歐東斌，曾 徽，張 智，楊國(guó)銘，文 鵬

（中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074）

0 引言

火星是太陽(yáng)系中除金星之外距離地球最近的行星?；鹦桥c地球的某些物理特性類(lèi)似，加之其所具有的獨(dú)特地形地貌，已成為一顆承載著人類(lèi)諸多夢(mèng)想的星球，也是人類(lèi)目前發(fā)射探測(cè)器最多的行星?；鹦翘綔y(cè)起步于20 世紀(jì)60 年代，截至目前共實(shí)施了近50 次探測(cè)活動(dòng)，但大部分任務(wù)因故障而失敗，只有較少的任務(wù)取得部分或完全成功?；鹦翘剿黜?xiàng)目也是我國(guó)深空探測(cè)工程的重要組成部分：2020 年7 月23 日發(fā)射的“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器，于2021 年5 月15 日成功著陸火星，一次實(shí)現(xiàn)了環(huán)繞、著陸和巡視探測(cè)三大任務(wù)，是中國(guó)航天走向更遠(yuǎn)深空的里程碑工程。

對(duì)火星進(jìn)入器而言，更關(guān)注火星大氣成分及溫度、壓力等數(shù)據(jù)隨高度的變化趨勢(shì)。美國(guó)“海盜號(hào)”（Viking）著陸器利用所攜帶的質(zhì)譜儀對(duì)火星低層大氣成分進(jìn)行了探測(cè)，顯示火星大氣由體積分?jǐn)?shù)95.3%CO、2.7%N、1.6%Ar 和極少量的O、CO、水蒸氣組成，這與地球大氣有顯著差別。正是由于大氣成分和進(jìn)入軌道的差異，火星進(jìn)入器所面臨的氣動(dòng)熱環(huán)境同地球返回器也有很大不同；鑒于熱防護(hù)材料的響應(yīng)在很大程度上取決于環(huán)境流場(chǎng)的化學(xué)成分，在CO氛圍中開(kāi)展熱環(huán)境模擬及熱防護(hù)試驗(yàn)將為火星進(jìn)入器更精確的防熱建模和考核評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持，促進(jìn)防熱設(shè)計(jì)優(yōu)化。

本文簡(jiǎn)述國(guó)外典型火星進(jìn)入器及其氣動(dòng)熱環(huán)境模擬，回顧國(guó)內(nèi)外在電弧風(fēng)洞和高頻感應(yīng)風(fēng)洞中進(jìn)行火星進(jìn)入器熱防護(hù)試驗(yàn)方面的研究進(jìn)展，對(duì)火星進(jìn)入器熱防護(hù)試驗(yàn)需要開(kāi)展的工作方向給出建議，以期為我國(guó)后續(xù)火星探測(cè)項(xiàng)目的成功開(kāi)展提供參考。

1 典型火星進(jìn)入器及氣動(dòng)熱環(huán)境

以美國(guó)已經(jīng)著陸火星的進(jìn)入器為例：Viking 1/2火星進(jìn)入器呈扁平狀70°球錐的基本氣動(dòng)布局，進(jìn)入器以4.5 km/s 的較低速度和-11°的配平攻角按升力式進(jìn)入火星大氣層；“火星探路者”（Mars Pathfinder）同樣采用70°球錐布局，尺寸比Viking小，進(jìn)入器跳過(guò)繞火階段，直接以7.48 km/s 的速度零攻角進(jìn)入火星大氣層，因進(jìn)入速度較高，其氣動(dòng)力/熱環(huán)境遠(yuǎn)比Viking 的復(fù)雜，同時(shí)出現(xiàn)了湍流、燒蝕和輻射等復(fù)雜氣動(dòng)問(wèn)題；后續(xù)的“火星探測(cè)車(chē)”（MER A/B）和“鳳凰號(hào)”（Phoenix）均為彈道式進(jìn)入，并充分運(yùn)用了以往研究成果，其任務(wù)前的氣動(dòng)力/熱數(shù)據(jù)多來(lái)自于數(shù)值模擬，初步形成火星氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)；“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”（MSL）最大直徑4.5 m，以配平攻角-16°、進(jìn)入速度5.6 km/s 按升力式進(jìn)入火星大氣層；“毅力號(hào)”（Perseverance）與MSL 類(lèi)似；“洞察號(hào)”（Insight）的外形和進(jìn)入方式均與Phoenix類(lèi)似。表1 總結(jié)了部分火星進(jìn)入器的相關(guān)參數(shù)對(duì)比，包括相應(yīng)的熱環(huán)境條件以及進(jìn)入器大底所采用的熱防護(hù)材料類(lèi)型等。

