蔡震波，曲少杰

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094）

0 引言

火星是太陽(yáng)系中位于地球外側(cè)的最近的行星，距太陽(yáng)平均1.5 AU。由于其與地球在天體演化等行為上可能有眾多相似之處，所以火星探測(cè)成為深空探測(cè)的焦點(diǎn)之一。迄今為止，美國(guó)、俄羅斯、ESA、日本、印度等共計(jì)進(jìn)行了43次火星探測(cè)活動(dòng)，其中失敗任務(wù)為22次[1]，占比高達(dá)51%，當(dāng)中不乏由于對(duì)火星空間環(huán)境及其不確定性的認(rèn)識(shí)和防護(hù)設(shè)計(jì)不足而導(dǎo)致。因此，充分識(shí)別火星探測(cè)任務(wù)中的空間環(huán)境及效應(yīng)特點(diǎn)，是確?；鹦翘綔y(cè)器任務(wù)成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

火星表面及其周?chē)哂信c地球不盡相同的空間環(huán)境背景和效應(yīng)特征[1-3]，其熱環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)[4]、表面雷達(dá)散射特性[5]、表面激光反射率[6]、表面塵埃環(huán)境[7]等都有較大差異?；鹦翘綔y(cè)器從地球發(fā)射后，要?dú)v經(jīng)近8個(gè)月的包括地-火轉(zhuǎn)移、火星環(huán)繞、直至著陸火星表面并進(jìn)行巡視探測(cè)的任務(wù)全過(guò)程，依次遭遇近地空間、行星際空間和火星附近的空間環(huán)境[8]。不同任務(wù)階段的空間環(huán)境對(duì)火星探測(cè)器的影響具有不同特點(diǎn)。在火星探測(cè)器的工程設(shè)計(jì)與研制過(guò)程中，須結(jié)合其任務(wù)特點(diǎn)，對(duì)空間環(huán)境的影響進(jìn)行針對(duì)性分析并采取相應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)，才能保證火星探測(cè)器在任務(wù)期具有充分的空間環(huán)境適應(yīng)性。

本文針對(duì)火星探測(cè)器任務(wù)全過(guò)程的空間環(huán)境剖面，分析其空間環(huán)境特點(diǎn)，提出火星探測(cè)器的空間環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 與空間環(huán)境相關(guān)的火星探測(cè)器任務(wù)概貌

火星探測(cè)器從地球發(fā)射直至到達(dá)火星執(zhí)行探測(cè)任務(wù)的全過(guò)程如圖1所示，可以簡(jiǎn)要描述為：1）從地面發(fā)射，進(jìn)入地-火轉(zhuǎn)移軌道；2）在地-火轉(zhuǎn)移軌道上運(yùn)行約8個(gè)月；3）到達(dá)火星附近并制動(dòng)，開(kāi)始環(huán)繞火星飛行；4）著陸器與環(huán)繞器分離后下降并著陸火星；5）火星車(chē)從著陸器駛離，進(jìn)行火星表面巡視探測(cè)。

因此，按照火星探測(cè)器任務(wù)期間依此經(jīng)歷的地球磁層、行星際、火星周?chē)氨砻娴炔煌瑓^(qū)域的空間環(huán)境特征，可將任務(wù)期間環(huán)境劃分為近地環(huán)境、行星際環(huán)境和火星環(huán)境。

1）近地環(huán)境：對(duì)應(yīng)發(fā)射初期，從地面發(fā)射直到飛出地球磁層頂之前，歷時(shí)約5～6 h；

2）行星際環(huán)境：對(duì)應(yīng)地-火轉(zhuǎn)移段，從飛出地球磁層頂直到抵達(dá)火星，歷時(shí)約8個(gè)月；

3）火星環(huán)境：對(duì)應(yīng)火星環(huán)繞與著陸及火面巡視探測(cè)階段，環(huán)繞器歷時(shí)約1年，火星車(chē)約3個(gè)月。

