賈 陽(yáng)，李 曄，吉 龍，陶 灼，王 瓊

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所：北京 100094）

0 引言

作為深空探測(cè)的第一步，我國(guó)的探月工程分“繞、落、回”三期工程實(shí)施，現(xiàn)已圓滿實(shí)現(xiàn)了探月工程一期“繞”和二期“落”的目標(biāo)，正在實(shí)施三期“回”的工程研制。隨著月球探測(cè)的成功推進(jìn)，火星探測(cè)等深空探測(cè)任務(wù)也在論證中[1]。

深空探測(cè)器的技術(shù)特點(diǎn)包括：工作環(huán)境惡劣，工作模式復(fù)雜，技術(shù)跨度巨大，資源約束嚴(yán)格，地面驗(yàn)證困難[2]。例如環(huán)境方面：月球探測(cè)器需要適應(yīng)月面惡劣的高低溫環(huán)境；火星探測(cè)器將面臨火星稀薄大氣環(huán)境下的溫度保持問(wèn)題；彗星探測(cè)器要面臨低溫、塵埃環(huán)境的適應(yīng)問(wèn)題。為了確保探測(cè)任務(wù)的完成，探測(cè)器在發(fā)射前必須進(jìn)行充分的地面驗(yàn)證試驗(yàn)，因此試驗(yàn)所需的環(huán)境模擬方法與試驗(yàn)技術(shù)面臨新型探測(cè)任務(wù)的挑戰(zhàn)。

生命探尋等重大科學(xué)問(wèn)題使火星持續(xù)成為深空探測(cè)的熱點(diǎn)星球，而火星極區(qū)、土壤恒溫層以及火星衛(wèi)星等仍是重要的探測(cè)目標(biāo)。在火星著陸巡視及取樣返回任務(wù)中，探測(cè)器將遭遇塵暴、低氣壓、低溫等環(huán)境的考驗(yàn)。進(jìn)入到火星表面資源利用（推進(jìn)劑原地生產(chǎn)等）、地球化技術(shù)（生物艙等）驗(yàn)證階段，更涉及資源獲得、儲(chǔ)存、輸運(yùn)等一系列工程問(wèn)題。

本文首先回顧人類的火星探測(cè)歷程，之后展望未來(lái)火星近、遠(yuǎn)期探測(cè)任務(wù)及探測(cè)方式，繼而從新技術(shù)、新環(huán)境、新任務(wù)等角度分析、研究未來(lái)火星探測(cè)任務(wù)對(duì)環(huán)境模擬技術(shù)發(fā)展的需求及解決方案。

1 火星探測(cè)歷程回顧

火星探測(cè)起步于20世紀(jì)60年代，迄今人類共 實(shí)施了42 次火星探測(cè)任務(wù)：美國(guó)20 次，蘇聯(lián)/俄羅斯19 次，日本1 次，歐洲1 次，印度1 次；完全成功或部分成功22 次，失敗20 次[3]。

早期通過(guò)掠飛對(duì)火星進(jìn)行遠(yuǎn)距離觀測(cè)，初步了解火星總體概貌；其后采用軌道器環(huán)繞探測(cè)與著陸器著陸、巡視探測(cè)相結(jié)合的方式，對(duì)火星表面、大氣、磁場(chǎng)、地質(zhì)地貌以及火星地表下的環(huán)境進(jìn)行綜合研究。

美國(guó)是目前全球唯一一個(gè)全面掌握火星掠飛、環(huán)繞、著陸和巡視勘察技術(shù)的國(guó)家，已成功實(shí)施了6 個(gè)火星環(huán)繞器、3 個(gè)火星著陸器和4 輛火星車，取得火星探測(cè)史上的多個(gè)“第一”，在火星探測(cè)領(lǐng)域占據(jù)絕對(duì)領(lǐng)先地位：1971年發(fā)射的“水手-9”是第一個(gè)成功進(jìn)入環(huán)繞火星軌道的探測(cè)器；1975年發(fā)射的“海盜-1”是第一個(gè)在火星表面成功著陸并持續(xù)開展探測(cè)工作的著陸器；1996年發(fā)射的“索杰納”是第一個(gè)登陸火星的火星車；2011年發(fā)射的“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”是第一個(gè)采用“空中吊車”精準(zhǔn)著陸技術(shù)的探測(cè)器。

