張 寧，陸 希，趙健楠?，王 江，彭玉明，劉漢生，肖 龍

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院行星科學(xué)研究所，武漢430074； 2. 上海衛(wèi)星工程研究所，上海201109； 3.上海市深空探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201109)

1 引言

火星是當(dāng)前國(guó)際深空探測(cè)的熱點(diǎn)，也是除月球之外，最有望實(shí)現(xiàn)載人探測(cè)、建立外星基地的類地星體。 不同于月球近乎真空、缺水的環(huán)境，火星擁有稀薄的大氣層，兩極及地表之下存在大量的水冰，火星殼中存在包括蒸發(fā)鹽類礦物、粘土礦物在內(nèi)的多種礦物類型[1]。 由此可見，火星擁有豐富的可利用資源，為人類在其表面開展活動(dòng)提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

所有的深空探測(cè)任務(wù)都需要有可靠的能源保障，而能源供給更是影響載人火星探測(cè)和火星基地建設(shè)的重要因素。 James 等[2]對(duì)火星任務(wù)中的能源需求進(jìn)行了評(píng)估，認(rèn)為保障小型火星基地正常運(yùn)行一個(gè)火星年所需的總能量約為6.3×105kW·h，如此龐大的能源需求需要多種能量來(lái)源提供穩(wěn)定的供給。 太陽(yáng)能是行星表面重要的能量來(lái)源，但是在火星表面，太陽(yáng)能會(huì)受到沙塵暴等因素的嚴(yán)重影響。 因此，為了保證能源供給的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性，對(duì)風(fēng)力資源利用的研究應(yīng)運(yùn)而生[3]。 風(fēng)力資源是火星原位資源利用的重要目標(biāo)，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外火星風(fēng)力資源的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)和分析，提出當(dāng)前研究中存在的問題，探索火星風(fēng)力資源利用的新方向，將為未來(lái)火星探測(cè)中科學(xué)目標(biāo)的確定、火星基地的設(shè)計(jì)與規(guī)劃提供參考。

2 火星大氣與風(fēng)的探測(cè)歷史

天文學(xué)家在18 世紀(jì)已經(jīng)觀測(cè)到火星上的云，這表明了火星大氣的存在。 地基反射光譜的觀測(cè)進(jìn)而表明火星大氣主要由CO2組成[4]。 后來(lái)NASA 發(fā)射的水手4 號(hào)、水手6 號(hào)和水手7 號(hào)確認(rèn)了火星大氣以CO2為主要成分，但與地球大氣相比非常稀薄[5]。 1975 年發(fā)射的海盜1 號(hào)和海盜2 號(hào)軌道器和著陸器對(duì)火星大氣成分和火星表面的風(fēng)速變化進(jìn)行了測(cè)定[6]。

