面向火星表面巡视探测的热惯量反演模型及试验验证

基于火星表面土壤温度的昼夜周期性变化特性,建立了一种面向火星表面巡视探测的热惯量反演模型,可根据表层不同深度的热电偶测温数据计算被测区域的热惯量,实现表面巡视探测过程中的热惯量在线反演。为验证模型正确性,在地面建立了火星表面热特性试验测试系统,通过对比被测模拟火星土壤的热惯量实际值与模型计算值,验证热惯量反演模型的精度。结果表明,与试验模拟火星土壤的热惯量数值相比,该模型对热惯量的反演误差小于6%,为在线反演火星表面不同土壤地形的热惯量,辅助识别地形可通过性提供了一种可行方法。     

火星表面热辐射环境模拟

为了对火星表面的热辐射环境进行模拟,以辅助火星探测等任务,建立了火星大气的一维模型和土壤的一维导热模型,并与NASA的一维火星大气辐射程序相结合,得到了一套整体模拟系统。模拟获得了火星地表温度及接收到的可见光、红外辐射热流密度,分析了季节、纬度、尘暴、云层的变化对地表温度和所受太阳辐射造成的影响。模拟结果表明,纬度和季节的变化影响着太阳高度角和日照时长等因素,进而对可见光辐射造成显著影响;尘埃光学厚度的增加会削弱可见光辐射并增强红外辐射,云层光学性质的改变造成的影响与之相似但较小;四者的改变都会对地表的温度及接收到的太阳辐射热流密度造成不同程度的影响。     

气体辐射与流场耦合对火星进入热环境影响

采用火星大气物理化学模型,求解带辐射源项的三维热化学非平衡N S方程,对探路者号火星探测器进入过程中的高温流场和热环境进行了数值模拟,分析了气体辐射与非平衡流场耦合效应对流场和热流的影响。结果表明：1)探路者号火星探测器流场热化学非平衡效应显著,CO 2 气体发生大规模离解,高度低至 28.5 km 仍存在热力学非平衡效应;2)热力学与化学非平衡效应的影响均与表面催化特性相关,完全催化热流要高于完全非催化热流50%以上;3)高温流场中的CO组分会产生较强的气体辐射加热,辐射热流与对流热流的比值为15%～45%,靠近肩部区域比值最大;4)气体辐射对非平衡流场的冷却效应使激波脱体距离减小;与非耦合方法相比,采用耦合方法得到的辐射热流降低约12%～25%。     

火星环境对着陆探测任务的影响及设计考虑

火星着陆探测任务环节多、复杂度高、环境不确定性大,历史成功率低于50%。日前我国首次自主火星探测任务“天问一号”已取得圆满成功,在世界上首次一步实现“绕、落、巡”的火星探测。文章对火星着陆探测任务中考虑的火星环境要素及其量化条件的确定过程进行阐述,包括:探测器系统对环境条件的需求,基于此对火星空间环境、大气环境、表面环境各个要素的梳理分析,重点针对影响探测器进入、下降和着陆过程的环境条件进行量化,并确定偏差范围。实践证明以上设计为火星探测器着陆过程的控制和开伞等关键任务环节提供了重要的输入和约束,也为整个任务的圆满成功提供了有力保障。     

基于TES算法研究勇气号登陆点火星表面的温度特性

热红外高光谱遥感已经成为火星探测中主要的探测手段.基于温度与发射率分离(TES)算法研究了火星漫游车勇气号登陆点的温度特性.首先,对TES算法中的最大最小值差(MMD)模型进行了修正,利用ASU光谱库中102种火星上存在可能性比较人的矿物光谱拟合得到MMD修正模型.对采用MMD修正模型的TES算法进行了验证,得到的温度反演误差在1 K以内.利用勇气号前240天的微小型热辐射光谱仪(Mini-TES)观测数据分别对火星的短期温度变化和季节性温度变化进行了分析.火星白天最高温出现在火星本地时间(LTST)13点到14点之间,昼夜温差大.火星白天平均温最低出现在第190天左右,温度有明显的季节性.     

