(zhì)的自由擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)揮發(fā)分原位質(zhì)譜分析。同時(shí)利用拾溫陣列監(jiān)測星壤溫度的變化過程，實(shí)現(xiàn)星壤熱物性反演。因此，該侵徹器能獲得包括大氣與星壤剖面的綜合物性信息。

3.3 小行星次表層物性侵徹式觸探

近些年來，小天體探測逐漸成為各主要航天國家爭奪搶占的制高點(diǎn)，對(duì)小行星的探索方式也從地基的觀測活動(dòng)拓展到各種形式的深空探測項(xiàng)目。通過天文觀測與地面理論分析結(jié)果，科學(xué)家認(rèn)為小行星及彗星等小天體內(nèi)部保留有太陽系形成初期的原始物質(zhì)與原始形貌，這對(duì)于研究太陽系的形成與演化機(jī)理具有重要意義。然而，在數(shù)億年的太陽風(fēng)及宇宙射線輻照下，小天體表面的某些物質(zhì)可能已消失殆盡或發(fā)生熱變質(zhì)，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生破壞[23]。為尋找新鮮物質(zhì)，須進(jìn)行次表層探測。

與太陽系各大行星不同，小天體表面存在著一系列特殊的環(huán)境。除表面弱引力環(huán)境及遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移軌道外，“隼鳥2號(hào)”（Hayabusa 2）及“奧西里斯”（OSIRIS-Rex）對(duì)近地小行星的觀測結(jié)果進(jìn)一步刷新了人們的認(rèn)知。探測結(jié)果顯示，龍宮（Ryugu）與貝努（Bennu）小行星表面均表現(xiàn)為級(jí)配不良的礫石顆粒物堆積形貌，這與傳統(tǒng)概念中的風(fēng)化層差別很大[24-25]。上述因素共同制約著人類對(duì)于小天體的深層次認(rèn)知。

為實(shí)現(xiàn)次表層探測，目前各國主要采取兩種方式：一是發(fā)射撞擊器撞擊目標(biāo)天體表面，通過人工造坑方式暴露次表層組構(gòu)，如“深度撞擊號(hào)”（Deep Impact）[26]及Hayabusa 2 探測器[27]。該方式實(shí)現(xiàn)簡單，撞擊效果明顯，但對(duì)撞擊器有效質(zhì)量及撞擊速度提出了較高的要求，實(shí)施過程成本代價(jià)較高；二是利用侵徹方式，將攜帶有科學(xué)載荷的侵徹器送至目標(biāo)天體次表層，如“菲萊號(hào)”（Philae）魚叉著陸裝置[28]。侵徹器攜帶的科學(xué)載荷能在侵徹過程中及侵徹完成后進(jìn)行次表層科學(xué)探測，并將探測數(shù)據(jù)返回主探測器。但到目前為止，該方式尚未有成功案例，且侵徹器的相關(guān)探測功能也較為局限，然而這一方式為小天體的次表層探測提供了新的思路。

參考上述探測任務(wù)，為同時(shí)實(shí)現(xiàn)次表層探測與暴露功能，提出一種小天體次表層侵徹器方案，其系統(tǒng)組成如圖8所示。與月球和火星侵徹器不同，小行星表面的弱引力環(huán)境無法為侵徹器提供目標(biāo)侵徹速度。此時(shí)，侵徹器需借助發(fā)動(dòng)機(jī)推力完成加速，實(shí)現(xiàn)順利侵徹?？紤]到侵徹器的特殊應(yīng)用環(huán)境，擬采用固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)完成上述加速過程。

圖8 小行星侵徹器系統(tǒng)組成圖Fig. 8 System composition of the asteroid penetrator

侵徹器與主器分離后，沿預(yù)定路徑抵近目標(biāo)小天體。為簡化系統(tǒng)復(fù)雜程度，降低系統(tǒng)質(zhì)量，侵徹器未搭載導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)。為保證侵徹器飛行過程中的姿態(tài)穩(wěn)定，需在釋放前實(shí)現(xiàn)侵徹器自旋。到達(dá)小天體表面時(shí)，在軸向速度v0和繞軸線角速度w0的共同作用下，侵徹器憑借其侵徹體構(gòu)型完成侵徹，最終停留在次表層目標(biāo)深度，開展科學(xué)探測任務(wù)。