圖1 火星探測(cè)器飛行過(guò)程Fig.1 The flight process of Mars probe

顯然，這3類(lèi)空間環(huán)境具有較大差異，火星探測(cè)器在這些區(qū)域的運(yùn)行時(shí)間、工作狀態(tài)、設(shè)計(jì)狀態(tài)等特征也有所不同，因此不同區(qū)域內(nèi)的空間環(huán)境對(duì)火星探測(cè)器的影響也不相同，需在設(shè)計(jì)中進(jìn)行針對(duì)性分析與應(yīng)對(duì)。

2 近地空間環(huán)境特征及防護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在火星探測(cè)器從地面發(fā)射后的幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)、飛出地球磁層頂（向陽(yáng)面地球磁層頂高度通常約65 000 km）之前，運(yùn)行時(shí)間約5～6 h。在此期間所處空間區(qū)域?yàn)榈厍虼艑右詢(xún)?nèi)的空間（見(jiàn)圖2），這與絕大多數(shù)繞地航天器（運(yùn)行時(shí)間或壽命通常為幾個(gè)月到十幾年不等）的運(yùn)行區(qū)域相同。因此，從空間環(huán)境要素（或類(lèi)型）上看，火星探測(cè)器面臨的空間環(huán)境亦為近地空間環(huán)境，其環(huán)境要素與繞地球運(yùn)行的航天器差異不大，主要包括地球磁場(chǎng)、地球輻射帶、銀河宇宙射線(xiàn)、太陽(yáng)宇宙射線(xiàn)、地球中性大氣、太陽(yáng)電磁輻射等。

圖2 火星探測(cè)器發(fā)射初期所處的磁層內(nèi)環(huán)境Fig.2 The Earth’s magnetospheric environment during early stage of a launched Mars probe

但是，與絕大多數(shù)繞地航天器相比，火星探測(cè)器從飛行任務(wù)的特征上表現(xiàn)出兩個(gè)顯著差異（或者說(shuō)是特點(diǎn)）：一是其從發(fā)射開(kāi)始直到飛出地球磁層頂，運(yùn)行時(shí)間很短，只有5～6 h，而絕大多數(shù)繞地航天器在磁層內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間都在幾個(gè)月到幾年以上，甚至十幾年；二是火星探測(cè)器在地球磁層內(nèi)的運(yùn)行（尤其在地球輻射帶區(qū)域）是一次性穿越，而絕大多數(shù)繞地航天器則是在磁層內(nèi)反復(fù)環(huán)繞甚至“沉浸”在地球輻射帶之中。以上兩個(gè)任務(wù)特點(diǎn)，使得火星探測(cè)器在這一運(yùn)行階段中，雖然所面臨的空間環(huán)境要素與繞地航天器基本相同，但所受影響輕微很多。主要如下：

1）電離總劑量效應(yīng)

圖3(a)給出火星探測(cè)器整個(gè)任務(wù)期間（從發(fā)射到著陸火星的全過(guò)程）的輻射總劑量分析結(jié)果，其中包含地球輻射帶劑量和太陽(yáng)高能質(zhì)子劑量2部分分量。由于發(fā)射初期穿越地球磁層頂之前的運(yùn)行時(shí)間只有5～6 h，在此階段遭遇太陽(yáng)高能質(zhì)子事件的概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地-火轉(zhuǎn)移階段和環(huán)火運(yùn)行的幾個(gè)月乃至幾年的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行段，所以在發(fā)射初期，火星探測(cè)器遭遇的輻射總劑量主要來(lái)源于地球輻射帶，故本節(jié)暫不討論太陽(yáng)高能質(zhì)子造成的輻射劑量（圖3(a)上方的曲線(xiàn)）。

探測(cè)器穿越磁層頂之后，進(jìn)入行星際空間或環(huán)繞火星，這些區(qū)域不再存在類(lèi)似地球輻射帶的捕獲粒子密集區(qū)域，因此整個(gè)火星探測(cè)任務(wù)中，地球輻射帶引起的輻射總劑量只存在于發(fā)射初期這一階段，在后續(xù)的任務(wù)階段中，無(wú)論任務(wù)時(shí)間多長(zhǎng)，這部分輻射劑量都不會(huì)再增加。