20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，火星探測(cè)迎來(lái)了新的高潮，一系列火星軌道器和著陸器成功的對(duì)火星開展了探測(cè)。 1996 年發(fā)射的火星全球勘探者號(hào)(Mars Global Surveyor)對(duì)火星大氣和揮發(fā)分變化開展了長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)。 其攜帶的火星軌道器激光高度計(jì)(Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA)獲得了火星云的高度信息和變化情況[7]。1997 年在火星著陸的火星探路者號(hào)(Mars Pathfinder)攜帶了大氣和氣象傳感器(Atmospheric Structure Investigation/Meteorology Experiment，ASI/MET)，在探測(cè)器下降過(guò)程中測(cè)量了火星的大氣，并在著陸點(diǎn)對(duì)溫度、風(fēng)和大氣壓開展了約850 萬(wàn)次測(cè)量，對(duì)火星塵暴和水冰云進(jìn)行了觀測(cè)[8]。 2004 年，火星快車(Mars Express)上的行星傅立葉光譜儀(Planetary Fourier Spectrometer，PFS)探測(cè)到火星大氣中有大約10 ppb 的甲烷存在[9-10]。 此外，臭氧在火星的低層和中層大氣中也有發(fā)現(xiàn)[11]。 2005 年發(fā)射的火星勘測(cè)軌道飛行器(Mars Reconnaissance Orbiter)搭載的火星氣候測(cè)深儀(Mars Climate Sounder，MCS)對(duì)火星全球大氣的垂直變化開展了觀測(cè)，并記錄了火星溫度、氣壓、濕度和塵埃密度等基本大氣數(shù)據(jù)的變化情況[12]。 2007 年在火星北極附近著陸的鳳凰號(hào)(Phoenix)也對(duì)火星的大氣數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)量[13]，其風(fēng)速計(jì)得到著陸點(diǎn)處的風(fēng)速在11 ～58 km/h，同時(shí)，其使用激光雷達(dá)對(duì)大氣中塵埃、冰、霧和云的垂直分布進(jìn)行了測(cè)量[14-15]。2008 年發(fā)射的火星大氣與揮發(fā)分演化(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN，MAVEN)探測(cè)器對(duì)火星大氣開展了全面的探測(cè)，揭示了火星的大氣結(jié)構(gòu)和成分[16-19]。 2012 年著陸的好奇號(hào)(Curiosity)搭載了火星車環(huán)境監(jiān)測(cè)站(Rover Environmental Monitoring Station，REMS)，提供了關(guān)于火星大氣環(huán)流、微尺度天氣系統(tǒng)、局部大氣循環(huán)、紫外線輻射破壞潛力以及地面-大氣相互作用的信息[20-22]。 此外，印度空間研究組織發(fā)射的火星軌道探測(cè)器任務(wù)(Mars Orbiter Mission，MOM)、歐洲空間局發(fā)射的微量氣體探測(cè)器(Trace Gas Orbiter)以及NASA 的洞察號(hào)(In-Sight)火星著陸器也對(duì)火星大氣開展了探測(cè)。上述探測(cè)任務(wù)中與大氣和風(fēng)力探測(cè)相關(guān)的載荷信息如表1 所示。

表1 與火星大氣及風(fēng)力探測(cè)相關(guān)的航天器及有效載荷[8-10， 12-13， 20]Table 1 Spacecrafts and their payloads associated with Martian atmospheric and wind exploration[8-10， 12， 13， 20]

3 火星大氣與風(fēng)力資源概況

3.1 火星大氣概況

火星具有稀薄的大氣，其表面平均大氣壓力約為700 Pa，不及地球的百分之一，表面平均氣溫約為240 K[23]。 火星大氣可分為低層大氣、中層大氣和高層大氣[24]。 火星低層大氣(圖1)是指由火星地表直到45 km 高度之間的大氣層，受地面熱交換影響較大，氣溫隨高度升高而降低，也稱為對(duì)流層。 低層大氣的成分可以看作幾近均質(zhì)的混合物，二氧化碳占95%，氮?dú)鉃?.7%，還有少量的Ar 等氣體[25](表2)。 中層為45～110 km 的大氣，氣溫隨高度變化較小，也稱為恒溫層。 在距地面80 km 處的最低氣溫為92 K，在該區(qū)域二氧化碳能凝結(jié)形成高空云。 而在距地面10 km 和16.5 km 處的高空存在水冰云[23]。 距火星表面110 km 以上的大氣為高層大氣，又稱為電離層。電離層的主要成分為二氧化碳，并因太陽(yáng)輻射而產(chǎn)生離子。 離子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了該區(qū)域大氣不同程度的升溫。

3.2 火星的大氣環(huán)流

圖1 火星的大氣結(jié)構(gòu)及表面風(fēng)的作用(修改自NASA)Fig.1 Martian atmospheric structure and surface wind action (modified from NASA)

表2 火星低層大氣組分[25]Table 2 The composition of the Martian lower atmosphere[25]