简讯

月表的辐射环境由于没有大气层阻挡,各种辐射可以直接抵达月球表面并与月壤相互作用。月球表面物质主要受到下列3种辐射源的辐照,即太阳风、太阳耀斑和银河宇宙射线。太阳风是由太阳发出的连续的等离子体     

火星探测器全任务期空间环境特征与防护要点

火星探测器任务期间依次经历近地环境、行星际环境和火星环境。文章分析了火星探测器从地球发射、地-火转移、火星环绕、直至着陆火星表面并进行巡视探测的任务全过程中的空间环境特征,并对比了火星探测器与地球卫星等面临的空间环境差异;结合火星探测器的任务特点,分析了探测器在不同任务阶段经历的电离总剂量、单粒子、内带电、太阳辐射、真空、火星大气与火星尘等空间环境剖面,提出了火星探测器的空间环境防护设计要点。     

火星探测器“进入、下降、着陆”过程的供配电方案综述

对国外成功着陆火星的"火星探路者"(MPF)、"火星探测巡视器"(MER)、凤凰号(Phoenix)和"火星科学实验室"(MSL)的供配电技术进行总结;着重分析探测器在"进入、下降、着陆"(EDL)过程中对电源的电池容量、放电电流、工作时间、环境温度及储存时间等方面的要求及解决方案;提出了火星探测器EDL过程中供配电设计在电池类型、器间供电接口、比能量、放电倍率、能量裕度和寿命方面要注意的重点。     

深空环境中铁离子剂量场研究

银河系宇宙射线是深空辐射环境的重要组成部分,在长时间的深空探测中,银河系宇宙射线对宇航员的积累损伤不可忽视。对深空环境下银河系宇宙射线进行了研究,并重点讨论了银河系宇宙射线中Fe离子的剂量场性质。以CREME模型为基础计算得到Fe离子注量谱,对深空环境中的Fe离子的剂量学性质进行细致研究,分析研究了Fe离子的原初粒子造成的剂量场,及经过屏蔽后其碎片及次级中子对内部辐射场造成的影响及对剂量的贡献,并对结果进行了分析,得到的结果对载人航天具有重要意义。
     

好奇号降临火星

经过约5.7亿千米的长途跋涉,美国东部时间2012年8月6日凌晨1：31（北京时间13：31）,美国于2011年11月25日发射的“火星科学实验室”所携带的好奇号火星车在火星盖尔陨坑中心山丘的山脚下着陆。其主要任务是分析盖尔陨坑的土壤和岩石,探索火星过去或现在是否存在适宜生命生存的环境,可展开为期一个火星年（约687个地球日）的探测。 继续寻找火星生命迹象 总投资达25＇f7_,美元的“火星科学实验室”是迄今最昂贵的火星探测项目,由美国航宇局喷气推进实验室负责管理,波音和洛马公司为主承包商。它是美国火星生命计划的一部分,将挖掘火星土壤、钻取火星岩石粉末,对岩石样本进行分析,探测火星过去或现在是否具有支持微生物生存的环境,从而确定火星是否具有可居住性。为了描述火星的气候特征和地形特征,确定火星上是否有过生命,为载人火星探测做准备,“火星科学实验室”的具体科学探测目标是：了解生物学效应的特点;研究火星岩石和土壤形成和变化的过程;探索火星大气长时间以来的演变过程;确定目前火星上水和二氧化碳的状态、分布和循环情况,以及有机碳复合物的特性和储量;勘测火星表面的化学、同位素、矿物质复合物和火星近表面的地质情况;分析火星表面辐射的光谱特征,包括宇宙银河射线、太阳质子效应和次级中子等;掌握构建生命的物质的含量,如碳、氢、氮、氧、磷和硫。好奇号面临最大的挑战之一就是如何保护火星不受污染。其主要任务是探索火星的过去或现在是否可以作为生命的“避难所”。这就意味着探测器一定不能带有任何的地球病菌和微生物。     