圖3(b)是一些典型衛(wèi)星任務(wù)期內(nèi)的輻射總劑量分析結(jié)果，其中：地球靜止軌道（GEO）通信或?qū)Ш叫l(wèi)星，在軌15年；中高度地球軌道（MEO）的導(dǎo)航衛(wèi)星，在軌10年；太陽(yáng)同步軌道（SSO）的遙感衛(wèi)星，在軌2年；“神舟”飛船軌道，在軌0.5年。

以通常的艙內(nèi)電子元器件所在位置（對(duì)外空間的屏蔽厚度包括星體艙板約1 mm(Al)、設(shè)備外殼約2 mm(Al)，合計(jì)3 mm(Al)）為例，在火星探測(cè)器一次性穿越地球輻射帶過(guò)程中，該處元器件所吸收的地球輻射帶輻射劑量約為1×102rad(Si)（圖3(a)中的下方曲線(xiàn)，實(shí)際上，由于飛行過(guò)程具有較大相似性，月球探測(cè)器在這一飛行階段中的輻射劑量水平也與此基本相同）；而對(duì)于其他典型繞地航天器，則分別約為3×106rad(Si)（15年GEO）、7×105rad(Si)（10年MEO）、3×103rad(Si)（2年SSO）以及0.9×102rad(Si)（0.5年飛船軌道）。可見(jiàn)，火星探測(cè)器任務(wù)中所吸收的地球輻射帶劑量與典型的GEO、MEO、SSO繞地衛(wèi)星相比小1～3個(gè)數(shù)量級(jí)不等。而構(gòu)成火星探測(cè)器的電子元器件和材料的抗電離總劑量能力通常在幾krad(Si)以上，因此這一階段的電離總劑量輻射并不嚴(yán)重，一般情況下并不需要刻意進(jìn)行附加Ta 片等輻射屏蔽防護(hù)。

與0.5年飛船軌道3 mm(Al)屏蔽后的輻射劑量0.9×102rad(Si)相比，火星探測(cè)器接受的輻射劑量與之相當(dāng)，這對(duì)于電子元器件和材料影響不大，但對(duì)于載人火星任務(wù)，在后續(xù)地-火轉(zhuǎn)移、環(huán)火、落火以及返回地球的飛行任務(wù)中，航天員可能還會(huì)吸收更多的太陽(yáng)高能質(zhì)子輻射、銀河宇宙射線(xiàn)輻射，以及返回地球時(shí)再次吸收地球輻射帶高能粒子劑量，導(dǎo)致航天員在載人火星任務(wù)全過(guò)程中所吸收的輻射總劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低地球軌道（約300～400 km高度）執(zhí)行載人飛船或空間站任務(wù)的航天員所吸收的劑量，因此，載人火星任務(wù)中，航天員的輻射劑量防護(hù)將成為任務(wù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖3 火星探測(cè)器及其他典型繞地航天器任務(wù)期間的電離總劑量Fig.3 Total ionizing dose for Mars probe and typical near-Earth spacecrafts during their missions

2）單粒子效應(yīng)

火星探測(cè)器在發(fā)射初期運(yùn)行于地球磁層內(nèi)部這一階段，所面臨的引發(fā)單粒子效應(yīng)的高能粒子源仍然主要來(lái)自地球輻射帶質(zhì)子以及銀河宇宙射線(xiàn)和太陽(yáng)宇宙射線(xiàn)中的重離子和質(zhì)子，這與其他繞地航天器乃至月球探測(cè)器并不存在環(huán)境類(lèi)型或強(qiáng)度上的差異。因此，在這一階段，單粒子效應(yīng)的影響與防護(hù)，與其他繞地航天器基本相似，沒(méi)有特殊性。但如果火星探測(cè)器使用了對(duì)單粒子效應(yīng)特別敏感的電子元器件，則應(yīng)準(zhǔn)確識(shí)別其薄弱環(huán)節(jié)并采取針對(duì)性防護(hù)措施。

3）表面充放電效應(yīng)