火星的大氣環(huán)流復(fù)雜多變，但火星的自轉(zhuǎn)和地球相似，因此火星和地球的大氣環(huán)流也有一定的相似性。 例如，低緯度地區(qū)有沿經(jīng)線方向的哈德萊環(huán)流；在中緯度地區(qū)出現(xiàn)季節(jié)性斜壓旋渦；在地勢(shì)高程差大的地區(qū)出現(xiàn)駐波等(圖2)。 但是火星底層大氣環(huán)流也與地球存在差別，由于火星大氣稀疏且云量少，沒有海洋，故而表面受熱較多?；鹦窍募咀顭岬牡胤讲皇浅嗟绤^(qū)，而是在熱帶或亞熱帶，這導(dǎo)致單一層次的哈德萊環(huán)流從最熱處上升，向南北分開2 個(gè)支流(其中一支跨過(guò)赤道)，到高緯度地區(qū)再進(jìn)行沉降。 冬季半球高緯區(qū)溫度變化大，會(huì)出現(xiàn)周期性的斜壓波來(lái)向上轉(zhuǎn)移能量，維持季節(jié)性CO2極冠云邊緣的東西強(qiáng)急流。 冬季北緯區(qū)，CO2凝結(jié)，氣壓降低，從而產(chǎn)生流向極區(qū)的凝聚流，向極區(qū)轉(zhuǎn)移物質(zhì)。 火星上層氣流從太陽(yáng)直射的照熱區(qū)上升，流向周圍別處，而底層氣流又流向照熱區(qū)，形成熱潮汐風(fēng)[6]。

大氣環(huán)流可以用大氣環(huán)流模型(General Circulation Model，GCM)進(jìn)行模擬，GCM 主要用來(lái)模擬火星低層大氣環(huán)流，其中有一些也可以拓展至中高層大氣。 然而，研究發(fā)現(xiàn)45 km 以上的火星中層大氣運(yùn)動(dòng)對(duì)模型非常敏感，因此很難在沒有足夠的觀測(cè)數(shù)據(jù)的情況下進(jìn)行精確模擬。

3.3 火星的風(fēng)與塵暴

火星大氣中CO2和H2O 含量隨季節(jié)變化，表面大氣壓的局部變化可達(dá)20%。 火星稀薄的大氣在受到太陽(yáng)光照射時(shí)，根本無(wú)法起到保溫作用，因此火星晝半球的溫度可達(dá)27 ℃，而夜半球的溫度低至-133 ℃。 巨大的溫差導(dǎo)致火星上大氣運(yùn)動(dòng)十分劇烈。

火星表面的風(fēng)速主要是由海盜號(hào)、火星探路者號(hào)、好奇號(hào)等多個(gè)火星著陸器測(cè)得。 這些著陸點(diǎn)地表風(fēng)的行為很規(guī)則，一般在2～7 m/s，但也記錄到40 m/s 的狂風(fēng)。 海盜一號(hào)著陸器記錄了其著陸點(diǎn)(北緯22.3°)秋季的風(fēng)速日變化情況：該地區(qū)上午經(jīng)向風(fēng)速較高，下午緯向風(fēng)速增大。 由于火星極冠邊緣在秋冬季的平均溫度梯度大，因此風(fēng)的大小跟季節(jié)有很大關(guān)系。 在冬季，高緯度地區(qū)會(huì)形成約100 m/s 的東向強(qiáng)急流(Jet-Stream)[6]。

火星在經(jīng)度方向上的大氣壓力和溫度差異可造成火星表面巨大的塵暴。 在火星南半球的早春到早秋，旋風(fēng)活動(dòng)非常常見，大氣條件決定了火星塵暴的范圍(局部性的、區(qū)域性的或者全球性的)。 火星全球性塵暴通常發(fā)生在南半球處于夏季時(shí)，此時(shí)火星處于近日點(diǎn)，太陽(yáng)對(duì)大氣的強(qiáng)烈加熱形成了強(qiáng)烈的風(fēng)和旋風(fēng)，這是全球性塵暴的初始階段。 塵暴下部表面的冷卻進(jìn)一步加大了溫度梯度和風(fēng)的強(qiáng)度，這引起了塵暴的擴(kuò)大。 在適當(dāng)?shù)臈l件下，這一機(jī)制將繼續(xù)進(jìn)行，直至火星形成全球性塵暴。 此后火星表面溫度不再變化，風(fēng)速開始下降，最后塵暴消失[26]。