蘇聯(lián)/俄羅斯的火星探測(cè)活動(dòng)起步最早，也取得了火星探測(cè)史上的多個(gè)“第一”：蘇聯(lián)1960年發(fā)射的“火星探測(cè)器-1”是世界上第一個(gè)飛往火星的探測(cè)器；1971年發(fā)射的“火星-3”是世界上第一個(gè)在火星表面著陸的探測(cè)器。從火星探測(cè)技術(shù)發(fā)展水平看，蘇聯(lián)/俄羅斯已實(shí)現(xiàn)了火星掠飛和環(huán)繞探測(cè)；4 次嘗試進(jìn)行火星著陸探測(cè)，僅1 次取得部分成功（“火星-3”）；曾嘗試火星衛(wèi)星的取樣返回探測(cè)任務(wù)，但未成功。

歐洲于2003年發(fā)射“火星快車”探測(cè)器，由環(huán)繞探測(cè)器和“獵兔犬-2”著陸器組成。環(huán)繞探測(cè)器成功進(jìn)入環(huán)繞火星軌道并正常工作，標(biāo)志著歐洲掌握了火星環(huán)繞探測(cè)技術(shù)；但“獵兔犬-2”著陸器在軟著陸時(shí)與地面失去聯(lián)系，墜毀在火星表面。

日本于1998年成功發(fā)射“希望”火星環(huán)繞探測(cè)器，但由于火星捕獲制動(dòng)環(huán)節(jié)發(fā)生故障，未能進(jìn)入環(huán)繞火星軌道，任務(wù)失敗。

印度在基礎(chǔ)薄弱、時(shí)間緊張的情況下，于2013年發(fā)射了其首顆火星環(huán)繞探測(cè)器，并于2014年9月進(jìn)入火星環(huán)繞軌道，成功實(shí)施了其首次火星探測(cè)任務(wù)。使印度成為國(guó)際上第4 個(gè)獨(dú)立成功進(jìn)行火星探測(cè)的國(guó)家，大大提升了其在航天領(lǐng)域的國(guó)際地位。

中國(guó)研制了“螢火一號(hào)”小型火星環(huán)繞探測(cè)器，但搭載發(fā)射時(shí)由于火箭故障使得探測(cè)任務(wù)失敗。

近年來(lái)，結(jié)合發(fā)射窗口，世界主要航天國(guó)家和組織均制定了宏偉的火星探測(cè)計(jì)劃，部分已經(jīng)處于實(shí)施階段[4]。

2 火星探測(cè)任務(wù)展望

未來(lái)的火星探測(cè)任務(wù)中，探測(cè)形式將更趨多樣化。綜合分析國(guó)際深空探測(cè)發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合我國(guó)深空探測(cè)從技術(shù)突破階段向創(chuàng)新發(fā)展階段發(fā)展的需要，對(duì)火星探測(cè)的近、遠(yuǎn)期任務(wù)有如下展望：

1）掠飛探測(cè)已經(jīng)由于很難再有新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)而被摒棄，但是不排除在行星際探測(cè)中利用火星實(shí)現(xiàn)借力飛行。

2）環(huán)繞探測(cè)仍將是主要探測(cè)形式之一，包括火星重力場(chǎng)、磁場(chǎng)、表面地形地貌等目標(biāo)的全局精細(xì)探測(cè)。同時(shí)作為火星表面探測(cè)器的通信中繼，甚至可能發(fā)展成為地球之外的又一通信網(wǎng)絡(luò)。與地球同步軌道衛(wèi)星類似，開發(fā)火星同步軌道通信應(yīng)用具有重要價(jià)值。同時(shí)挖掘日-火系統(tǒng)的拉格朗日點(diǎn)的通信價(jià)值，也是值得研究的重要方向。