引發(fā)表面充放電效應(yīng)的空間輻射源，通常來(lái)自于地磁（亞）暴期間從地球磁尾向地心方向注入的熱等離子體。熱等離子體分布高度通常在20 000 km以上，分布在地方時(shí)子夜到凌晨的區(qū)域內(nèi)?；鹦翘綔y(cè)器發(fā)射初期，在穿出地球磁層頂前，將短時(shí)間內(nèi)穿越20 000～40 000 km 左右的熱等離子體區(qū)域，因此從理論上說(shuō)，如果遭遇地磁（亞）暴，探測(cè)器也有發(fā)生表面充放電效應(yīng)的可能。但由于地磁（亞）暴的發(fā)生概率很小，而火星探測(cè)器在5～6 h 內(nèi)就完成了磁層頂?shù)拇┰?，且穿越路徑也不完全在熱等離子體可能分布的地方時(shí)子夜到凌晨區(qū)域，所以無(wú)須將表面充放電效應(yīng)作為火星探測(cè)器的重要風(fēng)險(xiǎn)考慮。在探測(cè)器設(shè)計(jì)中，只需對(duì)探測(cè)器表面材料的電阻率和接地狀態(tài)按照通常的繞地衛(wèi)星要求進(jìn)行控制，并對(duì)單機(jī)產(chǎn)品鑒定件進(jìn)行表面放電效應(yīng)模擬試驗(yàn)的考核，便可將表面充放電效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的范圍內(nèi)。

4）內(nèi)帶電效應(yīng)

引發(fā)內(nèi)帶電效應(yīng)的粒子源，是空間中存在的高能（能量通常在800 keV 以上）高通量的電子，只有產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間沉浸在這一高能電子環(huán)境中，才有可能產(chǎn)生內(nèi)帶電效應(yīng)。美國(guó)空軍給出的航天器可能產(chǎn)生內(nèi)帶電效應(yīng)的條件為：軌道上存在能量大于2 MeV、通量大于3×108e/(cm2·sr·s)的高能電子，且持續(xù)3天及以上；或者通量大于1×109e/(cm2·sr·s)且持續(xù)1天及以上。這種高能電子暴環(huán)境，通常只發(fā)生在強(qiáng)烈地磁暴1～2天后的恢復(fù)相期間，出現(xiàn)的空間范圍在外輻射帶中心區(qū)域附近，大致在距離地面高度20 000～40 000 km 左右。所有的中高軌繞地航天器均需考慮內(nèi)帶電效應(yīng)的影響。而對(duì)于穿越20 000～40 000 km 左右外輻射帶中心區(qū)域的火星探測(cè)器來(lái)說(shuō)，由于可引發(fā)高能電子暴的強(qiáng)烈地磁暴的發(fā)生概率極低，所以探測(cè)器基本不會(huì)遭遇此高能電子環(huán)境；而且即便是遭遇高能電子暴環(huán)境，探測(cè)器在磁層內(nèi)的穿越時(shí)間只有5～6 h，也不可能具備引發(fā)內(nèi)帶電效應(yīng)的長(zhǎng)時(shí)間“沉浸”條件。因此，火星探測(cè)器無(wú)須考慮內(nèi)帶電效應(yīng)的影響。

5）其他環(huán)境效應(yīng)

在穿越地球磁層頂前，火星探測(cè)器還將遭遇地球中性大氣、真空、太陽(yáng)電磁輻射、地球磁場(chǎng)、微重力等空間環(huán)境要素，這些要素與普通的繞地航天器經(jīng)歷的空間環(huán)境差別不大，影響也基本相似，本文對(duì)此不再深入討論。