火星表面的揚(yáng)塵及塵暴可對(duì)火星探測(cè)及能源利用造成嚴(yán)重的影響。 火星塵暴曾導(dǎo)致機(jī)遇號(hào)火星車的太陽(yáng)能板被沙塵覆蓋，降低太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)沙塵遮蔽陽(yáng)光，致使火星車難以充電，無(wú)法繼續(xù)工作。 火星塵具有較強(qiáng)的粘附性，易于沉積在探測(cè)器及太陽(yáng)能、風(fēng)能利用裝置的表面，甚至進(jìn)入儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)間隙，造成設(shè)備損壞。 火星塵暴中的強(qiáng)風(fēng)也可導(dǎo)致設(shè)備的傾倒、破壞[27]。

3.4 火星風(fēng)力資源的儲(chǔ)量與分布

開展火星風(fēng)力資源的利用，需要對(duì)火星風(fēng)力資源的儲(chǔ)量及其分布進(jìn)行分析。 對(duì)火星風(fēng)能總儲(chǔ)量的估計(jì)可以采用前人對(duì)可利用風(fēng)能極限的推算方法[28]：風(fēng)能從根本上說(shuō)是來(lái)源于太陽(yáng)能，因此可以通過(guò)估算到達(dá)火星表面的太陽(yáng)輻射有多少能夠轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)能，來(lái)得知可利用的風(fēng)能的總量。Gustavson[8]總結(jié)出到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能輻射流轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)能的轉(zhuǎn)化率η＝0.02，這一轉(zhuǎn)化率與大氣湍流的能量及大氣與地表摩擦所消耗的能量呈正相關(guān)。 由于火星大氣密度不及地球的1%，因此對(duì)于火星，這一轉(zhuǎn)化率應(yīng)小于0.02。 但是，目前尚未有針對(duì)火星的轉(zhuǎn)化率研究結(jié)果，故在此依然使用η＝0.02 進(jìn)行火星風(fēng)能的估算，可為火星風(fēng)能儲(chǔ)量提供上限約束。 據(jù)此，到達(dá)火星表面的太陽(yáng)能輻射流是7.8×1013kW，即538 W/m2，其中 可 以 獲 得 的 風(fēng) 功 率 為1.56 × 1012W， 即10.76 W/m2。 前人通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的模擬得到火星邊界層最高可達(dá)4 km[14，29]，假設(shè)同地球一樣，在整個(gè)火星大氣層中邊界層占有35%[30]，也就是邊界層中能獲得的風(fēng)功率為5.45×1011W，即3.77 W/m2。 較穩(wěn)妥地估計(jì)，在近地層中的風(fēng)能提取極限是它的1/10，即0.37 W/m2，則全球的可利用風(fēng)功率總量就是5.45×1010W。