3）硬著陸探測(cè)的產(chǎn)出較少，通常不會(huì)被采用，但存在利用硬著陸的能量或其他方式產(chǎn)生機(jī)械波，以了解火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可能性。

4）軟著陸探測(cè)可以對(duì)火星表面做深度探測(cè)，是火星探測(cè)的主要形式之一。未來(lái)的發(fā)展方向包括極區(qū)、感興趣地區(qū)等的重點(diǎn)探測(cè)。

5）巡視探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是能擴(kuò)大火星表面深度探測(cè)的范圍，克服著陸點(diǎn)精度的影響。因此，巡視探測(cè)是未來(lái)火星探測(cè)最重要的形式，技術(shù)上向提高探測(cè)能力、移動(dòng)速度、地形適應(yīng)性及自主能力等方向發(fā)展。

6）取樣返回（包括火星樣品、火星衛(wèi)星樣品等）將使人類對(duì)火星的認(rèn)識(shí)提升到一個(gè)新的高度，具有里程碑意義。目前，有多個(gè)國(guó)家正在規(guī)劃這類探測(cè)任務(wù)。

7）載人火星探測(cè)更是火星探測(cè)皇冠上的明珠，具有劃時(shí)代意義，但是其巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)和極高的經(jīng)費(fèi)需求，使其備受爭(zhēng)議。

在主探測(cè)形式之外，還可以有如下附屬探測(cè)形式作為補(bǔ)充：

1）鉆探。火星土壤恒溫層利用、水冰存在探找等問(wèn)題，使得鉆探勘測(cè)、鉆探取樣成為一種重要的附屬勘測(cè)形式。鉆探勘測(cè)需要解決生熱排放、樣品“原位”狀態(tài)保存等技術(shù)問(wèn)題。

2）浮空氣球。利用浮空氣球攜帶小型探測(cè)裝置在火星大氣層內(nèi)長(zhǎng)距離飛行，是環(huán)繞探測(cè)的一種補(bǔ)充。

3）火星飛機(jī)。火星飛機(jī)巡航也是環(huán)繞探測(cè)的一種補(bǔ)充，但火星大氣密度低，實(shí)現(xiàn)火星飛機(jī)巡航探測(cè)的技術(shù)難度很大，需要材料、發(fā)動(dòng)機(jī)、能源獲得等多方面的技術(shù)突破。

4）“風(fēng)滾草”。將小型探測(cè)儀器置于輕質(zhì)膨松結(jié)構(gòu)內(nèi)部，借助風(fēng)能實(shí)現(xiàn)火星表面的不可控移動(dòng)探測(cè)，可作為移動(dòng)探測(cè)形式的一種低代價(jià)補(bǔ)充。

5）“火星蛇”。屬于子母型探測(cè)器的一種，可用于復(fù)雜地形探測(cè)、土壤淺層探測(cè)，甚至在特殊情況下作為錨點(diǎn)，用于搶救沉陷的火星車。

6）“火星蛙”。通過(guò)慢蓄能、快釋放過(guò)程，實(shí)現(xiàn)探測(cè)地點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，是移動(dòng)探測(cè)形式的一種補(bǔ)充。

7）生物艙?；鹦鞘侨祟愋请H移民的最可能目的地，對(duì)火星進(jìn)行地球化改造涉及提高大氣密度和火星表面溫度、氧氣生物學(xué)制造、建筑材料的原位生產(chǎn)等，都是重大工程難題。利用火星大氣中的CO2、光能以及剩余推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的少量水，探討氧氣生產(chǎn)可能性等工程目標(biāo)，可能被列入到火星探測(cè)的遠(yuǎn)景規(guī)劃中。