表1 幾種美國(guó)火星進(jìn)入器的參數(shù)比較Table 1 Comparison among parameters of several Mars entry vehicles developed by the United States

火星大氣層進(jìn)入過(guò)程和地球再入有相似之處，但差異更大，特別是進(jìn)入器身處火星大氣環(huán)境，其進(jìn)入過(guò)程為非空氣介質(zhì)的高速流動(dòng)，將產(chǎn)生特殊且嚴(yán)重的氣動(dòng)和防熱問(wèn)題。從氣動(dòng)來(lái)講，流動(dòng)呈現(xiàn)高馬赫數(shù)、低雷諾數(shù)、流動(dòng)稀薄等特點(diǎn)；從防熱來(lái)講，高超聲速火星氣體流動(dòng)同樣伴有激波層離解和電離、熱力學(xué)和化學(xué)非平衡、表面催化和燒蝕等真實(shí)氣體效應(yīng)，但CO主導(dǎo)的離解反應(yīng)機(jī)理、平衡/非平衡狀態(tài)和表面熱狀態(tài)有別于空氣。由此增加了火星進(jìn)入熱環(huán)境的預(yù)測(cè)難度，同時(shí)也對(duì)地面氣動(dòng)熱環(huán)境模擬和熱防護(hù)試驗(yàn)提出新的挑戰(zhàn)。

Reynier綜述了蘇聯(lián)/俄羅斯、美國(guó)和歐洲在火星探測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行的空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)熱力學(xué)的研究進(jìn)展，按型號(hào)（重點(diǎn)關(guān)注Viking 和Pathfinder）分析了收集的大量飛行、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，目的是建立一個(gè)關(guān)于火星進(jìn)入的氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，為未來(lái)任務(wù)做好準(zhǔn)備工作，并發(fā)展有關(guān)輻射傳熱、化學(xué)動(dòng)力學(xué)等的新模型。Reynier 總結(jié)了與火星進(jìn)入器設(shè)計(jì)有關(guān)的2 個(gè)主要不確定因素——預(yù)測(cè)前體湍流加熱的能力以及CO環(huán)境下的表面催化作用。

Wright 等指出，相比之前型號(hào)，MSL 著陸器由于大殼體尺寸（直徑4.5 m）、高彈道系數(shù)和非零攻角的組合，在彈道早期前體發(fā)生了轉(zhuǎn)捩。圖1 給出了MSL 層流和湍流條件下的中心線(xiàn)熱流、壓力和剪切力比較。可以看出，湍流極大改變了施加在物面上的氣動(dòng)熱環(huán)境條件，湍流熱流密度超過(guò)層流加熱峰值的2.5 倍，剪應(yīng)力也增加了相同的倍數(shù)。事實(shí)上，正是由于轉(zhuǎn)捩導(dǎo)致的高熱流條件，加上在電弧風(fēng)洞試驗(yàn)中觀(guān)察到的超輕燒蝕（SLA-561V）材料的故障（將在第2 章詳述），NASA 最終決定將MSL 的表面燒蝕材料由SLA-561V 改為酚醛浸漬碳燒蝕（PICA）材料。

圖1 預(yù)測(cè)的MSL 層流和湍流中心線(xiàn)熱流、壓力和剪切力比較[6]Fig. 1 Comparison of predicted MSL laminar and turbulent centerline heat flow, pressure, and shear stress[6]

一些模型表明：在模擬的火星大氣中由于催化作用而產(chǎn)生的熱流增量大約是地球空氣中的2 倍，復(fù)合反應(yīng)CO+O→CO和防熱材料表面O+O→O被證明可能是總熱流增加的重要因素。圖2 顯示了使用不同催化模型預(yù)測(cè)的早期MSL 設(shè)計(jì)軌跡峰值加熱點(diǎn)處的湍流熱流密度，峰值熱流從非催化表面的約47 W/cm到催化表面的125 W/cm，變比超過(guò)2.5 倍。后期的MSL 設(shè)計(jì)軌跡顯示出更高的總熱流，但非催化和催化預(yù)測(cè)之間的比例幾乎相同。