火星風(fēng)力資源的分布與大氣密度和風(fēng)速的分布密切相關(guān)。 正常情況下，火星表面的大氣密度主要受到高程的影響，Chamitoff 等[12]指出火星表面高程低于-2 km 的區(qū)域具有足夠的大氣密度可供風(fēng)力資源的開發(fā)利用。 依據(jù)MOLA 激光高程數(shù)據(jù)，可以得到火星表面滿足要求的區(qū)域分布圖(圖3，圖中黑色區(qū)域?yàn)楦叱檀笥?2 km)。 另一方面，火星表面的坡度對(duì)于風(fēng)速有重要的影響，較長(zhǎng)的緩坡區(qū)域通常存在較高的風(fēng)能[31]。 例如，1 km以上的斜坡，溫度變化超過(guò)15 ℃，風(fēng)速可以達(dá)到25 m/s[32]。 斜坡區(qū)域的分布如圖4 中白色區(qū)域所示[33]。 此外，局部地形對(duì)于風(fēng)速也有巨大的影響。 在某些環(huán)形山周圍可能存在馬蹄形大氣渦旋，導(dǎo)致較高的風(fēng)速；盾狀火山或大型盆地的低角度斜坡上可能在地表以上25 m 處產(chǎn)生25 ～33 m/s的風(fēng)速；丘陵溝谷的風(fēng)道，風(fēng)力更為可觀。

圖3 火星表面具有較高大氣密度的區(qū)域(高程小于-2 km)[12]Fig.3 The region of the Martian surface with a high atmospheric density ( elevation less than-2 km)[12]

圖4 具有較高風(fēng)能開發(fā)潛力的區(qū)域(白色區(qū)域)[33]Fig.4 The areas with high potential for the exploitation of wind energy (white areas)[33]

4 火星風(fēng)力資源的利用

火星風(fēng)力資源的利用，主要是通過(guò)風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將部分移動(dòng)大氣粒子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能、熱能或機(jī)械能。 一方面利用空氣動(dòng)力升力，一方面利用空氣阻力，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能向機(jī)械能或動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而可通過(guò)風(fēng)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換[3]。

4.1 風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能

從19 世紀(jì)人類就嘗試?yán)蔑L(fēng)力進(jìn)行發(fā)電，時(shí)至今日，風(fēng)力發(fā)電的理論研究日趨完善，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也獲得了巨大的發(fā)展。 風(fēng)能是可再生能源，它占用土地較少，成本相對(duì)較低，不產(chǎn)生溫室氣體，是探索太陽(yáng)系所需能源的一種選擇。 從風(fēng)能中獲得的電能可表示為式(1)。

其中，P為風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的功率，A為風(fēng)機(jī)掃過(guò)的面積，v為風(fēng)速，ρ為大氣密度，c為功率系數(shù)(可以轉(zhuǎn)化為電能的功率量，一般為0.2～0.6)[34]。

可以看出，可提取的電能為風(fēng)速的立方函數(shù)，當(dāng)其它值一定時(shí)，與密度成正比。 假設(shè)火星的大氣密度為0.1665 kg/m3，火星上30 m/s 的風(fēng)將提供與地球上6 m/s 的風(fēng)相同的功率。 由此可見，在火星表面開展風(fēng)力發(fā)電，需要高風(fēng)速或者較大的風(fēng)電渦輪機(jī)直徑才能提供足夠的風(fēng)能。 高風(fēng)速條件較易滿足，但火星上每天和每個(gè)季節(jié)的可用風(fēng)能很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，因此如果發(fā)電裝置輸出功率隨季節(jié)和日變化較大，就需要風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)有大量?jī)?chǔ)能的能力。

在火星表面進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，需要對(duì)風(fēng)電機(jī)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。 當(dāng)前的風(fēng)力渦輪機(jī)主要分為水平軸和垂直軸渦輪機(jī)兩類。 水平軸(螺旋槳式)渦輪機(jī)(HAWT)的葉片通常可以在大范圍的風(fēng)速范圍內(nèi)傾斜以獲取能量。 Ferrell 等[35]設(shè)計(jì)了可用于火星風(fēng)力發(fā)電的HAWT，采用18 m 直徑風(fēng)機(jī)可在風(fēng)速為13 m/s 的情況下產(chǎn)生2.5 kW的功率；采用直徑30 m 的風(fēng)機(jī)可在25 m/s的風(fēng)速下產(chǎn)生28 kW 的功率。 該風(fēng)機(jī)的葉片弦長(zhǎng)是地球上類似渦輪機(jī)的3 倍，葉片厚度為地面渦輪的1.5 倍。 垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)(VAWT)可以接受任何方向的風(fēng)，這類風(fēng)機(jī)可以改變?nèi)~片的螺距來(lái)捕捉低速風(fēng)。 Haslach[18]提出了火星VAWT的設(shè)計(jì)概念，可在21.5 m 的登陸艇上安裝一個(gè)17.25 m 高的風(fēng)機(jī)，估計(jì)重量為175 kg。 在功率系數(shù)c為0.47 的條件下，這種風(fēng)機(jī)可在25 m/s的風(fēng)速下產(chǎn)生12 kW 的功率。 此外，James 等[2]還設(shè)計(jì)了多種帶有浮力裝置如由氣球拖曳的VAWT，以保證風(fēng)機(jī)所處的位置具有較高的風(fēng)速。

