深空探測環(huán)境模擬試驗技術(shù)進(jìn)展

2022-01-20 05:40王晶高文北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所

國際太空 2021年12期

王晶高文（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所）

深空探測航天器在任務(wù)過程中會面臨不同于常規(guī)冷黑環(huán)境的復(fù)雜特殊環(huán)境，各種環(huán)境要素是航天器設(shè)計、研制、發(fā)射、在軌運行參數(shù)選擇的依據(jù)。對月球表面環(huán)境、火星表面環(huán)境及金星表面環(huán)境等深空環(huán)境進(jìn)行梳理，分析國內(nèi)外的深空環(huán)境模擬試驗技術(shù)，探究未來深空探測環(huán)境模擬試驗技術(shù)發(fā)展需求，有利于促進(jìn)未來深空探測任務(wù)持續(xù)長足發(fā)展。

1 深空環(huán)境

月球與深空探測是了解太陽系、宇宙起源的關(guān)鍵途徑，也是國家綜合國力的重要體現(xiàn)。國內(nèi)將對地球以外天體開展的空間探測活動稱為深空探測[1]?，F(xiàn)階段深空探測任務(wù)主要局限于太陽系內(nèi)部，以月球、火星為重點，同時兼顧太陽系內(nèi)其他行星、衛(wèi)星，如：金星、木星、木衛(wèi)二、土衛(wèi)六等。深空探測航天器在任務(wù)過程中面臨的環(huán)境主要包括：行星際空間環(huán)境、星球表面環(huán)境等。

行星際空間環(huán)境

行星際空間環(huán)境的主要環(huán)境因素為真空環(huán)境、輻射環(huán)境及微流星體等[2]。其真空環(huán)境下氣體壓力為10-9Pa，而輻射環(huán)境包括：銀河宇宙射線、太陽宇宙射線、太陽電磁輻射、太陽風(fēng)等。

月球表面環(huán)境

月球表面環(huán)境的主要環(huán)境因素包括真空環(huán)境、低溫環(huán)境、低重力環(huán)境、輻射環(huán)境、月塵地貌等[2]。月表真空度為1.3×10-10Pa；月晝溫度達(dá)400K，月夜溫度可達(dá)90K，極區(qū)隕石坑永久陰影區(qū)溫度可達(dá)40K以下；重力加速度為1/6g；太陽輻射強度為1367W/m2；月表廣泛分布著月塵，月塵微粒長度介于30nm~20μm之間，形態(tài)以氣泡狀、棱角狀碎片為主，成分以玻璃質(zhì)及納米顆粒金屬鐵為主。

火星表面環(huán)境

火星表面環(huán)境的主要環(huán)境因素包括低氣壓大氣環(huán)境、低溫環(huán)境、低重力環(huán)境、輻射環(huán)境、沙塵環(huán)境等[2]?；鹦潜砻鏆怏w主要由95%二氧化碳、2.7%氮氣及其他微量氣體構(gòu)成，大氣平均壓強約為700Pa；火星表面溫度最高達(dá)300K，最低可達(dá)150K；重力加速度為3/8g；太陽輻射強度為589W/m2；火星表面風(fēng)速一般為0~20m/s，日間平均風(fēng)速為6~8m/s，夜間為2m/s，塵暴最大風(fēng)速可達(dá)150m/s。

金星表面環(huán)境

金星表面環(huán)境的主要環(huán)境因素包括高壓大氣環(huán)境、高溫環(huán)境、輻射環(huán)境、腐蝕環(huán)境等。金星表面氣體由96%二氧化碳、3%氮氣及其他多種弱酸性微量氣體構(gòu)成，壓力最高可達(dá)9MPa；溫度最高可達(dá)750K；太陽輻射強度為2.62kW/m2，重力加速度為0.91g[3]；根據(jù)織女星－2（Vega－2）著陸探測數(shù)據(jù)，金星大氣有著較高的風(fēng)速，風(fēng)速隨高度下降而降低，最高可達(dá)100m/s，而表面處接近0。同時，在50~70km高度存在硫酸云。