圖2 催化對(duì)MSL 預(yù)測(cè)湍流中心線(xiàn)加熱的影響[11]Fig. 2 Effect of catalysis on MSL prediction of turbulent centerline heating[11]

2 電弧風(fēng)洞火星熱防護(hù)試驗(yàn)研究進(jìn)展

電弧風(fēng)洞因其可以提供較為真實(shí)的氣動(dòng)加熱環(huán)境，自20 世紀(jì)50 年代以來(lái)一直是各類(lèi)高超聲速飛行器地面熱防護(hù)試驗(yàn)的核心設(shè)備。針對(duì)火星進(jìn)入器熱環(huán)境模擬及熱防護(hù)試驗(yàn)特點(diǎn)，自20 世紀(jì)70 年代起，國(guó)內(nèi)外采用電弧加熱設(shè)備對(duì)大量工程型號(hào)，例 如， Viking、 Pathfinder、 MER A/B、MSL、“火星快車(chē)”（Mars Express）、“小獵犬2 號(hào)”（Beagle-2）及“天問(wèn)一號(hào)”等，進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，以考查防熱材料/結(jié)構(gòu)燒蝕特性，為防熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供支撐。另外，除明確的工程型號(hào)需求外，美國(guó)NASA 蘭利研究中心（LRC）、 約翰遜航天中心（JSC），德國(guó)宇航中心（DLR），意大利宇航中心（CIRA），以及中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院（CAAA）等機(jī)構(gòu)均在電弧風(fēng)洞中進(jìn)行過(guò)CO介質(zhì)運(yùn)行試驗(yàn)或評(píng)估，詳見(jiàn)表2。

表2 國(guó)內(nèi)外利用電弧風(fēng)洞開(kāi)展火星熱防護(hù)試驗(yàn)研究概況Table 2 Survey of Martian thermal protection tests using arc wind tunnel at home and abroad

2.1 工程性試驗(yàn)

Strauss介紹了針對(duì)Viking 候選防熱材料所開(kāi)展的不同氣氛的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：大氣成分對(duì)超輕燒蝕材料（SLA）表面燒蝕后退量、質(zhì)量損失或碳層厚度均無(wú)明顯影響，但尼龍酚醛材料的線(xiàn)燒蝕率和質(zhì)量燒蝕率往往隨著氣體中氧含量的增加而增加。Congdon 等回顧了Viking 熱防護(hù)試驗(yàn)，研究不同大氣組分（空氣，N，質(zhì)量分?jǐn)?shù)28%CO+72%N，質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%CO+50%N）對(duì)不同材料（SLA-561/741/651）燒蝕性能的影響，以期為熱化學(xué)燒蝕建模提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)未能揭示出強(qiáng)烈依賴(lài)于大氣成分的一致影響規(guī)律。

Viking 數(shù)據(jù)庫(kù)在20 世紀(jì)90 年代早期得到擴(kuò)展，包括Pathfinder 任務(wù)的進(jìn)入加熱環(huán)境在內(nèi)，所有后續(xù)的火星任務(wù)都依賴(lài)于擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫(kù)。Pathfinder使用的SLA-561V 驗(yàn)證試驗(yàn)僅僅利用了標(biāo)準(zhǔn)的地球大氣環(huán)境。Tran 等描述了在NASA ARC TDF 2″×9″湍流導(dǎo)管設(shè)備中為噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）開(kāi)發(fā)Pathfinder 熱防護(hù)電弧試驗(yàn)的結(jié)果，評(píng)估了SLA-561V 在空氣介質(zhì)中剪切條件下的性能和幾種修復(fù)方法的有效性，試驗(yàn)結(jié)果顯示：SLA-561V 的性能表現(xiàn)良好，即使在峰值條件下，碳層仍然保持完整；但大多數(shù)用作修補(bǔ)和填充物的樹(shù)脂的性能表現(xiàn)都很差。Tran 等還對(duì)Pathfinder 在NASA ARC IHF 60 MW 電弧風(fēng)洞中進(jìn)行的平板試驗(yàn)進(jìn)行了描述，評(píng)估燒蝕材料的性能，測(cè)量燒蝕材料內(nèi)部和蜂窩結(jié)構(gòu)背面的溫度。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在任何模型上均未觀(guān)察到燒蝕材料的失效，但隨著試驗(yàn)壓力的增加，試驗(yàn)后模型表面粗糙度顯著增加。Willcockson介紹了Pathfinder 防熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)：受試驗(yàn)?zāi)芰ο拗?，Pathfinder 沒(méi)有進(jìn)行CO介質(zhì)中的燒蝕試驗(yàn)，所有試驗(yàn)都在空氣介質(zhì)中進(jìn)行。