4.2 風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能

火星風(fēng)能可通過(guò)多種方式轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以支持人類未來(lái)的火星探測(cè)活動(dòng)。 目前已經(jīng)提出的方案包括地表風(fēng)滾草(Tumbleweed Rover)探測(cè)器、低空翼型飛行器、高空懸浮氣球等[36]。 其中，風(fēng)滾草及火星滑翔機(jī)已經(jīng)開展了多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，取得了較大的進(jìn)展。

4.2.1 風(fēng)滾草探測(cè)器

對(duì)火星表面原位資源的長(zhǎng)期調(diào)查可以很容易地用一組風(fēng)滾草完成。 風(fēng)滾草探測(cè)器是一種利用火星風(fēng)以最小的功率穿越火星表面的車輛，它們具有在相對(duì)較大的地形起伏條件下開展各項(xiàng)探測(cè)的能力。 這些低成本的探測(cè)器填補(bǔ)了軌道勘測(cè)和著陸巡視器之間的空白，能夠進(jìn)行區(qū)域化的相對(duì)精細(xì)的研究。

風(fēng)滾草質(zhì)量輕、成本低、使用簡(jiǎn)單。 風(fēng)滾草車隊(duì)可用于遠(yuǎn)程隨機(jī)調(diào)查，其功能相當(dāng)于傳統(tǒng)的坐標(biāo)網(wǎng)格采樣。 許多潛在揮發(fā)分資源(如H2O、CH4等)的梯度也將趨向于遵循風(fēng)載軌跡，從而使車輛的機(jī)動(dòng)性模式與可能的目標(biāo)資源良好匹配。 風(fēng)滾草可適當(dāng)?shù)赜糜诘孛婧徒孛嫜惨暎ㄟ^(guò)將各種儀器進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，風(fēng)滾草探測(cè)器將能夠集成多種功能，服務(wù)于各種勘測(cè)任務(wù)。 預(yù)計(jì)幾年內(nèi)，氣相色譜質(zhì)譜儀(GC-MS)和探地雷達(dá)(GPR)等儀器將部署在風(fēng)滾草車上。 基于大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，目前充氣(圖5)和可展開結(jié)構(gòu)的風(fēng)滾草發(fā)展最為成熟[37-41]。不同結(jié)構(gòu)的風(fēng)滾草可以提供在不同地形上運(yùn)行的能力，并適應(yīng)各種各樣的儀器包，使它們適合于區(qū)域性自然資源的自主調(diào)查[42]。

圖5 充氣式風(fēng)滾草內(nèi)部部件的系統(tǒng)圖[6]Fig.5 A system diagram showing the inflatable Tumbleweed internal components[6]

4.2.2 火星滑翔機(jī)

