金星大氣環(huán)境模擬設(shè)備及試驗(yàn)技術(shù)綜述

高 文，郭芹良，畢研強(qiáng)，王 晶，楊曉寧

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

金星是距地球最近的行星，由于其與地球幾乎是由同一星云同時形成，且其大小、質(zhì)量和密度與地球非常相似，所以被稱為地球的“姊妹星”。探測金星是了解地球過去、未來乃至太陽系形成演化的重要途徑。進(jìn)入航天時代以來，金星一度成為地外行星探測的焦點(diǎn)。金星和地球同處于太陽系的宜居帶，但金星表面環(huán)境卻非常惡劣——大氣主要成分是CO，表面平均溫度高達(dá)460 ℃。1960 年3 月11 日，人類首次嘗試對金星進(jìn)行航天器探測；然而，早期金星著陸探測任務(wù)的成功率極低：Venera-3著陸器由于金星表面的高溫使得通信遙測信號中斷；Venera-4 著陸器下降至距金星表面25～27 km時由于著陸艙無法承受大氣壓力導(dǎo)致器件受損，通信中斷；Venera-7 著陸器由于金星高溫大氣導(dǎo)致其降落傘失效。直至1972 年3 月，金星探測任務(wù)才首次取得全面成功。

1985 年，Kliore 等根據(jù)探測結(jié)果建立了首個金星大氣模型，并沿用至今。1990 年后，金星探測的熱度有所降低，但各航天強(qiáng)國并未停止對金星大氣環(huán)境的研究。2021 年，Greaves 等稱在金星大氣中發(fā)現(xiàn)了磷化氫，但這一研究結(jié)果在相關(guān)學(xué)界的爭議較大；同年6 月，NASA 公布了最新的金星探測計劃——Davinci+與Veritas。由于金星大氣十分致密，金星表面是否存在火山、其大氣層中的CO為什么未以碳酸鹽形式固化等問題始終沒有明確結(jié)論，必須通過著陸或抵近探測方式（例如著陸器或近表面飛艇等）才有可能得到進(jìn)一步探究。

鑒于金星表面復(fù)雜環(huán)境效應(yīng)導(dǎo)致航天器結(jié)構(gòu)或元器件受損是金星探測任務(wù)失敗的主要原因，在地面開展金星大氣環(huán)境模擬，從而考核航天器的環(huán)境適應(yīng)性，是研制金星近表面探測器以及保障金星著陸探測任務(wù)成功的關(guān)鍵。本文對現(xiàn)有金星大氣環(huán)境模擬設(shè)備及試驗(yàn)進(jìn)行綜述，并對金星表面環(huán)境模擬關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

1 金星近表面環(huán)境

根據(jù)探測結(jié)果，金星近表面環(huán)境具有高溫、高壓、氣體呈弱酸性的特點(diǎn)。因此，金星近表面環(huán)境模擬的要素包括：1）最高約750 K 的高溫；2）最高約9.2 MPa 的高壓；3）多組分弱酸性的氣體環(huán)境，參表1 所示。此外，金星表面0～40 km 大氣環(huán)境的帶電粒子濃度極低，磁場強(qiáng)度僅為地球表面的1/1000。

表1 金星與地球大氣成分（體積分?jǐn)?shù)）對比Table 1 Comparison of atmospheric composition between Venus and Earth

2 金星近表面環(huán)境模擬關(guān)鍵技術(shù)

由前所述，金星近表面環(huán)境十分惡劣，在地面進(jìn)行模擬需解決如下關(guān)鍵技術(shù)：

1）微量氣體的精確測量與控制

如何準(zhǔn)確檢測及精確控制環(huán)境模擬容器內(nèi)的微量氣體關(guān)系到試驗(yàn)環(huán)境與探測環(huán)境的一致性，是金星表面環(huán)境模擬的首要問題。而在高溫、高壓環(huán)境條件下，氣體擴(kuò)散系數(shù)較低，如何保證容器內(nèi)氣體濃度場具有良好均勻性成為影響試驗(yàn)有效性的關(guān)鍵。