MSL 在A(yíng)EDC H2 和NASA ARC IHF 上均進(jìn)行了大量試驗(yàn)，包括駐點(diǎn)燒蝕和平板剪切試驗(yàn)。由于MSL 尺寸的增加以及MSL 任務(wù)的熱環(huán)境比之前火星任務(wù)中的最高熱流（Pathfinder 任務(wù)中的105 W/cm）還要高約2 倍，在MSL 熱防護(hù)系統(tǒng)的早期開(kāi)發(fā)中決定繼續(xù)使用SLA-561V 作為燒蝕材料。因?yàn)檫@種材料在駐點(diǎn)滯止流動(dòng)中表現(xiàn)得相當(dāng)好，顯示出形成玻璃狀熔體層的跡象（參見(jiàn)圖3）。但由于該防熱材料在進(jìn)入火星大氣層時(shí)將首次經(jīng)歷湍流和高剪切環(huán)境，所以在平板、楔形和后掠圓柱體等各種電弧設(shè)備中進(jìn)行試驗(yàn)，以確定剪切對(duì)該材料的影響。結(jié)果在這些測(cè)試過(guò)程中，飛行包絡(luò)線(xiàn)內(nèi)的一系列條件導(dǎo)致了SLA-561V 的災(zāi)難性故障（見(jiàn)圖4），促使NASA 最終決定用PICA 取代SLA-561V。且由于PICA 不能整體大面積成型，還對(duì)不同尺寸拼接的局部結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了大量燒蝕試驗(yàn)，包括確定PICA 裝配間隙，以及損壞和維修等特殊情況下的電弧風(fēng)洞試驗(yàn)。為了彌補(bǔ)無(wú)法在CO中進(jìn)行測(cè)試的局限，PICA 的響應(yīng)模型通過(guò)改變?cè)贜ASA JSC 電弧噴射測(cè)試中氧含量的百分比來(lái)予以間接驗(yàn)證。需要注意的是，在空氣中和在CO中測(cè)試的區(qū)別之一是可用氧的量，而富氧環(huán)境與CO環(huán)境對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響是否相當(dāng)其實(shí)是個(gè)未知數(shù)。

圖3 SLA-561V 樣品的電弧駐點(diǎn)燒蝕試驗(yàn)結(jié)果[20]Fig. 3 The stagnation materials of SLA-561V arc test[20]

圖4 SLA-561V 樣品的電弧平板剪切試驗(yàn)結(jié)果[20]Fig. 4 The panel materials of SLA-561V after arc test[20]

Labaste 等介紹，在MarsExpress 項(xiàng)目中為對(duì)Beagle-2 著陸器進(jìn)行防熱考核，曾對(duì)EADS SIMOUN進(jìn)行改造以滿(mǎn)足CO氣氛運(yùn)行環(huán)境；Sauvage 等則介紹了在SIMOUN 電弧風(fēng)洞中添加粒子以模擬火星大氣沙暴環(huán)境的試驗(yàn)，但試驗(yàn)結(jié)果的詳細(xì)報(bào)道不多。

CAAA 針對(duì)我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)需求，設(shè)計(jì)和建立了電弧風(fēng)洞火星熱環(huán)境模擬及熱防護(hù)試驗(yàn)方法和平臺(tái)，完成了大流量CO和N供氣，CO 監(jiān)測(cè)防范和處理等系統(tǒng)研制，可以在電弧功率最大10 MW、97%CO流量最大300 g/s 下復(fù)現(xiàn)火星進(jìn)入器的真實(shí)氣動(dòng)加熱環(huán)境，并完成了典型低密度蜂窩增強(qiáng)防熱材料和中密度纖維增強(qiáng)防熱材料試驗(yàn)（見(jiàn)圖5）。結(jié)果顯示，CO介質(zhì)中防熱材料的表面溫度和背壁溫度與空氣介質(zhì)中的差別不大，兩者的表面燒蝕形貌均為良好，能夠滿(mǎn)足峰值熱流與總加熱量考核的要求。

圖5 “天問(wèn)一號(hào)”熱防護(hù)材料電弧風(fēng)洞試驗(yàn)前/后照片[26]Fig. 5 The Tianwen-1’s thermal protection material before and after arc heated wind tunnel test[26]