火星载人探测中辐射防护综述

火星探测是人类太空探索的重要组成部分,火星载人探测中航天员的辐射安全问题是人们最为关心的问题。文章扼要介绍了美国/俄罗斯火星载人探测技术的发展过程,重点阐述了探测中的辐射环境、辐射效应以及国外探测结果;在此基础上,对火星探测中的辐射剂量进行了预示,提出了辐射防护建议。     

基于融合伽马变换全卷积神经网络的火星地貌分割方法

为了让火星巡视器在有限的寿命内能获得更多的科学产出,需要提高巡视器在火星表面的自主通过能力,而火星表面地貌类型是评估巡视器可通过性的重要信息。因此,提出了融合伽马变换的全卷积神经网络(FCN)火星表面地貌分割算法。首先,考虑对巡视器通过性的影响,确认地貌分类的类型,基于好奇号拍摄的火星地表图像Mars32K数据库,构建地貌分割数据集;其次,使用自适应伽马变换(AGT)对灰度单一的火星图像进行预处理,减弱了光照等因素干扰;最后,利用数据集训练一个FCN,以实现对火星表面地貌的分割预测。仿真结果表明:网络测试准确率达到83.03%,地形分割预测结果可靠,验证了方法的可行性。     

火星稀薄大气参数对进入器气动特性的影响

针对火星稀薄大气环境的不确定性对进入器气动特性的影响问题,先以海盗号火星进入器的飞行试验数据对发展的三维并行直接模拟蒙特卡罗(DSMC)仿真软件进行了算例校验,再以火星科学实验室外形为例,计算气体组分、密度、温度及速度等来流参数的不确定性对进入器气动特性的影响偏差,定性定量给出火星高空稀薄环境下大气不确定性所带来的气动力特性规律。研究结果表明,通过与海盗号飞行实验数据的对比校验了所建立方法的正确性与可靠性;CO2大气环境对进入器气动特性的影响较大,利用空气稀薄环境中的计算及实验结果亦需进行CO2效应修正,这一点与连续流区的结论一致;来流密度及速度的不确定性对气动力、力矩特性均有影响,而来流温度影响的最大偏差小于0.5%;纵向压心对来流密度、温度及速度的扰动均不敏感。     

“火星科学实验室”EDL方案及其新技术分析

"火星科学实验室"进入、下降与着陆(EDL)技术代表了目前已步入应用阶段的火星探测的最新技术。在分析该方案基础上,对其所应用的升力式进入及进入制导控制技术、基于马赫数的开伞控制技术、"矢量点乘"控制的防热罩分离技术、基于"空中吊车"的动力下降与着陆缓冲技术和"空中吊车"飞离控制技术等进行了分析,可为火星探测研究提供一定的借鉴和参考。     

“火星科学实验室”的EDL试验验证技术及启示

介绍了美国"火星科学实验室"(Mars Science Laboratory,MSL)的进入、下降与着陆(Entry,Descent and Landing,EDL)技术验证体系。该体系可分为EDL飞行动力学、EDL飞行系统和EDL子系统3部分,主要基于仿真建立,同时利用海盗号(Viking)探测器时期的试验数据。针对火星EDL技术的验证,分析了我国已掌握的EDL地面试验技术。通过对比结果表明,我国虽然在气动减速、伞减速、动力下降和着陆技术的试验验证均有良好的技术基础,但仍面临有伞充气过程环境恶劣且复杂、减速下降动作多、大底和背罩分离过程内外环境耦合等新问题。最后针对现有技术所面临的关键问题,梳理出适合我国发展的火星EDL验证体系,并提出了解决关键问题的试验验证方案,可为我国火星着陆任务EDL试验验证工作提供参考。     

