火星探测任务对环境模拟技术的需求展望

火星探测是深空探测的重点领域,任务特点决定了火星探测器发射前必须在地面进行各种验证试验。随着火星探测任务的持续深入开展将对环境模拟技术提出新的需求。文章在回顾了人类火星探测的历程之后,展望了未来火星探测任务的可能形式,分析了各种环境的地面模拟方法、试验技术所遇到的新挑战,并给出了建议。     

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.     

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。     

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。     

火星着陆地形信息融合分析技术

文章以火星探测任务为背景,介绍了两种用于实时地形安全性评估的基于多敏感器的地形信息融合分析技术。这些技术综合考虑了影响着陆器安全着陆的多种地形特性信息,如地形粗糙度、坡度等,并且计算简单、处理速度快,能够满足火星着陆实时地形安全分析的要求。     

一种共轴双旋翼式火星飞行器设计及其试验验证

针对火星飞行器探测需求,提出了一种共轴双旋翼式火星飞行器,基于计算流体力学方法优选了桨叶翼型、平面形状和扭转角等结构参数,基于叶素动量理论建立了旋翼气动力学模型,利用数值模拟方法选择了旋翼转速、旋翼间距和桨叶安装角等飞行参数,设计了原理样机"火星飞鸟-I"的结构与控制系统。构建了火星大气环境模拟器和重力补偿与运动约束装置,开展了模拟火星环境下旋翼式飞行器地面飞行试验,验证了共轴双旋翼式火星飞行器的推进性能,展望了旋翼式火星飞行器技术的发展方向。研究成果对我国开展的火星探测工程具有重要借鉴价值。     

美国火星表面探测使命述评（上）

从1975年发射（1976年着陆火星）的海盗-1探测器以来,美国已成功执行了6次火星表面探测使命,即海盗-1与海盗-2轨道器/着陆器,＂火星探路者＂（MPF）着陆器/巡游车,＂勇气＂与＂机遇＂火星探测巡游车（MER）,以及＂凤凰＂着陆器;而推迟到2011年发射的＂好奇心＂火星科学实验室（MSL）将火星着陆技术与表面巡游车技术推向一个新的高度。从＂海盗＂着陆器到＂好奇心＂巡游车、美国历经三种火星着陆系统与三代火星表面巡游车技术的发展。三种着陆系统为着陆腿着陆系统（＂海盗＂与＂凤凰＂）,气囊着陆系统（MPF与MER）,以及空中吊机着陆系统（MSL）。三代巡游车为MPF＂旅居者＂巡游车、MER＂勇气＂与＂机遇＂巡游车,以及MSL＂好奇心＂巡游车。现在,美国在火星进入、降落与着陆（EDL）运作与表面避障移动方面,已达到技术成熟与先进的水平,满足安全着陆与表面移动探测的要求。文章阐述美国上述七项火星表面探测使命的立项背景、科学目标与有效载荷、飞行系统组成,以及飞行运作程序;分析美国火星着陆技术与表面巡游车技术的发展。     

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。     

美国火星表面探测使命述评（下）

从1975年8月发射（1976年7月着陆火星）的海盗-1探测器以来,美国已成功执行了6次火星表面探测使命,即海盗-1与海盗-2轨道器/着陆器,＂火星探路者＂（MPF）着陆器/巡游车,＂勇气＂与＂机遇＂火星探测巡游车（MER）,以及＂凤凰＂着陆器;而推迟到2011年发射的火星科学实验室（MSL）将火星着陆技术与表面巡游车技术推向一个新的高度。从＂海盗＂着陆器到MSL＂好奇心＂巡游车、美国历经三种火星着陆系统与三代火星表面巡游车技术的发展。三种着陆系统为着陆腿着陆系统（＂海盗＂与＂凤凰＂）,气囊着陆系统（MPF与MER）,以及空中吊机着陆系统（MSL）。三代巡游车为MPF＂旅居者＂巡游车、MER＂勇气＂与＂机遇＂巡游车,以及MSL＂好奇心＂巡游车。现在,美国在火星进入、降落与着陆（EDL）运作与表面避障移动方面,已达到技术成熟与先进的水平,满足安全着陆与表面移动探测的要求。文章阐述美国上述七项火星表面探测使命的立项背景、科学目标与有效载荷、飞行系统组成,以及飞行运作程序;分析美国火星着陆技术与表面巡游车技术的发展。     

中俄联合探测火星工程介绍

介绍了火星的基本概况、探测火星的科学目的、国外火星探测的历程.给出了中俄联合探测火星工程的工程与科学目标、系统组成,俄罗斯福布斯土壤计划的主要任务与基本情况,中俄联合探测器的构成,俄罗斯福布斯-土壤(FGSC)火星探测器的主要技术指标.分析了中俄联合探测火星工程中所用运载火箭和上面级的组成与性能.     