2.2 研究性試驗(yàn)

NASA LRC 對(duì)高超聲速材料環(huán)境測(cè)試系統(tǒng)（HYMETS）（圖6）設(shè)備專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了改進(jìn)，以提供CO測(cè)試環(huán)境，目前HYMETS 可以模擬體積分?jǐn)?shù)為71%CO、24%N和5%Ar 的火星大氣環(huán)境，其各氣體組分的加入位置見(jiàn)圖7，需注意，過(guò)高比例的CO會(huì)導(dǎo)致不可接受的鎢陰極氧化，損壞加熱器。Splinter 等比較測(cè)量了地球和火星進(jìn)入環(huán)境的差異，在標(biāo)準(zhǔn)地球大氣、富氧地球大氣和火星大氣3 種條件下進(jìn)行了比較，以評(píng)估用富氧地球大氣替代高比例CO火星大氣進(jìn)行測(cè)試的充分性；通過(guò)比較3 種模擬氣氛環(huán)境在同一設(shè)備設(shè)定值（流量和電流）下的容積焓、熱流和駐點(diǎn)壓力，評(píng)估了模擬氣氛對(duì)設(shè)備性能的影響。試驗(yàn)得到如下結(jié)論：1）模擬火星大氣的焓值高于標(biāo)準(zhǔn)和富氧地球大氣；2）火星環(huán)境下完全催化和非催化熱流在不同流量和電流下有不同的結(jié)果，與地球環(huán)境比較沒(méi)有明顯的差異規(guī)律；3）駐點(diǎn)壓力有與熱流一樣的變化趨勢(shì)；4）富氧地球大氣和模擬火星大氣雖然O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一樣，但獲得的焓、熱流和壓力結(jié)果不一樣；5）不同氣氛等離子體射流顏色存在差異，地球大氣偏橙紅色而火星大氣偏淡藍(lán)色。

圖6 NASA LRC 的HYMETS 設(shè)備[29]Fig. 6 Equipment of HYMETS in NASA LRC[29]

圖7 HYMETS 電弧加熱器進(jìn)氣位置示意[29]Fig. 7 Schematic diagram of gas inlet of HYMETS arc heater[29]

Danehy 等在HYMETS 中利用發(fā)射光譜法研究了SiC 和PICA 在N（95%N+5%Ar）、模擬地球大氣（75%N+20%O+5%Ar）和模擬火星大氣（71%CO+24%N+5%Ar）中材料燒蝕光譜特性及脫體激波距離的變化。Szalai 等在HYMETS 中的空氣和CO測(cè)試環(huán)境下，對(duì)7 種燒蝕候選材料進(jìn)行了篩選試驗(yàn)，測(cè)量每個(gè)試樣的燒蝕后退、質(zhì)量損失以及表面/背面溫度，結(jié)果與空氣環(huán)境相比，一些材料在CO環(huán)境中的燒蝕程度明顯增加（參見(jiàn)圖8和圖9）。

圖8 材料在HYMETS 燒蝕試驗(yàn)中的試驗(yàn)截圖[28]Fig. 8 Screenshots of HYMETS test in air (a) and CO2 (b) [28]

圖9 PICA 樣品在HYMETS 燒蝕試驗(yàn)后的剖切圖[28]Fig. 9 Sectional view of PICA sample after test in air (b) and CO2 (c)[28]

Papa 等介紹了NASA JSC 大氣再入材料和結(jié)構(gòu)評(píng)估設(shè)備（ARMSEF）將CO作為第3 種獨(dú)立控制測(cè)試氣體（N、O外）的工作，為大尺度模型精確模擬火星再入環(huán)境開(kāi)辟了可能性。相比HYMETS 400 kW 的運(yùn)行功率，JSC 擁有13 MW 電弧功率的能力，于2008 年在電弧射流中以4 種不同的氧含量氣氛對(duì)PICA 材料進(jìn)行了測(cè)試（見(jiàn)圖10），以更好地了解原子氧對(duì)這種材料性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示材料燒蝕與氧含量之間存在明顯的相關(guān)性。目前，JSC 電弧射流中CO測(cè)試氣體的最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，并在其試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中特別提到CO 聚集和C 沉積等對(duì)設(shè)備帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)以及應(yīng)對(duì)措施。文獻(xiàn)還對(duì)雙光子吸收激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)（2P-LIF）及其在電弧射流診斷中的應(yīng)用進(jìn)行了描述，提出了未來(lái)要開(kāi)展的工作：1）97%CO+3%N真實(shí)火星大氣的模擬；2）將電弧功率和CO供氣能力分別提升至13 MW 和272 g/s；3）火星沙暴模擬。