8）推進(jìn)劑原位生產(chǎn)。利用CO2、H2O 等，在火星表面生產(chǎn)推進(jìn)劑，包括CO/O2、CH4/O2等選擇，是探測(cè)發(fā)展到火星工廠階段的重要任務(wù)，其原理性驗(yàn)證是頗具吸引力的工程目標(biāo)。

9）科學(xué)普及。在完成任務(wù)科學(xué)目標(biāo)、工程目標(biāo)的同時(shí)，也需要對(duì)任務(wù)的科學(xué)普及目標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)考慮。例如通過(guò)相機(jī)拍攝火星日落、日食、火星衛(wèi)星食、流星、小旋風(fēng)等景色，記錄火星表面的風(fēng)以及火星車移動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，極區(qū)雪橇方式移動(dòng)，語(yǔ)音控制火星車移動(dòng)，紀(jì)念地標(biāo)設(shè)置等任務(wù)，對(duì)擴(kuò)大任務(wù)影響，提高科學(xué)普及效果等，均有好處。

3 環(huán)境模擬技術(shù)需求分析

火星自然環(huán)境比較復(fù)雜，需要認(rèn)真分析其工程效應(yīng)，研究地面模擬的方法。自然環(huán)境在特定任務(wù)過(guò)程與探測(cè)器作用后，又將產(chǎn)生誘導(dǎo)環(huán)境，如EDL過(guò)程中產(chǎn)生的等離子體環(huán)境，其地面模擬的難度更大。下面討論火星探測(cè)任務(wù)中涉及的主要特殊環(huán)境。

3.1 低重力模擬

火星重力加速度為3.72 m/s2，是地球重力加速度的1/3。地面實(shí)現(xiàn)低重力環(huán)境模擬的方法主要有直接模擬法、相似模型法和力平衡法3 種。落塔、低重力飛機(jī)等低重力直接模擬手段，雖然可行，但是有效時(shí)間短，工程上很少采用；相似模型存在準(zhǔn)則因子的選擇問(wèn)題，對(duì)具體工程問(wèn)題而言只具有指導(dǎo)意義；力平衡法是工程中使用最廣泛的方法，按其實(shí)現(xiàn)手段又可分為垂向平衡法和斜向平衡法。

“嫦娥三號(hào)”探測(cè)器地面試驗(yàn)中主要采用力平衡法，并在多剛體低重力模擬及模擬精度上有新的發(fā)展[5]。巡視器內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)中采取在主副搖臂上增加配重、調(diào)整吊絲受力點(diǎn)等方法，保證巡視器每個(gè)車輪與地面的作用力在平面行駛、爬坡、越障等各種工況下均與月面相同。在著陸器的懸停避障緩速下降試驗(yàn)和巡視器的內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)中，通過(guò)精密的視覺定位、力控與二維隨動(dòng)，保證了低重力的模擬精度優(yōu)于5‰。在著陸穩(wěn)定性試驗(yàn)中，斜向平衡法也很好地實(shí)現(xiàn)了低重力的模擬。在機(jī)構(gòu)展開試驗(yàn)中，在垂直平衡法中利用配重、氦氣球等實(shí)現(xiàn)了低重力的模擬。

火星低重力模擬與月球的類似，主要采用力平衡法，并需關(guān)注吊絲力控精度、火星車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車輪接地比壓模擬、復(fù)雜地形移動(dòng)顛簸過(guò)程的模擬誤差、土壤鉆探過(guò)程中機(jī)構(gòu)力學(xué)特性模擬等問(wèn)題。

3.2 土壤的模擬

根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康?，需要發(fā)展多種工程模擬土壤的制備與整備方法，以實(shí)現(xiàn)地形地貌模擬，且模擬土壤的物理力學(xué)性能須符合試驗(yàn)需求。