3 行星際空間環(huán)境特征及防護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

火星探測(cè)器發(fā)射約5～6 h 之后，將穿越地球磁層頂，進(jìn)入行星際空間，開(kāi)始漫長(zhǎng)的（約8個(gè)月）奔向火星的飛行過(guò)程，即地-火轉(zhuǎn)移過(guò)程。此時(shí)，火星探測(cè)器所運(yùn)行的空間區(qū)域及空間環(huán)境特征，與通常的繞地航天器相比有了很大差異。此階段的空間環(huán)境主要特征有：

a.脫離了地球磁場(chǎng)的保護(hù)，面臨比地球磁場(chǎng)更弱的行星際磁場(chǎng)，太陽(yáng)風(fēng)可直接到達(dá)探測(cè)器表面，但由于能量太低（電子低于1 eV，正離子低于1 keV），太陽(yáng)風(fēng)粒子不能進(jìn)入探測(cè)器內(nèi)部；

b.不再遭遇地球輻射帶環(huán)境；

c.持續(xù)遭遇銀河宇宙射線(xiàn)，并成為此運(yùn)行階段的主要帶電粒子輻射源；

d.約8個(gè)月內(nèi)，可能會(huì)遭遇1次特大太陽(yáng)質(zhì)子事件；

e.持續(xù)處于高真空環(huán)境。

結(jié)合火星探測(cè)器在地-火轉(zhuǎn)移階段的任務(wù)特點(diǎn)，與繞地航天器相比，空間環(huán)境在這一階段對(duì)火星探測(cè)器的影響雖然在效應(yīng)的類(lèi)型上差別不大，但其效應(yīng)卻具有一些特殊的重要特征，在火星探測(cè)器的設(shè)計(jì)研制中需予以重點(diǎn)關(guān)注并采取措施予以防護(hù)。

1）電離總劑量效應(yīng)

由于脫離了地球輻射帶區(qū)域，所以如果沒(méi)有遭遇太陽(yáng)質(zhì)子事件，則所累積的輻射總劑量幾乎為0。

由于太陽(yáng)質(zhì)子事件的爆發(fā)具有一定的概率和隨機(jī)性，考慮火星探測(cè)器在此期間乃至后續(xù)環(huán)火的幾個(gè)月到幾年間可能遭遇1次類(lèi)似于1989年10月的特大太陽(yáng)質(zhì)子事件。此類(lèi)事件在火星探測(cè)器上所造成的輻射劑量水平見(jiàn)圖3(a)上方的曲線(xiàn)。仍以3 mm(Al)屏蔽處為例，由圖可見(jiàn)這一部分輻射劑量比地球輻射帶造成的劑量高了1個(gè)數(shù)量級(jí)以上，雖然仍對(duì)電子元器件和材料的影響不大（相關(guān)數(shù)據(jù)分析見(jiàn)第2章），但對(duì)于載人火星任務(wù)而言，則是航天員輻射防護(hù)的重中之重。此部分劑量的特點(diǎn)是，在此期間可能發(fā)生也可能不發(fā)生；如果發(fā)生，則是一次性的，與飛行時(shí)間長(zhǎng)短關(guān)系不大。

2）單粒子效應(yīng)

在地-火轉(zhuǎn)移段，直到環(huán)火軌道，火星探測(cè)器所面臨的可引發(fā)單粒子效應(yīng)的高能粒子環(huán)境，與發(fā)射初期及通常的繞地航天器相比，除了不存在地球輻射帶質(zhì)子之外，其他的主要為銀河宇宙射線(xiàn)和太陽(yáng)宇宙射線(xiàn)環(huán)境，這與月球探測(cè)器在奔月過(guò)程中面臨的同類(lèi)環(huán)境基本相似。如果不考慮火星探測(cè)器是否使用了對(duì)單粒子特別敏感的電子元器件的因素，通常而言，在此階段的單粒子效應(yīng)發(fā)生頻度，與通常的繞地航天器或月球探測(cè)器的差別不大。