圖10 PICA 在不同氧含量氣氛下的燒蝕試驗(yàn)結(jié)果[22]Fig. 10 Ablation test results of PICA of different oxygen contents in atmosphere[22]

DLR L2K 中也進(jìn)行了CO/N混合氣體的電弧風(fēng)洞試驗(yàn)，Koch 等使用97%CO+3%N的混合氣體模擬火星大氣，在焓值為13.1 MJ/kg 和8.3 MJ/kg 的條件下進(jìn)行了試驗(yàn)，除壓力分布和冷壁熱流密度測(cè)量外，還采用發(fā)射光譜和NO、CO激光誘導(dǎo)熒光（LIF）技術(shù)得到了自由流區(qū)和模型前激波層的空間分辨的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度和濃度分布；另外，使用粒子流模擬火星大氣中的沙塵暴場(chǎng)景，驗(yàn)證了ExoMars 所用Norcoat Liège 防熱材料的抗粒子侵蝕特性，并首次在L2K 上測(cè)量了顆粒速度。Gulhan等通過(guò)高焓氣流和CO/N的駐點(diǎn)對(duì)比試驗(yàn)表明，原子氧與流動(dòng)邊界層或材料表面的復(fù)合是增加表面熱流的影響參數(shù)。

CIRA Scirocco 70 MW 電弧風(fēng)洞擬對(duì)設(shè)備進(jìn)行CO介質(zhì)運(yùn)行改造，計(jì)算了氣體組分并評(píng)估分析了運(yùn)行可行性。Marieua 等研究了在一定溫度和壓力范圍內(nèi)混合物（100%CO和95%CO+5%N）平衡組分，然后采用準(zhǔn)一維平衡和非平衡N-S 方程對(duì)噴管流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，給出了電弧風(fēng)洞在CO介質(zhì)中的理論性能，同時(shí)發(fā)現(xiàn)電弧風(fēng)洞在CO介質(zhì)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的C 元素并在加熱器內(nèi)部積碳，故建議運(yùn)行后檢修加熱器。國(guó)內(nèi)朱超等也開(kāi)展了類(lèi)似的研究，但未見(jiàn)有相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果報(bào)道。

CAAA 研發(fā)了一套300 kW 研究型電弧加熱平臺(tái)，系統(tǒng)研究了空氣和CO介質(zhì)的氣動(dòng)熱環(huán)境差異（部分結(jié)果參見(jiàn)圖11）以及介質(zhì)對(duì)電弧加熱器電熱特性、電極侵蝕特性的影響規(guī)律；并設(shè)計(jì)和建立了電弧風(fēng)洞等離子體光譜特性測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電弧加熱等離子體輻射光譜特性的在線(xiàn)、實(shí)時(shí)測(cè)量，獲得了模擬火星大氣氣氛下的電弧加熱器輻射光譜、電極侵蝕、材料燒蝕和自由流靜溫及關(guān)鍵組分CO 濃度的在線(xiàn)定量測(cè)量結(jié)果。

圖11 空氣和CO2 介質(zhì)下的電弧風(fēng)洞等離子體射流截圖Fig. 11 Screenshots of air (a) and CO2 (b) plasma jets (by CAAA)

3 高頻感應(yīng)風(fēng)洞火星熱防護(hù)試驗(yàn)研究進(jìn)展

與電弧加熱器相比，高頻感應(yīng)耦合等離子體（Inductively Coupled Plasma, ICP）風(fēng)洞無(wú)需電極產(chǎn)生等離子體，是一種能夠提供無(wú)電極燒蝕產(chǎn)物污染的純凈高溫高速氣流環(huán)境的地面模擬設(shè)備，是開(kāi)展高溫真實(shí)氣體效應(yīng)和材料表面催化效應(yīng)、輻射特性等氣動(dòng)加熱基礎(chǔ)研究的重要設(shè)備。目前利用ICP 從事CO和CO+N混合氣體研究的機(jī)構(gòu)主要集中在歐洲，我國(guó)也進(jìn)行了相關(guān)的研究性試驗(yàn)，而在美國(guó)，電弧加熱設(shè)備通常用于相同的測(cè)試目的，ICP的相關(guān)研究相對(duì)較少。表3 歸納了國(guó)內(nèi)外利用ICP開(kāi)展研究的概況。