2）高溫、高壓環(huán)境下的氣體溫度及壓力控制

在金星表面環(huán)境模擬容器中，隔熱材料及密封結(jié)構(gòu)的選用與設(shè)計是氣體溫度、壓力控制的直接影響因素，如何保證其可靠性是氣體溫度、壓力控制的首要問題。其次，金星著陸器在降落過程中會面臨溫度、壓力的復(fù)合變化，因此如何根據(jù)金星著陸器溫度、壓力變化曲線對容器內(nèi)氣體壓力和溫度進(jìn)行復(fù)合控制成為金星表面環(huán)境模擬的關(guān)鍵。

3）高溫、高壓環(huán)境下的氣體溫度及壓力測量

高溫、高壓環(huán)境下的氣體溫度及壓力測量是金星表面環(huán)境模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，可為未來金星著陸探測的溫度、壓力測量載荷選用提供重要參考。目前，國內(nèi)外的研究進(jìn)展如下：

對于溫度測量，熱電偶、光纖等測溫方式均可在高溫高壓條件下進(jìn)行測量。深圳大學(xué)提出一種基于空芯光子帶隙光纖（HC-PBF ）與空芯光纖（HCF）拼接的緊湊型雙腔法布里-珀羅干涉儀（DC-FPI）傳感器，10 MPa 壓力下的溫度測量范圍為375～1075 K。不過， 在熱電偶與光纖等測溫傳感器應(yīng)用時，需考慮數(shù)據(jù)傳輸過程中容器內(nèi)外的壓差。

對于壓力測量，金星表面環(huán)境條件下的壓力傳感器仍處于發(fā)展階段。上海大學(xué)提出一種藍(lán)寶石衍生光纖（SDF）和石英毛細(xì)管復(fù)合法布里-珀羅干涉儀（FPI），可用于0～4 MPa 與300～975 K 的壓力與溫度測量；西安交通大學(xué)設(shè)計了一種在475 K、0～150 MPa 環(huán)境下工作的壓阻式壓力測量芯片；Wieczorek 等開發(fā)了一種SiC 壓力傳感器，300～675 K 溫度環(huán)境下的壓力測量范圍為0～300 MPa。

3 金星近表面環(huán)境模擬系統(tǒng)

3.1 國外金星近表面環(huán)境模擬

截至2021 年7 月，國外共有12 個模擬系統(tǒng)可以在一定程度上對金星表面的溫度、壓力與氣體組分進(jìn)行模擬，但大部分容積太小（不超過15 L），只能進(jìn)行材料級試驗(yàn)。本文介紹其中2 個較為典型的模擬系統(tǒng)——佐治亞理工學(xué)院的超高溫壓力系統(tǒng)與NASA 格林研究中心的高溫高壓模擬系統(tǒng)。

1）佐治亞理工學(xué)院的超高溫壓力系統(tǒng)

佐治亞理工學(xué)院的超高溫壓力系統(tǒng)（Ultra-High Temperature Pressure System, UHTPS）的最初目的是為了模擬木星的深層大氣環(huán)境（氣體組分為H與He）。由于木星深層大氣壓力與金星表面環(huán)境較為相近，后將氣體組分替換為CO、N用以模擬金星表面大氣環(huán)境。

UHTPS 整體質(zhì)量超過1283 kg，主體部分由溫度容器和壓力容器構(gòu)成，如圖1所示。壓力容器由304 不銹鋼制成，長0.46 m、直徑0.04 m，體積為29.9 L；模擬溫度為620 K、模擬壓力為10 MPa；氣體組分為CO和N（或H和He），不具備氣體濃度實(shí)時檢測能力。

圖1 佐治亞理工學(xué)院的超高溫壓力系統(tǒng)Fig. 1 Temperature container (a) and pressure container (b) of UHTPS

2）NASA 格林研究中心的高溫高壓模擬系統(tǒng)

NASA 格林研究中心的高溫高壓模擬系統(tǒng)（Glenn Extreme Environment Rig, GEER）是現(xiàn)階段國外最大的金星表面大氣環(huán)境模擬容器，國外諸多學(xué)者利用GEER 進(jìn)行了多項研究試驗(yàn)。

GEER 由氣體混合系統(tǒng)、溫度與壓力控制系統(tǒng)、氣體檢測系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。容器主體材料為306 不銹鋼，內(nèi)表面采用銅鎳合金，內(nèi)徑0.914 m、長1.219 m，外觀如圖2所示。

圖2 NASA 格林研究中心的高溫高壓模擬系統(tǒng)Fig. 2 Overall view of GEER in NASA Gleen Research Center