但是火星探測(cè)器在奔火過(guò)程中，與地球的距離逐漸變遠(yuǎn)（見(jiàn)圖4），最遠(yuǎn)到達(dá)3億～4億km，此時(shí)無(wú)線(xiàn)電波從探測(cè)器傳輸?shù)降厍虻淖铋L(zhǎng)時(shí)延可達(dá)17～20 min。這一特點(diǎn)使得探測(cè)器一旦發(fā)生單粒子效應(yīng)導(dǎo)致電子設(shè)備功能中斷，如果采用遙測(cè)監(jiān)視到異常、進(jìn)行故障判斷、發(fā)送遙控指令予以恢復(fù)的措施，耗時(shí)將達(dá)到40 min 以上；如果發(fā)生故障的是對(duì)探測(cè)器的運(yùn)行或姿態(tài)或關(guān)鍵動(dòng)作密切相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)備，則在此期間探測(cè)器將可能處于失控狀態(tài)。因此，依靠地面遙控進(jìn)行單粒子效應(yīng)防護(hù)的方法，針對(duì)繞地航天器和月球探測(cè)器行之有效，但對(duì)火星探測(cè)器而言則可能無(wú)效，因而火星探測(cè)器的單粒子效應(yīng)防護(hù)的關(guān)鍵是確保在軌故障的自主診斷和自主恢復(fù)。

圖4 火星探測(cè)器與地球的距離變化Fig.4 The variations of distance between Mars probe and Earth

3）太陽(yáng)輻射能

由于火星與太陽(yáng)的距離約為1.5 AU，從地球飛往火星的過(guò)程中，火星探測(cè)器與太陽(yáng)的距離也從1 AU 逐漸增大到1.5 AU，其接收到的太陽(yáng)的輻射能將隨之不斷衰減。如表1所示，在地球周?chē)s1 AU處，太陽(yáng)輻射能約為1366 W/m2；當(dāng)探測(cè)器到達(dá)火星周?chē)螅?yáng)輻射能將下降到500～700 W/m2左右。

表1 典型火星任務(wù)的地-火轉(zhuǎn)移過(guò)程中太陽(yáng)輻射的衰減Table1 The attenuation of solar radiation during the transfer process from Earth to Mars

當(dāng)火星探測(cè)器采用太陽(yáng)電池作為能源供給時(shí)，奔火過(guò)程中太陽(yáng)輻射能的不斷衰減，尤其是到達(dá)火星后降到最低，使得太陽(yáng)電池的發(fā)電功率大幅度衰減。同樣面積的太陽(yáng)電池陣，在火星附近的輸出功率幾乎只有在地球附近時(shí)的一半甚至更少，這對(duì)太陽(yáng)電池陣一次電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了重要約束。

隨著奔火過(guò)程中太陽(yáng)輻射能的下降，火星探測(cè)器太陽(yáng)電池陣的輸出功率逐漸減小，使得探測(cè)器在地球周邊時(shí)儲(chǔ)存的大量電能需要分流消耗，這對(duì)電源控制器的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，可能需要電源控制器單機(jī)和探測(cè)器總體共同采取措施才能實(shí)現(xiàn)。

另外，由于在火星附近太陽(yáng)輻射能降到最低，與地球附近相比火星探測(cè)器所獲得的外熱流大幅度降低，可能不足以滿(mǎn)足探測(cè)器熱控的需求，需要采取有別于繞地航天器或月球探測(cè)器的特殊措施（如集熱器、氣體保溫等）。

4）真空冷焊與干摩擦

與繞地航天器類(lèi)似，火星探測(cè)器在整個(gè)地-火轉(zhuǎn)移過(guò)程沉浸于高真空環(huán)境之中，真空度高達(dá)10-14Pa。對(duì)處于此真空環(huán)境下的火星探測(cè)器而言，由于很多部件如降落傘打開(kāi)裝置、緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件、著陸器和火星車(chē)的行進(jìn)部件等，需要到達(dá)火星周?chē)蛑懟鹦呛蟛胚M(jìn)行動(dòng)作或釋放，而在地-火轉(zhuǎn)移段這些部件則處于長(zhǎng)時(shí)間的壓緊和不動(dòng)作狀態(tài)，所以容易產(chǎn)生真空冷焊或干摩擦，對(duì)到達(dá)火星后的部件展開(kāi)、運(yùn)動(dòng)或釋放產(chǎn)生重大影響，甚至導(dǎo)致任務(wù)失敗。因此，真空冷焊與干摩擦是火星探測(cè)器重要的空間環(huán)境次生效應(yīng)防護(hù)對(duì)象。