表3 國(guó)內(nèi)外利用ICP 開(kāi)展CO2 和CO2+N2 混合氣體的研究概況Table 3 Overview of research of CO2 and CO2+N2 mixture by ICP at home and abroad

Herdrich 等介紹了德國(guó)IPG4 的設(shè)計(jì)及其組成的PWK3 等離子體風(fēng)洞和使用CO介質(zhì)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，開(kāi)發(fā)了一個(gè)關(guān)于CO和CO+N的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。Endlich 等在PWK3 中使用粒徑小于10 μm 的氧化鐵粉末模擬火星的塵埃大氣，結(jié)果顯示加入粉末時(shí)的熱流高于沒(méi)有粉末時(shí)的，隨著壓力的升高熱流也略微升高，隨著軸向距離的增加熱流逐漸降低。Marynowski 等采用2P-LIF、光學(xué)發(fā)射光譜（OES）和高速相機(jī)（HSC）測(cè)量了流場(chǎng)關(guān)鍵參數(shù)，并對(duì)熱流、焓和總壓測(cè)量進(jìn)行了深入探討。

Quang 等建立了CO等離子體射流的可見(jiàn)光和紫外光譜發(fā)射光譜技術(shù)，研究了VKI 風(fēng)洞CO等離子體射流在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的輻射。Playez 等給出了在VKI 中2P-LIF 的實(shí)現(xiàn)方法，并測(cè)定模擬火星大氣（97%CO+ 3%N）離解等離子體射流中原子的數(shù)密度和平移溫度。

俄羅斯IPM 具有IPG1(60 kW)、IPG2(90 kW)、IPG3(1 MW)和IPG4(100 kW)等4 個(gè)高頻等離子體發(fā)生器，于20 世紀(jì)70 年代中期為應(yīng)對(duì)包括防熱材料催化特性研究在內(nèi)的BURAN（“暴風(fēng)雪號(hào)”）計(jì)劃的任務(wù)需求而建立，其中IPG4 可進(jìn)行空氣、N、CO、Ar、CO+N+Ar 以及Ar+有機(jī)氣體等多種介質(zhì)試驗(yàn)。Kolesnikov 等討論等離子體炬在模擬大氣再入過(guò)程中的應(yīng)用，對(duì)IPM 和VKI 開(kāi)發(fā)的感應(yīng)加熱設(shè)備的模擬能力進(jìn)行了比較分析；開(kāi)展了金屬（銀、銅和鉬）和硅基防熱材料在空氣介質(zhì)和CO混合物中的催化試驗(yàn)，在試驗(yàn)條件下（參考Mars Pathfinder 和Mars Probe 選定壓力104 Pa，焓值14.4～38.5 MJ/kg，表面溫度390～1670 K），離解CO的催化效應(yīng)比空氣更為明顯（參見(jiàn)圖12）。文獻(xiàn)[50]介紹了SiC 熱防護(hù)材料在地球和火星再入條件下的微觀(guān)和宏觀(guān)分析方法，利用IPM IPG4和VKI 等離子體設(shè)備，研究了航天器再入大氣層過(guò)程中發(fā)生的氣體/表面相互作用過(guò)程。

圖12 離解CO2 和純氧條件下硅基材料的催化特性[49]Fig. 12 Catalytic properties of silicon based materials under dissociation of CO2 and pure oxygen[49]

我國(guó)CARDC 在高頻等離子體風(fēng)洞中建立了高溫CO流場(chǎng)，通過(guò)測(cè)量和計(jì)算獲得了溫度和物質(zhì)的量的分布，同時(shí)進(jìn)行了紅外光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)，獲得了CO在不同溫度下4.3 μm 附近的紅外光譜數(shù)據(jù)。在“天問(wèn)一號(hào)”方案階段，利用CAAA 1.2 MW高頻感應(yīng)風(fēng)洞設(shè)備（見(jiàn)圖13）分別采用CO和空氣介質(zhì)開(kāi)展了防熱材料駐點(diǎn)燒蝕試驗(yàn)，并對(duì)防熱材料進(jìn)行火星氣動(dòng)熱環(huán)境下的適應(yīng)性考核（參見(jiàn)圖14）。

圖13 CAAA FD-18 高頻感應(yīng)風(fēng)洞設(shè)備[26]Fig. 13 The CAAA FD-18 ICP wind tunnel[26]