GEER 的模擬溫度可達(dá)770 K，模擬壓力可達(dá)9.2 MPa，模擬氣體組分包括CO、N、HO、SO、CO、OCS、NO、HCl。其氣體混合裝置（見圖3(a)）由9 個獨(dú)立氣罐（8 種氣體源以及1 個混合氣罐）及質(zhì)量流量控制器組成，通過預(yù)先混合方式進(jìn)行氣體混合。氣體組分的控制精度為ppm 級，采用傅里葉變換紅外光譜（Fourier Transform Infrared，F(xiàn)TIR）法測量氣體組分（見圖3(b)），檢測精度為ppm 級。

圖3 GEER 的氣體混合裝置與FTIR 氣體檢測裝置Fig. 3 Gas mixing device (a) and FTIR (b) of GEER

3.2 國內(nèi)金星近表面環(huán)境模擬

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所設(shè)計并建造了國內(nèi)首個金星近表面環(huán)境模擬裝置（Venus Near-Surface Environment Simulator, VNSES），如圖4 所示，該設(shè)備容器內(nèi)徑1 m、長1.6 m，容積是目前世界范圍內(nèi)最大的。

圖4 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的金星近表面環(huán)境模擬裝置Fig. 4 Overall view of VNSES in BISEE

3）溫度、壓力復(fù)合精確控制

在對著陸器載荷等進(jìn)行試驗(yàn)時，需考慮降落過程中的環(huán)境變化。該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)隨高度變化的溫度、壓力變化，以滿足未來金星著陸任務(wù)環(huán)境模擬的需求。

參考國外金星探測著陸器（Venera-7、Davinci+等）設(shè)計尺寸，VNSES 可以滿足未來金星著陸探測任務(wù)的材料級、組件級以及小型的整星級環(huán)境模擬需求。

3.3 小結(jié)

VNSES 包括氣體存儲、氣體檢測、溫度及壓力檢測、緊急泄壓等子系統(tǒng)，模擬溫度上限為800 K，模擬壓力上限為9.8 MPa，可模擬氣體組分包括CO、N、HO、SO、CO、OCS、HS、HCl 及HF，氣體組分控制精度為ppm 級，采用氣相色譜儀進(jìn)行氣體組分檢測，檢測精度為ppm 級。

VNSES 具備以下特點(diǎn)：

1）多元?dú)怏w快速混合

金星近表面環(huán)境的模擬氣體組分有9 種，在氣體組分檢測時需保證容器內(nèi)的氣體分布整體均勻。該平臺采用載氣配合方式實(shí)現(xiàn)多元?dú)怏w快速混合，并保證各氣體組分的濃度與金星表面環(huán)境一致。

2）壓力、氣體成分原位測量技術(shù)

在試驗(yàn)過程中，實(shí)時監(jiān)測容器內(nèi)氣體壓力及氣體成分的變化是了解試驗(yàn)進(jìn)程的關(guān)鍵，該平臺通過引壓降溫等方式實(shí)現(xiàn)了容器內(nèi)壓力和氣體成分的實(shí)時監(jiān)測。

對國內(nèi)外典型金星近表面環(huán)境模擬容器的參數(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果見表2。

表2 金星近表面環(huán)境模擬容器參數(shù)對比Table 2 Comparison of Venus near-surface environment simulator

截至2021 年，世界范圍內(nèi)金星表面環(huán)境模擬容器僅有GEER 與VNSES 的容積達(dá)到百L 量級，能夠進(jìn)行多組分金星氣體環(huán)境系統(tǒng)級試驗(yàn)。GEER采取預(yù)先混合的氣體配置方式模擬8 種金星環(huán)境氣體組分，能夠初步模擬金星近表面環(huán)境。VNSES采取載氣配合的氣體配置方式模擬包括HS、HF的9 種金星環(huán)境氣體組分，可縮短整體試驗(yàn)時間，提升模擬系統(tǒng)的可靠性，為未來金星著陸探測器的研制提供更加完善的金星環(huán)境模擬支撐。

4 典型金星表面環(huán)境模擬試驗(yàn)

在金星探測任務(wù)方案、初樣及正樣階段，均需驗(yàn)證材料、組件、分系統(tǒng)及航天器整器的環(huán)境適應(yīng)性，進(jìn)行金星表面環(huán)境模擬試驗(yàn)是驗(yàn)證設(shè)計可靠性的關(guān)鍵途徑。