科學(xué)載荷系統(tǒng)是侵徹器的核心，該系統(tǒng)在電氣資源系統(tǒng)的控制下開展工作。在科學(xué)載荷系統(tǒng)中，部分載荷在侵徹實(shí)施前開機(jī)，用于記錄侵徹過程信息，如侵徹過程的加速度、材料應(yīng)變率等，上述信息可以用于反演目標(biāo)天體的顆粒直徑分布及孔隙率等信息[29]；除此之外，另一部分載荷則用于小天體次表層化學(xué)組成分析如質(zhì)譜儀，通過主被動(dòng)加熱方式，促使侵徹器周圍星壤介質(zhì)中的揮發(fā)分活動(dòng)增強(qiáng)，此時(shí)部分揮發(fā)分將通過擴(kuò)散通道進(jìn)入質(zhì)譜儀。質(zhì)譜儀能夠?qū)ζ浠瘜W(xué)組成進(jìn)行相應(yīng)判斷，這將為太陽系早期物質(zhì)組成提供科學(xué)依據(jù)?？茖W(xué)探測過程完成后，電氣資源系統(tǒng)對(duì)探測信息收集，并通過侵徹器尾部天線發(fā)送至主探測器。

利用侵徹器搭載科學(xué)載荷針對(duì)次表層組構(gòu)開展近距離探測具有探測數(shù)據(jù)原始性強(qiáng)、探測結(jié)果準(zhǔn)確度高等一系列明顯優(yōu)勢。受侵徹器尺寸、重量及功耗限制，搭載科學(xué)載荷的種類及精度相對(duì)受限。相比之下，主探測器上搭載的科學(xué)儀器種類多且精度高。侵徹器次表層探測完成后，若能采取方式進(jìn)一步暴露次表層供主器觀測，則能實(shí)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，侵徹器可以搭載氣體爆破器裝置進(jìn)行人工造坑。其工作原理：氣力爆破器內(nèi)裝有壓縮氣體，該裝置在點(diǎn)火器作用下能夠在極短的時(shí)間完成增壓過程，高壓氣體沖破泄壓片經(jīng)由排氣孔釋放。侵徹器周圍顆粒物在高壓氣體的作用下向外運(yùn)動(dòng)，甚至超過表面逃逸速度逃離小天體表面，最終形成一定尺寸的人造隕坑，暴露內(nèi)部新鮮物質(zhì)供主器觀測。侵徹器的相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4 侵徹器技術(shù)指標(biāo)參數(shù)Table 4 Technical parameters of the asteroid penetrator

綜上所述，侵徹器的工作流程主要分為次表層探測與次表層暴露兩部分，如圖9所示。首先，主探測器釋放侵徹器并開始安全轉(zhuǎn)移，當(dāng)侵徹器飛行至距離主探測器安全位置時(shí)，開始點(diǎn)火加速，最終以預(yù)期速度到達(dá)目標(biāo)天體，完成侵徹，并開展次表層探測。次表層探測結(jié)束后，侵徹器將探測數(shù)據(jù)返回至主探測器，同時(shí)主探測器發(fā)出延時(shí)起爆指令。待主探測器再次飛行至安全位置時(shí)，氣力爆破器實(shí)施爆破，完成次表層暴露。一段時(shí)間后，主探測器飛行至爆破區(qū)域上方，利用搭載儀器針對(duì)次表層新鮮物質(zhì)開展二次探測。通過上述一系列探測流程，主探測器能夠獲取更加豐富的科學(xué)信息，大大提高整體探測任務(wù)的科學(xué)價(jià)值。

圖9 侵徹器與主探測器協(xié)同工作過程Fig. 9 The collaborative work process of the asteroid penetrator and the main detector

4 總結(jié)與展望

動(dòng)能侵徹式原位觸探模式是開展星球次表層剖面星壤綜合物性及地質(zhì)結(jié)構(gòu)等科學(xué)目標(biāo)原位探測的有效手段。相比于傳統(tǒng)的軟著陸探測模式，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，通過分布式多點(diǎn)投放極大地拓展了探測范圍，可同時(shí)獲取廣域和縱深剖面的特性參數(shù)探測數(shù)據(jù)，在未來的深空探測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。為保證侵徹過程的儀器存活性，提高該種探測方案的安全性和可靠性，還需要從侵徹效應(yīng)預(yù)示、速度與姿態(tài)控制、過載防護(hù)、小型化科學(xué)載荷、原位傳感及數(shù)據(jù)解譯等方面開展深入研究。

結(jié)合中國未來擬實(shí)施的月球、火星和小行星著陸探測任務(wù)，本文提出了適用于月球、火星以及小天體的3類動(dòng)能侵徹式原位觸探方案，與傳統(tǒng)方式相比具有體系簡約、原位探測能力強(qiáng)、科學(xué)產(chǎn)出高等突出優(yōu)勢，可為后續(xù)的深空探測立項(xiàng)論證和實(shí)施方案規(guī)劃提供有益借鑒。