火星表面具有復(fù)雜的地形地貌，如寬而深的峽谷、高大的火山、懸崖等。 火星車難以到達(dá)這些區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，因此，Bouskela 等[43]提出了“火星充氣滑翔機(jī)”的設(shè)計(jì)理念。 該滑翔機(jī)重5 kg，通過(guò)一個(gè)24 kg 的立方體衛(wèi)星進(jìn)行部署。 滑翔機(jī)可攜帶分辨率達(dá)0.01 m/pixel 的相機(jī)以11 ～100 m/s的速度對(duì)火星表面開展照相勘察。 滑翔機(jī)本身不具有推進(jìn)裝置，其依靠充氣機(jī)翼采用動(dòng)力氣流滑翔技術(shù)(dynamic soaring)在火星大氣層中長(zhǎng)時(shí)間高速飛行。 滑翔機(jī)將探測(cè)并飛入具有合適的風(fēng)速垂直梯度的水平風(fēng)場(chǎng)以積累額外的動(dòng)能和勢(shì)能，結(jié)合滑翔機(jī)上的自動(dòng)控制系統(tǒng)，將能夠持續(xù)飛行數(shù)日。 這種技術(shù)已經(jīng)在地球上得到了應(yīng)用，但由于火星大氣密度隨季節(jié)變化較大，需要開展充分的計(jì)算機(jī)模擬和詳盡的任務(wù)規(guī)劃。

5 火星風(fēng)力資源利用中存在的問題

5.1 對(duì)火星風(fēng)力資源的分布缺乏精細(xì)化評(píng)估

火星表面風(fēng)力資源的分布與大氣密度和風(fēng)速密切相關(guān)，它們又受高程、局部地形、火星大氣環(huán)流的變化等因素的影響。 當(dāng)前的少量研究?jī)H對(duì)火星風(fēng)能的全球分布開展了整體性分析，提出了火星表面風(fēng)力資源相對(duì)較高的區(qū)域，但尚未根據(jù)各個(gè)區(qū)域開展精細(xì)化的風(fēng)力資源模擬與測(cè)算，未能將地形地貌與大氣環(huán)流模型相結(jié)合，得到較為準(zhǔn)確的風(fēng)力資源儲(chǔ)量估計(jì)。 此外，風(fēng)速和風(fēng)向復(fù)雜多變，過(guò)短的觀測(cè)資料不能準(zhǔn)確反映火星上某處的風(fēng)況，必須有較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)資料積累，而當(dāng)前的火星風(fēng)況觀測(cè)數(shù)據(jù)積累不足也制約了火星風(fēng)力資源的精細(xì)化評(píng)估。

5.2 風(fēng)電設(shè)備的設(shè)計(jì)與建造技術(shù)尚不成熟

火星風(fēng)電設(shè)備的設(shè)計(jì)需要緊密結(jié)合火星的實(shí)際條件。 火星與地球在大氣成分及密度、表面環(huán)境、物理場(chǎng)等多個(gè)方面存在巨大的差異，因而需要結(jié)合火星特殊的環(huán)境(表面溫差大、低溫與低重力)對(duì)風(fēng)機(jī)的材料、設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，制作出適合火星的風(fēng)機(jī)模型。

另外，風(fēng)電機(jī)設(shè)備是龐大的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 在火星上搭建風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)尚存在諸多困難。風(fēng)電設(shè)備龐大的體積與重量將對(duì)人類的運(yùn)輸能力產(chǎn)生巨大的挑戰(zhàn)；火星表面的塵埃也會(huì)對(duì)電子設(shè)備、機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生影響甚至破壞風(fēng)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[44]；風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的系統(tǒng)可靠性、在火星表面的易維護(hù)性以及對(duì)火星環(huán)境的影響也缺乏研究[2，45]。

5.3 風(fēng)能與其他能源的聯(lián)合使用有待進(jìn)一步研究

風(fēng)能是一種可變資源，風(fēng)力發(fā)電受外界環(huán)境如風(fēng)速變化、天氣條件等的影響較大，存在一定的不穩(wěn)定性。 在地球上，風(fēng)速需要大于5 m/s 才適宜發(fā)電，且風(fēng)力越大，經(jīng)濟(jì)效益越高，但風(fēng)力又不能超過(guò)發(fā)電設(shè)備的應(yīng)力極限。 從技術(shù)應(yīng)用的角度講，低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)力資源分散、風(fēng)況條件復(fù)雜，對(duì)風(fēng)能發(fā)電設(shè)備的要求較高，許多技術(shù)難點(diǎn)需要突破。 因此，在火星基地的建設(shè)中，可以結(jié)合具體的能源需求，與太陽(yáng)能、地?zé)崮堋⒑四艿榷喾N能源聯(lián)用，方可為火星基地提供持續(xù)的充足的能源供給。