其他深空探測環(huán)境

1）水星表面環(huán)境。水星作為距太陽最近的行星，其表面的主要環(huán)境因素包括真空環(huán)境、高溫環(huán)境、低重力環(huán)境、輻射環(huán)境等。水星晝夜溫差極大，白天可達(dá)700K，夜晚達(dá)100K；重力加速度為0.38g；水星的太陽輻射強度為9126.6W/m2。

2）木星與土星環(huán)境。木星及土星是氣態(tài)行星，沒有實體表面，其主要環(huán)境因素包括大氣環(huán)境、低溫環(huán)境、輻射環(huán)境、磁場環(huán)境等。大氣主要成分是氫氣；具有約120K的表面溫度；木星磁場大約是地球的10倍。

3）木衛(wèi)二與土衛(wèi)六表面環(huán)境。木衛(wèi)二重力約為0.13g。木衛(wèi)二的大氣層十分稀薄，約10-6Pa。表面溫度約110K。同時，其表面冰層下存在著海洋。土衛(wèi)六重力約為0.14g。同時，土衛(wèi)六具有較為濃厚的大氣層，主要成分為氮氣，表面大氣壓約為150kPa，表面溫度約為100K。

2 深空探測環(huán)境模擬試驗的必要性

深空探測任務(wù)需考慮的環(huán)境要素十分復(fù)雜，隨著任務(wù)目的、形式變化而變化。由于深空探測任務(wù)的可靠性要求比常規(guī)航天器任務(wù)更高，而且深空探測任務(wù)的周期長，發(fā)射后如果出現(xiàn)失效事件，很難在任務(wù)期間進(jìn)行直接維修，從而造成經(jīng)濟上的巨大損失。在過去的月球、火星及金星深空探測任務(wù)中，發(fā)生了數(shù)次由于環(huán)境因素導(dǎo)致的失效事件。

1973年，蘇聯(lián)月球－21（Luna－21）和月球車－2（Lunokhod－2）任務(wù)中，月球車－2移動時太陽電池蓋碰到月球表面，機構(gòu)收攏時，月壤灑落車身，影響車體散熱，最終導(dǎo)致月球車因高溫失效[4]。

火星表面環(huán)境從數(shù)據(jù)上看起來較為“溫和”，但在低氣壓下，二氧化碳等氣體放電電壓閾值降低20%以上。由此造成維京－2（Viking－2）航天器到達(dá)表面后行波管放大器由于放電燒毀。另外，火星塵沉積影響太陽電池陣的工作效能，導(dǎo)致漫游者號（Sojourner）火星車在經(jīng)歷火星塵暴后，太陽電池輸出功率下降1.5%[5]。

金星表面環(huán)境十分嚴(yán)酷，多顆金星（Venera）著陸器由于金星環(huán)境發(fā)生了嚴(yán)重失效事件：Venera－3由于金星表面的高溫而通信中斷，Venera－4、Venera－5由于大氣壓力導(dǎo)致受損，通信中斷，Venera－7由于高溫使得降落傘損毀，Vega－1受到強烈氣流擾動，使傳感器誤讀數(shù)據(jù)，提前在空中啟動鉆探程序，導(dǎo)致采樣失敗。達(dá)到金星表面的著陸器在很短的時間內(nèi)就會“死亡”，存活時間最長的航天器是Venera－13，其紀(jì)錄為127min[6]。

環(huán)境因素（月塵、火星塵暴、金星高溫高壓等）導(dǎo)致耗資巨大的深空探測任務(wù)直接或間接失敗，影響了國家科學(xué)與經(jīng)濟的發(fā)展。因此，深空探測航天器在地面上進(jìn)行充分必要的環(huán)境試驗是航天器任務(wù)成功的關(guān)鍵之一，深空環(huán)境的模擬與試驗技術(shù)研究是深空探測的先期工作。

3 國外深空探測環(huán)境模擬技術(shù)

月表環(huán)境模擬

月表環(huán)境與地球軌道環(huán)境存在相似性，截至2021年11月，國外共有約23個系統(tǒng)可以在一定程度上對月表環(huán)境進(jìn)行模擬。