4.1 金星表面風(fēng)速傳感器試驗(yàn)

NASA 研制的金星表面風(fēng)速傳感器的初樣在GEER 中進(jìn)行了2 次原位試驗(yàn)測試，如圖5 所示。首次試驗(yàn)持續(xù)34 天，試驗(yàn)條件從距金星表面55 km高度變化至金星表面環(huán)境條件；第2 次試驗(yàn)在金星表面環(huán)境條件下進(jìn)行了持續(xù)23 天的試驗(yàn)。測試結(jié)果為(0.094±0.010) m/s 與(0.495±0.053) m/s，表明金星表面風(fēng)速傳感器在金星表面環(huán)境條件下對環(huán)境變化具有良好的響應(yīng)能力。

圖5 GEER 中的高溫風(fēng)速傳感器驗(yàn)證試驗(yàn)Fig. 5 High temperature wind speed sensor verification test in GEER

4.2 極端環(huán)境下的SiC 傳感器試驗(yàn)

NASA 長壽命太陽系探測器（Long-Lived In-situ Solar System Explorer, LLISSE）項目組于2018 年5 月利用高溫共燒陶瓷（HTCC）封裝下的SiC高溫半導(dǎo)體集成電路，在GEER 中進(jìn)行了3 種惡劣環(huán)境試驗(yàn)，試驗(yàn)條件分別為：740 K、地球空氣下暴露48 h；740 K、9 MPa 的 N環(huán)境下暴露48 h；740 K、9 MPa的金星多組分氣體環(huán)境下暴露1400 h。試驗(yàn)后對器件性能進(jìn)行介電性能測試分析表明，在金星表面環(huán)境下HTCC 封裝SiC 高溫半導(dǎo)體集成電路穩(wěn)定性良好。

4.3 長壽命太陽系探測器的組件級試驗(yàn)

LLISSE 的任務(wù)目標(biāo)為著陸至金星表面存活60 天并收集金星晝夜轉(zhuǎn)換期間的溫度、壓力數(shù)據(jù)。LLISSE 項目組于2020 年1 月在GEER 中進(jìn)行了60 天的組件級（100 MHz 通信系統(tǒng)）金星環(huán)境模擬試驗(yàn)，如圖6 所示。LLISSE 的100 MHz 通信系統(tǒng)同樣基于SiC 材料研制。

圖6 長壽命太陽系探測器（LLISSE）的金星環(huán)境模擬試驗(yàn)Fig. 6 LLISSE (a), and its SiC circuit boards (b) and element (c)in Venus environment simulate test

4.4 金星表面大氣分層驗(yàn)證試驗(yàn)

2019 年，Lebonnois 等利用GEER 系統(tǒng)進(jìn)行了金星表面大氣濃度梯度驗(yàn)證試驗(yàn)，以探討金星近表面大氣的組分梯度現(xiàn)象，其試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計及試驗(yàn)容器如圖7 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，金星大氣模擬氣體經(jīng)過長時間靜置后并未出現(xiàn)明顯的靜置分層現(xiàn)象。

圖7 金星表面大氣濃度梯度驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 7 The Venus surface atmospheric concentration gradient verification test system

4.5 金星表面大氣材料級試驗(yàn)

Lukco 等在金星表面環(huán)境條件下（于GEER 設(shè)備中）對多種金屬材料進(jìn)行了長時間暴露試驗(yàn)，分析材料的性能變化并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)認(rèn)為，能夠應(yīng)用于金星著陸任務(wù)的金屬材料為鈦（Ti）、鈦合金TC4（Ti-6Al-4V）和鉬等。該次試驗(yàn)的試驗(yàn)材料、試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，部分試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。

表3 金星表面環(huán)境下的材料級試驗(yàn)Table 3 Venus surface test material level test conditions

圖8 金屬鎢的金星表面環(huán)境長時間暴露試驗(yàn)結(jié)果Fig. 8 Test results of tungsten after long duration in simulated Venus environment

5 金星環(huán)境模擬試驗(yàn)需求分析

本文分析國外已有任務(wù)并結(jié)合未來金星探測任務(wù)需求，歸納出可利用金星表面環(huán)境模擬系統(tǒng)開展的試驗(yàn)及試驗(yàn)方法研究如下：