6 結(jié)論與展望

本文對(duì)火星風(fēng)能的探測(cè)歷史、當(dāng)前的認(rèn)識(shí)及利用途徑進(jìn)行了綜合分析，提出了火星風(fēng)力資源利用中尚存的問題。 針對(duì)上述問題，未來(lái)開展火星風(fēng)力資源的利用研究存在以下趨勢(shì)和方向：

1) 需要加強(qiáng)對(duì)火星大氣環(huán)境與風(fēng)力條件的探測(cè)。 可通過(guò)多次火星原位探測(cè)，以及利用風(fēng)滾草等新技術(shù)方法，對(duì)火星更多區(qū)域開展長(zhǎng)時(shí)間的原位探測(cè)，以搜集更多的數(shù)據(jù)，為精細(xì)化評(píng)估火星風(fēng)力資源提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2) 需要結(jié)合火星環(huán)境條件開展風(fēng)電設(shè)備的研究。 當(dāng)前風(fēng)力渦輪機(jī)的總體趨勢(shì)是加高塔架、加長(zhǎng)葉片并增大功率。 在火星上建設(shè)風(fēng)電設(shè)備，需要盡可能減輕設(shè)備質(zhì)量，采用新材料、新設(shè)計(jì)使風(fēng)電系統(tǒng)能夠適應(yīng)低溫、塵暴等火星的惡劣氣候條件。 同時(shí)，需要加強(qiáng)對(duì)低溫低壓下的電能存儲(chǔ)技術(shù)和多種發(fā)電方式聯(lián)用技術(shù)的研究。

3) 應(yīng)積極探索新技術(shù)在風(fēng)力資源開發(fā)中的應(yīng)用。 目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開展了先進(jìn)的模糊控制算法如自適應(yīng)模糊控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等在風(fēng)電領(lǐng)域中應(yīng)用的研究，針對(duì)變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，使用模糊邏輯控制進(jìn)行電壓和功率調(diào)節(jié)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制槳距調(diào)節(jié)及預(yù)測(cè)風(fēng)輪氣動(dòng)特性，以達(dá)到獲取最大能量、保證可靠運(yùn)行的目標(biāo)。 這些新技術(shù)可以嘗試應(yīng)用于火星這種變速風(fēng)力場(chǎng)系統(tǒng)中[46]。同時(shí)，一些非常規(guī)的風(fēng)能收集方法包括無(wú)需旋轉(zhuǎn)裝置的無(wú)葉片風(fēng)力渦輪機(jī)、高空風(fēng)力渦輪機(jī)等也可以嘗試應(yīng)用在火星環(huán)境中。

綜上，建議對(duì)火星風(fēng)力資源的利用需要在火星探測(cè)與開發(fā)的不同階段循序漸進(jìn)：在火星探測(cè)的初步階段，可利用風(fēng)滾草探測(cè)器、火星滑翔機(jī)等對(duì)火星表面開展地形地貌、資源環(huán)境的調(diào)查與勘測(cè)；在火星基地建設(shè)的早期，宜采用技術(shù)相對(duì)成熟、材料可從地球運(yùn)送的小型風(fēng)機(jī)，結(jié)合太陽(yáng)能發(fā)電裝置，為基地建設(shè)提供能源；在火星基地建設(shè)完成后，可因地制宜，利用火星表面的礦產(chǎn)資源制造大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，為火星基地的長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)提供可持續(xù)的能源供應(yīng)。