為配合“阿波羅”（Apollo）探月計劃，美國在20世紀(jì)60年代設(shè)計并建造了空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備Chamber A。該系統(tǒng)位于休斯敦的約翰遜航天中心（JSC），具備太陽輻射、真空、冷黑環(huán)境、低重力的綜合模擬能力，但未考慮月球塵埃、地形等環(huán)境因素。該系統(tǒng)為評估月球車的交通能力，月塵對系統(tǒng)熱輻射性能的影響等開展了一些小規(guī)模的環(huán)境模擬試驗。

Chamber A（左）與ARGOS（右）

在重返月球、探測火星等的任務(wù)需求下，2011年約翰遜航天中心研制了主動重力補償系統(tǒng)（ARGOS），首次利用了垂直懸吊法實現(xiàn)了重力補償。

火星表面環(huán)境模擬

截至2021年11月，國外共有9個系統(tǒng)能在一定程度上對火星環(huán)境進(jìn)行模擬。下面分別對火星表面無風(fēng)、有風(fēng)環(huán)境的模擬進(jìn)行簡要介紹。

25-foot空間模擬器實景圖

1）火星表面無風(fēng)環(huán)境模擬。美國噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）的25-foot立式空間模擬器，其直徑7.7m、高25.7m，曾用于漫游者號、勇氣號（Spirit）和機遇號（Opportunity）火星車的巡航熱試驗。空間模擬器配置有真空系統(tǒng)、氮系統(tǒng)、熱沉系統(tǒng)、太陽模擬器和紅外加熱裝置。在進(jìn)行真空熱試驗時，真空度在10-6Pa量級，熱沉溫度范圍為88~398K。

2）火星表面有風(fēng)環(huán)境模擬。盧瑟福-阿普爾頓實驗室空間環(huán)境模擬器（STC）是直徑3m、長5.5m的臥式不銹鋼真空容器，曾用于獵兔犬－2（Beagle－2）火星著陸器的熱平衡試驗。系統(tǒng)配置有太陽模擬器、熱沉、氣氮調(diào)溫系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)和鼓風(fēng)系統(tǒng)。太陽模擬器可提供A類光譜的模擬，其有效輻照面積為φ800mm，輻照度為0~600W/m2，輻照不均勻度為±5%；熱沉溫度范圍為160~220K；壓力控制系統(tǒng)可將STC容器內(nèi)的壓力維持在700Pa，控制精度為±50Pa；鼓風(fēng)系統(tǒng)可以制造出流速為0~10m/s的CO2氣流來模擬火星風(fēng)。

美國噴氣推進(jìn)實驗室的10-foot空間模擬器曾用于漫游者號、勇氣號和機遇號火星車的著陸巡視階段熱試驗。10-foot空間模擬器主要由溫度可控的銅基板、用于模擬空間溫度環(huán)境的溫度可控平板、風(fēng)力產(chǎn)生器和用于控制風(fēng)溫的溫度補償板組成?？梢阅M火星表面環(huán)境、近地表大氣溫度、火星晝夜天空環(huán)境和火星風(fēng)。具體模擬指標(biāo)為大氣溫度145~295K、氣體壓力100~1300Pa、風(fēng)速6m/s和12m/s。

10-foot空間模擬器實景圖

金星表面環(huán)境模擬

2021年6月，NASA公布了最新的金星探測計劃，預(yù)計在2028－2030年間發(fā)射兩個金星探測器—達(dá)芬奇+（Davinci+）和真理（Veritas），其主要科學(xué)目標(biāo)分別是：探測金星近表面大氣環(huán)境及金星表面地質(zhì)分布圖[7]。截至2021年11月，國外共有12個系統(tǒng)可以在一定程度上對金星的溫度、壓力與氣體組分進(jìn)行模擬，但大部分受限于容積（不超過15L），只能做材料級試驗。

國外最大的金星表面環(huán)境模擬容器為格蘭中心的極端環(huán)境平臺（GEER），其包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣體混合系統(tǒng)、溫度與壓力控制系統(tǒng)以及氣體檢測系統(tǒng)。容器主體材料為306不銹鋼，內(nèi)表面采用銅鎳合金[8]，內(nèi)徑0.914m，長1.219m。