在著陸器的試驗(yàn)中，關(guān)注土壤的承載能力；而在火星車移動(dòng)試驗(yàn)中，關(guān)注松軟的土壤對(duì)火星車牽引力的影響，因此不同的試驗(yàn)，對(duì)工程模擬土壤的要求不同?？赏ㄟ^(guò)制備過(guò)程中的粒徑級(jí)配，以及整備過(guò)程的淋灑、壓實(shí)過(guò)程，和通過(guò)對(duì)顆粒的內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力等參數(shù)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬土壤的物理力學(xué)性能的控制[6]。

火星土壤的機(jī)械特性類似于地球上密度適中的土壤，如混入了沙子、細(xì)礫和卵石的像黏土一樣的泥沙；月球土壤松軟但相對(duì)均勻，火星土壤存在由于侵蝕而導(dǎo)致的表層土壤堅(jiān)硬而里層土壤松軟的情況，可能使火星車在行駛時(shí)出現(xiàn)塌陷?！坝職馓?hào)”火星車就曾因車輪陷落而導(dǎo)致永遠(yuǎn)喪失移動(dòng)能力，因此需要考慮讓火星車移動(dòng)系統(tǒng)具有防塌陷和塌陷脫困的功能，設(shè)計(jì)主動(dòng)式移動(dòng)懸架，分析土壤黏附車輪效應(yīng)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

在土壤鉆探任務(wù)中，還需要考慮溫度、原始土層結(jié)構(gòu)被破壞后而導(dǎo)致的物理力學(xué)參數(shù)改變。一般不需要考慮土壤的低重力模擬，因?yàn)橥寥赖奈锢砹W(xué)參數(shù)更多地決定于其形成、演化過(guò)程，而不是重力加速度。

3.3 光照模擬

火星大氣層頂，遠(yuǎn)日點(diǎn)的太陽(yáng)輻照常數(shù)Ⅰ0為493 W/m2，近日點(diǎn)為717 W/m2，平均值為589 W/m2；透過(guò)火星大氣后光強(qiáng)衰降為0.607Ⅰ0，衰減了約40%，平均值為357.5 W/m2，是地球表面的43%。反照率在赤道附近約為0.25～0.28，隨著緯度增加，反照率增大，在南北兩極位置達(dá)到最大（0.5）?；鹦浅嗟郎系淖畲筇?yáng)高度角于1 個(gè)火星年內(nèi)在65°～90°之間變化。

為服務(wù)于探測(cè)器光學(xué)敏感器測(cè)試，需要采用多種光源的復(fù)合組陣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大輻照面積的可見光譜段、紅外譜段太陽(yáng)輻照模擬，而且要考慮散射光深模擬。

對(duì)于我國(guó)是否應(yīng)該建設(shè)系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)的太陽(yáng)模擬器以及相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模擬器，一直爭(zhēng)議較大。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)包括：熱管應(yīng)用對(duì)太陽(yáng)入射熱流模擬方法的使用限制，不同軌道航天器的通用運(yùn)動(dòng)模擬器設(shè)計(jì)困難，高額的運(yùn)行維護(hù)成本等。但是，隨著探測(cè)器構(gòu)型的日益復(fù)雜，對(duì)模擬試驗(yàn)精度的要求越來(lái)越高，深空探測(cè)器關(guān)鍵部件例如集熱器性能驗(yàn)證，若僅采用到達(dá)熱流模擬方法會(huì)有較大的誤差，因此開展太陽(yáng)模擬試驗(yàn)還是必要的。

3.4 溫度模擬

與地球相比，火星表面、大氣有更低的熱容，因此日溫變化周期非常明顯。火星溫度的最小值出現(xiàn)在黎明前，其后溫度迅速升高，在午后達(dá)到最大值，然后快速降低，并且這種降低的態(tài)勢(shì)趨緩，直至黎明前降到最低。在緯度0°～30°范圍內(nèi)，火星表面溫度白晝最高為27 ℃、夜晚最低為-103 ℃。特別需要注意的是，火星大氣溫度與土壤溫度變化差異較大，在塵暴發(fā)生時(shí)，也將產(chǎn)生較大的溫度波動(dòng)。