火星及其环境

火星环境类似于地球,而探索其生命存在是重大的科学任务。在火星探测中,对火星及其环境的了解与研究是重要的任务目标,事关探测任务的成功实施。文章对国外火星探测已发布的成果进行收集和整理,其中包含大量的相关数据。这些知识和数据是火星探测任务设计的输入条件,可为我国火星探测计划的制定提供参考依据。     

行星际粒子统计特征及其在深空探测用 器件失效概率预估中的应用

文章针对深空探测任务高能粒子辐射及所致器件失效定量评估问题,利用IMP-8在1973年—2001年的电子探测数据,统计了太阳电子事件通量的特征,证明事件通量符合对数正态分布。假设事件发生概率符合泊松分布,构建了行星际电子通量模型,再结合太阳质子通量模型、探测器轨道、行星际粒子在日球层的传播规律,得到不同置信度下空间粒子通量及其剂量。进一步结合器件累计失效剂量的试验数据,可定量评估器件失效概率。以一种典型的商用数据采集功能模块器件TL084和火星环绕探测任务为例,7个月转移轨道和3年火星轨道的任务期内,1 mm铝屏蔽下TL084的失效概率仅为1.01%。     

火星探测器表面材料催化特性数值模拟研究

针对火星探测器高超声速进入过程中的表面材料催化作用及其对气动热环境影响这一问题，建立了变壁面温度的火星大气表面材料催化作用模型，并基于火星大气物理化学模型和求解三维热化学非平衡N-S方程的数值方法，对典型火星探测器防热大底进行了数值模拟，获得了不同催化特性下的高超声速非平衡流场和气动热数据，分析了表面材料催化特性对气动热环境影响的规律性。研究结果表明：表面催化特性对壁面附近组分分布影响很大，催化反应进程主要受O原子浓度限制；有限催化热流随催化效率增大而增大，完全催化峰值热流比催化效率为1的有限催化峰值热流高25%~64%；表面温度随催化特性的变化规律与热流变化规律类似。有限催化模型能根据表面材料的催化特性精细化预测表面热流和温度，为防热设计提供更精确合理的参考标准。     

月球表面次生伽马与中子辐射环境模拟研究

月球表面以银河宇宙射线(GCR)为主引发的次生伽马谱和次生中子谱表征月壤的元素组成以及水冰含量,对于下一阶段的月球探测与资源原位利用是值得研究的重要内容。文章通过蒙特卡罗方法简单模拟与分析银河宇宙射线环境下月球表面簇射的伽马与中子辐射环境,结果表明:月球次生伽马谱具有明显的氢(2.23 MeV)、铝(0.83 MeV)、钙(3.53 MeV)、氧(6.13 MeV)、硅(1.77 MeV)谱线特征,水含量对其影响不大,但在高水含量时氢的谱线更为明显;月球表面次生中子谱形与月壤中水冰含量密切相关,随水冰含量增加热中子通量下降,0.01 eV中子的通量在20%含水量时比不含水时下降了72%。建议在后期月球探测计划中使用小型、低功耗的中子/伽马复合探测器,实现我国首次原位月球伽马/中子辐射环境探测,为未来进一步勘探月球原位水资源、矿产资源积累反演的基线数据。     

火星探测中进入弹道与大气模型重建

火星探测进入段气动参数以及大气参数的实时获取对于进入过程状态确定以及大气模型重建有着至关重要的作用。在尚未掌握基本准确的火星大气数据的条件下开展火星探测,首先有必要利用机载设备在进入过程中实时获取进入舱的各种气动参数,从而重建准确的进入弹道;另外,在探测中测得大气密度以及风场随高度的变化情况,有助于建立火星大气参数模型,为以后的火星探测任务提供依据。文章以"火星科学实验室"为研究对象,详细介绍了表面压力分布模型的建立过程,最后建立了迭代的拓展卡尔曼滤波方程,用于气动参数与大气密度以及风场的实时估计。