4 火星空間環(huán)境特征及防護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

火星探測(cè)器經(jīng)過(guò)約8個(gè)月的漫長(zhǎng)旅途到達(dá)火星后，經(jīng)過(guò)多次變軌進(jìn)入環(huán)火軌道，并向火星表面釋放著陸器和火星車(chē)，開(kāi)展火星表面的巡視探測(cè)等任務(wù)。在火星周?chē)c火星表面，存在明顯與地球不一樣的空間環(huán)境，可對(duì)火星探測(cè)器產(chǎn)生重要影響。

1）火星大氣

火星表面大氣成分不同于地球，其主要成分為CO2，體積占比約為95.3%（見(jiàn)表2）?；鹦谴髿饷芏扰c壓力也遠(yuǎn)低于地球，表面大氣壓約為6 mbar（合798 Pa），不到地球表面大氣壓力的1%，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于繞地航天器所處的高真空環(huán)境（10-2～10-9Pa）的壓力?；鹦谴髿庵写嬖谳^強(qiáng)的風(fēng)。

表2 火星大氣成分Table 2 Atmospheric compositions of Mars

火星大氣密度以及風(fēng)速等要素，對(duì)環(huán)火軌道的設(shè)計(jì)形成約束，同時(shí)對(duì)進(jìn)入、下降與著陸（Entry,Descending and Landing,EDL）過(guò)程的降落傘減速效果、著陸準(zhǔn)確性和安全性等產(chǎn)生重要影響。

繞地航天器在相當(dāng)于火箭發(fā)射的主動(dòng)段高度約30～50 km 時(shí)，地球大氣壓下降到700 Pa 左右，在其后約10天左右的短時(shí)間內(nèi)可能引發(fā)低氣壓放電；進(jìn)入軌道處于高真空環(huán)境后，不再存在低氣壓放電的風(fēng)險(xiǎn)（有氣體泄放或釋氣的設(shè)備除外）。但是火星著陸器和火星車(chē)長(zhǎng)期工作于火星表面低氣壓環(huán)境下，在整個(gè)任務(wù)期間都很容易產(chǎn)生低氣壓放電。同時(shí)，低氣壓放電與環(huán)境氣體成分具有一定相關(guān)性，地球大氣（N2為主）與火星大氣（CO2為主）的低氣壓放電特征存在一定差異。以上問(wèn)題，均需在火星探測(cè)器設(shè)計(jì)中予以考慮并解決。

2）火星塵與塵暴

火星表面遍布?jí)m埃，在稀薄干燥大氣和風(fēng)作用下，火星塵被揚(yáng)起到大氣中，當(dāng)特定條件滿(mǎn)足時(shí)，可轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域性或全球性塵暴。這種塵暴常發(fā)生于火星熱帶和南半球夏季。區(qū)域性塵暴一般持續(xù)幾周，可以覆蓋大片區(qū)域；全球性塵暴在火星上幾乎每個(gè)火星年都會(huì)發(fā)生1次，持續(xù)時(shí)間達(dá)幾個(gè)月。全球性塵暴一般在火星近日點(diǎn)即火星南半球?yàn)橄募緯r(shí)從南半球爆發(fā)。

火星塵暴會(huì)對(duì)著陸火星的著陸器和火星車(chē)電源系統(tǒng)產(chǎn)生影響。塵暴對(duì)太陽(yáng)輻射中的短波削弱最強(qiáng)，使得藍(lán)光減弱，因此在著陸器或火星車(chē)的太陽(yáng)電池片設(shè)計(jì)中，需進(jìn)行對(duì)紅色和紅外線(xiàn)有更好響應(yīng)的工藝參數(shù)調(diào)整。

火星塵暴阻礙了太陽(yáng)輻射的進(jìn)入，降低了火星表面的平均溫度和最高溫度；同時(shí)也阻礙了火星表面的紅外輻射，從而提升了火星表面溫度的最低值。這些變化對(duì)火星著陸器和火星車(chē)的熱控設(shè)計(jì)提出約束。