溫度模擬通常在熱真空試驗(yàn)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，在低氣壓環(huán)境下，利用熱沉實(shí)現(xiàn)降溫，利用各種外熱流模擬設(shè)備實(shí)現(xiàn)熱流模擬。

3.5 火星塵模擬

探測(cè)器在火星表面工作，不可避免地會(huì)受到火星塵的影響?；鹦菈m沉積將影響太陽(yáng)電池陣的工作效能，前30 d 的功率衰減為每天0.3%，之后每天衰減0.1%（“索杰納”火星車數(shù)據(jù)）。如果保守估計(jì)，按照每天恒定衰減3%計(jì)算，180 d 后，太陽(yáng)電池陣的功率輸出會(huì)降低42%?！八鹘芗{”火星車在經(jīng)歷火星塵暴后，太陽(yáng)電池輸出功率下降了1.5%。

火星塵環(huán)境主要是由4 個(gè)因素導(dǎo)致的：發(fā)動(dòng)機(jī)羽流噴射、著陸沖擊、火星車移動(dòng)攜帶和自然激揚(yáng)?；鹦菈m的影響主要表現(xiàn)為：吸附在光學(xué)設(shè)備表面，導(dǎo)致其成像性能的下降；進(jìn)入機(jī)構(gòu)內(nèi)部，影響機(jī)構(gòu)正常運(yùn)動(dòng)；吸附在太陽(yáng)電池陣表面，影響其輸出功率；黏附在OSR 片、熱控涂層或隔熱多層表面會(huì)導(dǎo)致其性能下降，改變探測(cè)器的溫度分布；火星車釋放過(guò)程中如附著在轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)上，則會(huì)改變車輪與轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)間的接觸狀態(tài)，影響釋放過(guò)程的安全性。因此，需要分析火星塵的沉降時(shí)間，研究機(jī)構(gòu)等艙外設(shè)備的防塵措施驗(yàn)證試驗(yàn)方法，采取針對(duì)性的防塵措施，確保設(shè)備工作可靠。

在敏感器表面上還可以采取被動(dòng)防塵措施，例如，在太陽(yáng)電池陣蓋片表面設(shè)計(jì)防塵微觀形狀，以減少塵土附著。在大型火星表面探測(cè)器上可以采用主動(dòng)除塵措施，例如機(jī)械法、靜電法除塵。

3.6 低氣壓模擬

火星表面氣壓在500～700 Pa 之間，只有地球表面氣壓的0.6%，密度約為地球大氣的1%，主要成分是CO2。由于CO2的季節(jié)性凝結(jié)，在冬天凝結(jié)為干冰，氣壓減小，全年氣壓變化30%；通常選擇大氣壓610 Pa 作為海拔線。

需要關(guān)注高頻設(shè)備是否會(huì)產(chǎn)生低氣壓放電現(xiàn)象；若采用氣凝膠隔熱，則需要考慮自然對(duì)流對(duì)熱控的影 響；分析二硫化鉬等潤(rùn)滑材料的低氣壓特性。此外，低氣壓可以用于熱真空試驗(yàn)中升降溫過(guò)程的加速，但要關(guān)注水凝結(jié)對(duì)設(shè)備絕緣方面的不利影響。

3.7 火星風(fēng)的模擬

火星夜間平均風(fēng)速為2 m/s，白天為6～8 m/s，塵暴最大風(fēng)速可以達(dá)到150 m/s。但火星大氣密度很小，因此不會(huì)產(chǎn)生很大的橫向風(fēng)力。當(dāng)出現(xiàn)塵暴時(shí)，火星表面能見度將再次降低，衰減率為0.18～0.95。局部性和全球性的塵暴常發(fā)生于熱帶和南半球的夏季，1 個(gè)火星年內(nèi)可發(fā)生約100 次局部塵暴和1 次或多次區(qū)域型以上塵暴，局部塵暴持續(xù)時(shí)間為幾天，區(qū)域型以上塵暴持續(xù)時(shí)間從5 d 到70 d 不等。