圖14 CAAA FD-18 高頻感應(yīng)風(fēng)洞材料燒蝕試驗(yàn)照片[26]Fig. 14 TheCAAA FD-18 ICP wind tunnel test: (a) in air;(b)inCO2[26]

4 結(jié)束語(yǔ)

基于上述調(diào)研和分析，火星進(jìn)入器熱防護(hù)試驗(yàn)需要關(guān)注并開(kāi)展的工作應(yīng)包括：

1） CO介質(zhì)下的熱防護(hù)考核試驗(yàn)

所有已成功著陸的火星進(jìn)入器全部利用電弧加熱設(shè)備或高頻感應(yīng)風(fēng)洞進(jìn)行了各類(lèi)材料/結(jié)構(gòu)的熱防護(hù)性能試驗(yàn)，這是必不可少的。限于當(dāng)時(shí)試驗(yàn)?zāi)芰Γ瑑HViking 和Beagle-2 在CO介質(zhì)中進(jìn)行了燒蝕試驗(yàn)，而其他進(jìn)入器（如Pathfinder、MSL 等）均在空氣或富氧環(huán)境下進(jìn)行了考核，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果采取了相應(yīng)的熱防護(hù)設(shè)計(jì)。我國(guó)在電弧風(fēng)洞和高頻感應(yīng)風(fēng)洞中采用CO介質(zhì)進(jìn)行了真實(shí)火星大氣環(huán)境模擬，對(duì)進(jìn)入器所用防熱材料進(jìn)行了大量考核試驗(yàn)，有力保障了我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)的圓滿(mǎn)成功。

2） CO介質(zhì)下的熱防護(hù)研究試驗(yàn)

美國(guó)在LRC HYMETS 和JSC ARMSEF 電弧加熱設(shè)備上進(jìn)行了CO介質(zhì)下的研究性試驗(yàn)，可以看出，在同一設(shè)備設(shè)定值下，不同介質(zhì)所對(duì)應(yīng)的高溫流場(chǎng)容積焓、熱流和滯止壓力均存在差異；高溫流場(chǎng)參數(shù)及模型熱響應(yīng)參數(shù)均與氧含量之間存在明顯的相關(guān)性；文獻(xiàn)中提到了在電弧加熱設(shè)備上開(kāi)展CO介質(zhì)運(yùn)行應(yīng)該特別注重的安全措施，但均未涉及CO介質(zhì)下電弧加熱器自身特性的研究。但研究空氣和CO介質(zhì)下的電弧加熱器運(yùn)行特性（如電熱特性、電極侵蝕特性等）可為火星熱防護(hù)試驗(yàn)提供必要的支撐，應(yīng)予以關(guān)注。

3） 先進(jìn)測(cè)試技術(shù)發(fā)展

歐洲相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在電弧風(fēng)洞和高頻感應(yīng)風(fēng)洞中進(jìn)行了大量CO介質(zhì)下防熱材料催化特性基礎(chǔ)研究和先進(jìn)測(cè)試技術(shù)（如TALIF、OES、HSC 等）發(fā)展。研究顯示，離解CO的催化效應(yīng)比空氣更為明顯，以光譜測(cè)試為代表的先進(jìn)測(cè)試技術(shù)是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)方向。

4） 火星沙塵侵蝕試驗(yàn)

由于各方面的限制，火星熱防護(hù)試驗(yàn)仍有許多工作有待進(jìn)一步開(kāi)展，如火星沙塵暴模擬試驗(yàn)技術(shù)等。據(jù)資料顯示，火星大氣中會(huì)因?yàn)榫薮鬁夭詈蜕硥m顆粒導(dǎo)致極強(qiáng)的沙塵暴，因此火星進(jìn)入器除面臨嚴(yán)酷的氣動(dòng)加熱環(huán)境外，還可能面臨沙塵粒子對(duì)防熱材料的高速撞擊。德國(guó)DLR 和IRS、日本JAXA均進(jìn)行過(guò)火星進(jìn)入器防熱材料抗粒子侵蝕特性試驗(yàn)。依據(jù)地球大氣再入侵蝕問(wèn)題研究的經(jīng)驗(yàn)，利用地面試驗(yàn)探索粒子侵蝕的規(guī)律和機(jī)理，并提供必需的侵蝕數(shù)據(jù)，將為火星進(jìn)入器防熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供重要支撐。