1）多種材料復(fù)雜環(huán)境下的壽命試驗(yàn)

金屬材料在金星表面的高溫高壓環(huán)境下產(chǎn)生高溫蠕變將發(fā)生塑性變形，從而影響航天器整體構(gòu)型甚至是航天器壽命。在金星表面環(huán)境模擬容器中進(jìn)行多種材料、不同時間長度的試驗(yàn)可為未來金星著陸探測器研制中的材料選擇提供決策依據(jù)。

2）復(fù)雜環(huán)境下氣體熱物理特性試驗(yàn)

高溫、高壓條件下氣體的物理特性是開展金星比較行星學(xué)研究的關(guān)鍵，但現(xiàn)階段金星表面環(huán)境條件下多種氣體物理特性數(shù)據(jù)仍屬空白。Karaiskakis等綜述了多種二元系統(tǒng)在298～800 K、0.1 MPa 及248～323 K、9～60 MPa 等不同條件下的擴(kuò)散系數(shù)測量結(jié)果。2020 年，中國石油大學(xué)（青島）在6～16 MPa、310～345 K 的環(huán)境條件下進(jìn)行了超臨界狀態(tài)下的CO黏度測量。但高溫高壓環(huán)境下的其他氣體的物理特性測量仍處于發(fā)展階段。

在金星表面環(huán)境模擬系統(tǒng)中，能夠進(jìn)行高溫、一定壓力條件下的氣體物理特性（包括密度、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度、擴(kuò)散系數(shù)、比熱容等）測量，可以彌補(bǔ)一些氣體基礎(chǔ)物理參數(shù)在高溫高壓條件下的數(shù)據(jù)空白。

3）多種地質(zhì)材料的輻射特性試驗(yàn)

金星大氣十分致密，無法通過環(huán)繞探測方法直接得到金星表面地質(zhì)分布圖，因此目前采取先試驗(yàn)測量獲取地質(zhì)材料輻射特性數(shù)據(jù)，再結(jié)合環(huán)繞探測結(jié)果得到的整體金星表面的輻射特性數(shù)據(jù)，計算推演金星表面的地質(zhì)分布圖。這就要求對各種地質(zhì)材料（如玄武巖、流紋巖、花崗巖、玄武玻璃等）在金星表面模擬環(huán)境下經(jīng)歷長時間反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行輻射特性測試，測試時還需要結(jié)合考慮金星大氣各氣體組分的吸收波長。

4）金星著陸探測器系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)

在金星著陸探測器的方案研制階段，需對其進(jìn)行充分試驗(yàn)驗(yàn)證，考核各組件的環(huán)境適應(yīng)性能，因此需要在試驗(yàn)時能夠?qū)崟r監(jiān)測組件的溫度及運(yùn)行狀態(tài)。

5）金星邊界層濃度梯度驗(yàn)證試驗(yàn)

金星近表面大氣稱為金星邊界層，是了解金星的重要途徑，在地面進(jìn)行濃度梯度試驗(yàn)?zāi)軌蝌?yàn)證在高溫、高壓及重力條件下，CO及N的組分變化規(guī)律，與金星探測結(jié)果進(jìn)行對比，從而驗(yàn)證金星表面是否因存在火山活動而在地表持續(xù)釋放氣體的猜想，為進(jìn)一步了解金星提供參考。

6）金星環(huán)境下有機(jī)生物體試驗(yàn)

金星大氣中發(fā)現(xiàn)PH氣體是金星大氣環(huán)境下可能存在生物的間接證據(jù)，進(jìn)行厭氧生物在金星大氣環(huán)境下的生物試驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)一步驗(yàn)證金星大氣環(huán)境存在生物的可能性，并為未來金星著陸探測的行星保護(hù)需求提供指導(dǎo)。

6 展望

隨著金星探測任務(wù)逐漸提上日程，開展金星近表面環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)研究具有重要意義。同時，金星近表面環(huán)境模擬系統(tǒng)的用途不僅限于未來金星著陸器的環(huán)境試驗(yàn)與早期故障排除，還可應(yīng)用于行星學(xué)研究（例如地質(zhì)學(xué)、大氣物理學(xué)等）以及特殊條件下材料基本熱物理特性測量等。