執(zhí)行火星著陸任務(wù)時(shí)，應(yīng)避開塵暴發(fā)生階段?；鹦秋L(fēng)對(duì)降落傘的影響，也需要在地面進(jìn)行驗(yàn)證。塵暴期間熱交換速度快，沙塵附著會(huì)改變火星車車體表面熱特性，因此需考慮塵暴期間對(duì)熱控制的特殊要求；更極端地，需要進(jìn)行探測(cè)器休眠設(shè)計(jì)，在長(zhǎng)期塵暴期間令探測(cè)器進(jìn)入休眠或待機(jī)模式。

低氣壓下的風(fēng)場(chǎng)模擬主要通過(guò)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，需要關(guān)注風(fēng)機(jī)散熱問(wèn)題。

3.8 進(jìn)入火星大氣過(guò)程中的等離子體環(huán)境

火星大氣成分主要為CO2（95.3%）、N2（2.7%）、Ar（1.6%）。在探測(cè)器進(jìn)入火星大氣層時(shí)，大氣受到擠壓，形成弓形激波，產(chǎn)生的高溫、高壓引起大氣分子與燒蝕材料電離，形成等離子體鞘，吸收和反射電磁波，造成通信中斷或減弱，稱為“黑障”。

需要在地面完善試驗(yàn)條件，實(shí)現(xiàn)CO2氣體環(huán)境下再入過(guò)程的等離子體環(huán)境模擬，驗(yàn)證防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.9 系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證條件

系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)過(guò)程涉及多種特殊環(huán)境的綜合模擬。例如，火星車的內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)中，需要同時(shí)模擬火星表面的低重力、光照、地形地貌、土壤等環(huán)境，服務(wù)于移動(dòng)能力、導(dǎo)航能力的系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證。為更加充分地考核火星車的移動(dòng)性能，可以考慮在空間環(huán)境模擬設(shè)備中實(shí)現(xiàn)低重力、光照及熱真空環(huán)境下的火星車系統(tǒng)級(jí)性能驗(yàn)證。

火星車的自主技術(shù)和遙操作技術(shù)對(duì)環(huán)境驗(yàn)證的需求更加突出，需要開展外場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。可以考慮通過(guò)衛(wèi)星中繼鏈路實(shí)現(xiàn)可控通信延時(shí)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離遙操作控制演練。初步調(diào)研發(fā)現(xiàn)，新疆哈密五堡鄉(xiāng)以南地區(qū)，屬剝蝕殘丘及傾斜平原，巖性為褐紅、紫紅色砂質(zhì)粉砂巖、礫巖，氣候干燥，適合作為火星車的野外試驗(yàn)場(chǎng)候選場(chǎng)址。著陸敏感器掛飛試驗(yàn)也需要在外場(chǎng)進(jìn)行，此項(xiàng)試驗(yàn)需更加關(guān)注地面微波特性的相似性。

此外，還需要重視深空探測(cè)進(jìn)一步發(fā)展引發(fā)的試驗(yàn)測(cè)量手段需求，包括熱真空條件下的相機(jī)標(biāo)定方法、微形變測(cè)量技術(shù)、高精度溫度測(cè)量技術(shù)等。

4 結(jié)束語(yǔ)

多種形式的火星探測(cè)對(duì)地面環(huán)境模擬技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求，通過(guò)對(duì)低重力、土壤、光照、溫度、塵及塵暴、低氣壓、風(fēng)、進(jìn)入過(guò)程等離子體等火星探測(cè)將面臨的特殊環(huán)境及其效應(yīng)的分析，提出火星環(huán)境模擬方法和技術(shù)發(fā)展的建議具有積極意義。

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