在火星表面隨風(fēng)而飄的火星塵，一旦降落到著陸器或火星車(chē)上，可遮擋入射到太陽(yáng)電池陣的太陽(yáng)光從而降低其發(fā)電功率，遮擋相機(jī)或光學(xué)敏感器鏡頭影響相機(jī)成像或敏感器工作，或進(jìn)入軸承等運(yùn)動(dòng)部件造成運(yùn)動(dòng)卡滯等各種不利影響，因此火星探測(cè)器的很多相關(guān)部件與設(shè)備均需進(jìn)行良好的防塵設(shè)計(jì)，才能確保探測(cè)器在火星表面上的正常工作。

3）火星表面地形地貌

火星表面存在各種石塊和坑洞，這些石塊與坑洞的大小、土壤松軟度、坡度大小等，將直接影響火星探測(cè)器的著陸穩(wěn)定性與安全性，關(guān)系到探測(cè)器能否成功著陸、是否落得穩(wěn)、著落姿態(tài)是否正確等若干問(wèn)題，因此必須在火星探測(cè)器設(shè)計(jì)中予以充分考慮，其中關(guān)鍵是對(duì)地形環(huán)境的不確定性的應(yīng)對(duì)策略與措施，這往往需從探測(cè)器總體層面來(lái)協(xié)調(diào)解決。

4）帶電粒子輻射

火星表面的帶電粒子輻射環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單。由于火星沒(méi)有全球性磁場(chǎng)，所以表面不存在帶電粒子輻射帶。因此在環(huán)火與火星表面任務(wù)期間，如不遭遇特大太陽(yáng)質(zhì)子事件，則探測(cè)器接收的輻射劑量幾乎為0，與任務(wù)期長(zhǎng)短無(wú)關(guān)。銀河宇宙射線(xiàn)持續(xù)照射火星著陸器與月球車(chē)，是產(chǎn)生單粒子效應(yīng)的主要輻射源。基于火星探測(cè)器與地球距離太遠(yuǎn)的特征，單粒子效應(yīng)的防護(hù)關(guān)鍵也仍然是自主處理，而不能依賴(lài)于長(zhǎng)時(shí)延電波傳播的地面干預(yù)。同樣由于不存在熱等離子體與高能電子環(huán)境，所以火星表面不會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似繞地航天器的表面充放電效應(yīng)和內(nèi)帶電效應(yīng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

火星探測(cè)器任務(wù)中經(jīng)歷了地球磁層、行星際空間和火星周?chē)c表面的不同空間環(huán)境，針對(duì)探測(cè)器自身的任務(wù)特征和設(shè)計(jì)特征，其不同運(yùn)行階段的空間環(huán)境影響及防護(hù)重點(diǎn)存在較大差異。對(duì)于常規(guī)的空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)工作，如電離總劑量、地球大氣、地球磁場(chǎng)、真空等影響與防護(hù)，基本上與通常的繞地航天器相似。而對(duì)于火星探測(cè)任務(wù)有特殊性的空間環(huán)境防護(hù)，其防護(hù)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)關(guān)注：

1）長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離飛行中單粒子效應(yīng)的自主探測(cè)與恢復(fù)；

2）遠(yuǎn)離太陽(yáng)導(dǎo)致太陽(yáng)輻射能下降帶來(lái)的對(duì)電源設(shè)計(jì)與熱控設(shè)計(jì)的影響；

3）火星表面CO2低氣壓引起低氣壓放電等若干問(wèn)題；

4）火星大氣及風(fēng)對(duì)環(huán)火及EDL過(guò)程軌道設(shè)計(jì)與著陸安全性的影響；

5）火星塵暴對(duì)光與太陽(yáng)輻射遮蔽對(duì)電源和熱控設(shè)計(jì)的影響；

6）火星表面地形不確定性對(duì)著陸安全性及巡視器行進(jìn)與避障的影響。

只有切實(shí)結(jié)合火星探測(cè)器的任務(wù)特點(diǎn)與設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)其任務(wù)全過(guò)程中的空間環(huán)境影響特征進(jìn)行分析，才能確?；鹦翘綔y(cè)器的空間環(huán)境適應(yīng)能力，從而有助火星探測(cè)器的任務(wù)成功。