GEER模擬溫度可達(dá)750K，模擬壓力可達(dá)9MPa，模擬氣體包括CO2、N2、H2O、SO2、CO、OCS、NO、HCI。氣體混合系統(tǒng)由9個獨立氣罐及質(zhì)量流量控制器組成，氣體控制精度為ppm級，并利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）方法測量氣體組分，氣體檢測精度為ppm級。

GEER整體圖

氣體混合裝置（左）與FTIR氣體檢測裝置（右）

木星探測環(huán)境模擬

木星探測一般分為環(huán)繞探測方式與進(jìn)入大氣探測方式，分別對應(yīng)了木星軌道環(huán)境試驗及木星大氣試驗。對于木星軌道環(huán)境試驗，由于環(huán)境的相似性，可利用月表環(huán)境模擬容器進(jìn)行試驗，國外共有23個系統(tǒng)可以在一定程度上對木星軌道的溫度、壓力進(jìn)行模擬；對于木星大氣環(huán)境試驗，可改造金星環(huán)境模擬容器用以試驗，國外共有12個系統(tǒng)可以在一定程度上對木星的氣體環(huán)境進(jìn)行模擬。

木星冰衛(wèi)星探索者（JUICE）計劃是歐洲最大的木星探測任務(wù)，計劃2022年發(fā)射，2030年到達(dá)木星軌道，對木星的3顆衛(wèi)星（木衛(wèi)二、木衛(wèi)三及木衛(wèi)四）開展至少3年的近距離探測。JUICE任務(wù)探測器于2021年6月在大型空間模擬器（LSS）內(nèi)進(jìn)行了熱真空試驗。LSS是歐洲最大的空間模擬器，于1986年建成，主要包括主模擬容器、輔助室、熱沉、太陽模擬器系統(tǒng)、高真空系統(tǒng)、運動模擬器、設(shè)備數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等7個子系統(tǒng)。主模擬容器直徑10m、高15m；熱沉溫度100±5K；極限壓力3×10-5Pa；太陽模擬器輻照強度可達(dá)2700kW/m2。

木星探測器JUICE熱真空試驗

對于木星大氣環(huán)境試驗，可改造金星環(huán)境模擬容器用以試驗。例如：佐治亞理工學(xué)院的超高溫壓力系統(tǒng)（UHTPS），其主體部分由溫度容器、壓力容器構(gòu)成。壓力容器由304不銹鋼制成，長0.46m，直徑0.04m，體積為29.9L，模擬溫度為616K、模擬壓力為10MPa，氣體環(huán)境為CO2、N2或H2、He，無氣體成分檢測設(shè)備，系統(tǒng)整體質(zhì)量超過1283kg。

對于木星磁場環(huán)境試驗，則考慮在木星軌道空間下典型等離子體環(huán)境導(dǎo)致航天器表面充放電失效的影響。

高輻照太陽模擬

歐洲空間技術(shù)中心（ESTEC）于2010年更新了LSS內(nèi)的太陽模擬器，成為全球唯一能夠進(jìn)行高輻照的太陽模擬系統(tǒng)，用于“貝皮-科倫坡”（BepiColombo）水星探測任務(wù)與近距離太陽觀測任務(wù)（Solar Orbiter）。BepiColombo探測器于2018年10月20日發(fā)射升空，計劃于2025年抵達(dá)水星軌道。

該系統(tǒng)可進(jìn)行17940kW/m2太陽輻照試驗，由燈室、遮光筒、水冷擋板、光學(xué)窗口、電源控制系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng)組成，燈室由1盞25kW/32kW水冷氙燈和聚光鏡組成，聚光鏡面形為拋物面，直徑為1000mm，氙燈位置可通過電機驅(qū)動進(jìn)行調(diào)整；遮光筒內(nèi)部直徑約800mm，水冷擋板位于遮光筒端部，可以在需要時對光路進(jìn)行短暫遮擋。

“貝皮-科倫坡”探測器熱控模擬件在LSS內(nèi)進(jìn)行太陽輻照試驗