火星探测器热环境模拟与试验技术探讨

为保证火星探测器的可靠运行,需要对其进行真空热试验和火星表面热环境模拟试验。文章通过对国外火星探测器热试验的调研,梳理出热试验所涉及的关键技术。并通过对行星际空间热环境和火星表面热环境特点的分析,结合国外相关热环境模拟设备的研制使用情况,探讨不同热环境的地面模拟方法,可为我国火星探测器热环境试验设备的研制及开展相关热试验提供技术参考。     

面向火星探测的新一代微波着陆雷达技术

为适应我国火星探测任务,在探月着陆雷达研制的基础上研制出新一代的火星着陆雷达.介绍了国外火星着陆雷达的现状和实现指标,分析了国内火星探测任务中微波着陆雷达的关键点,尤其针对火星风沙尘暴、大角速度和复杂着陆地形的特征采取了综合试验验证方法,取得了关键数据.针对火星着陆雷达严苛的性能指标要求,创新性地采用线性调频连续波的着陆雷达体制以及选取新的系统设计参数,经过256次打靶测试验证,能够满足我国火星探测任务的需求.     

仿尺蠖型火星车设计与验证

针对传统被动悬架式火星车在火星复杂地形运动中可能存在的问题，设计了仿尺蠖型火星车，包括沉陷脱困设计、爬坡设计、防托底设计和抬轮设计；识别了仿尺蠖型火星车移动系统的关键参数，计算得到不同火星车抬升高度的关键参数值和一个尺蠖运动周期的位移值；计算结果表明仿尺蠖型火星车可以解决被动悬架式火星车的上述问题。对所设计的仿尺蠖型火星车开展了地面试验和飞行试验验证，地面试验验证了车轮沉陷脱困能力、越障能力和爬坡能力；作为仿尺蠖型火星车应用的实例，“祝融号”火星车成功经历了飞行试验，它在火星表面的顺利运行表明仿尺蠖型火星车设计措施有效。     

俄罗斯火星探测——“福波斯-土壤”方案

文章阐述了俄罗斯联邦航天局发布的火星探测计划，主要包括火卫一的特性、福波斯-土壤探测器的结构及其探测步骤，以及对未来火星探测的重要作用。     

火星大气来流模拟装置CFD仿真与试验

根据我国火星着陆巡视器工作过程,其着陆发动机需要在相对火星大气高速迎风运动中可靠点火。由于巡视器着陆时发动机喷管出口气流与火星稀薄气流方向相反,目前无法通过理论计算准确获得着陆过程的动态流场对发动机起动过程的影响量值。为验证火星着陆环境下发动机点火的适应性,需要建立发动机的火星大气来流试验环境模拟条件。为模拟发动机在火星大气条件下的相对运动,在真空舱内发动机保持固定,前端设置环形来流形成装置,该装置在发动机喷管周围形成一定速度的逆向来流包络。采用数值模拟技术结合试验验证方法,在火星着陆器巡视器主发动机性能考核试验中,针对来流的形成装置开展了设计研究工作。来流模拟试验测试数据表明:在确保贮箱供应压力稳定的条件下,来流模拟系统能够形成100~200 m/s速度的稳定来流,发动机在来流下能稳定启动工作,真空舱压力满足试验要求。     

稳压CO2气体氛围火星环境模拟试验系统设计

火星表面低压和低温的大气条件意味着传统的热真空试验设备不能满足火星探测任务型号的地面模拟试验需求。为此,设计研制了以CO_2为气体氛围的火星环境模拟系统。采用气氮调温解决了罐体结露的问题,并采用移动压力控制系统保持在试验温度范围内CO_2气体状态和压力稳定。该系统已成功用于多个火星探测器型号部件产品的地面模拟试验,为火星探测任务开展提供了支持。     

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。     

火星着陆器扶正展开动力学研究

火星着陆技术是实现对火星探测的关键技术。文章通过对四面体着陆器展开过程进行深入研究,提出了一种应用于四面体火星着陆器扶正展开的方法,并对该方法进行了详细的分析和计算;通过火星着陆器扶正展开动力学的分析,提出了扶正展开系统的动作策略,对实现扶正展开的姿态确认进行了分析和设计;基于Hamilton法建立了扶正展开着陆器的动力学模型,对多姿态下扶正展开执行器的动力学特性进行了分析,获得了扶正及展开过程中的力矩特性,从而可以对翻转动作进行定量的分析,实现翻转能量的最小化。该研究对于火星着陆器的设计具有参考意义。     

火星精确着陆制导问题分析与展望

美国火星科学实验室(MSL)任务成功将“好奇”号火星车着陆到火星表面,开创了火星精确着陆探测的新局面。以MSL着陆任务为典型代表,分析了目前火星着陆探测进入、下降和着陆（Entry, Descent and Landing, EDL）过程的制导方案及制导系统的发展趋势。以在火星高海拔、复杂地形区域定点着陆为潜在工程目标,归纳了火星EDL过程面临的制导主要问题。根据未来制导系统自主性和自适应性的技术需求及潜在工程任务制导面临的问题,提出了火星EDL制导方面需要解决的关键技术,并对其在未来工程中的应用潜力进行了展望。     

火星探测的主要科学问题

在太阳系的行星中,火星与地球之间存在最多的相似之处,因此,火星是一颗承载人类最多梦想的星球。火星有水和生命存在的问题,激发了人类火星探索的好奇心,成为人类持续探测火星的推动力。火星的起源和演化与太阳系形成过程的关系,火星与类地行星的共性和特性,是当代行星科学研究的重要内容。为了人类社会的可持续发展,火星可否改造成为适宜人类居住的绿色星球——这些是人类在火星探测中必须面对的重大科学问题。只有这些重大科学问题被一一解答,我们才能清晰地去思考地球和人类自身的未来！