淺談浮空器探測火星的設(shè)想

摘 ?要：隨著深空探測技術(shù)進步以及科學探測口標的需要，利用火星具有稀薄大氣的特點，國外提出了使用浮空器對火星進行探測的方案，用以對火星表面和大氣環(huán)境進行深入研究，彌補其它探測方式的不足。本文通過介紹國外行星浮空探測技術(shù)的研究進展以及我國浮空器的研究情況，提出了我國未來利用小型浮空器進行火星浮空探測的方案設(shè)想以及進行國際合作的可能。

關(guān)鍵詞：火星探測;浮空器;氣球著陸器

1引言

地球上利用浮空器探空氣球、飛艇等進行大氣探測、微重力試驗、遙感成像的技術(shù)已較為成熟，特別是己經(jīng)研制出了能夠長時間飛行在碑高度的平流層高空探測氣球。國外一些科學家提出了利用火星具有稀薄大氣的特點，使用浮空器對火星進行科學探測的方案?；鹦墙乇砻娴拇髿鈮杭s500Pa-700Pa，與地球30km-35km高空的大氣莊力接近?；鹦歉】掌骺梢岳没鹦堑涂沾髿馀c地球平流層大氣壓力相近這一特點，充分利用掌握的地球高空探測氣球技術(shù)，使用超壓氣球攜帶探測器平臺漂浮在火星上空，并利用火星大氣運動帶動探測器進行移動探測。相比火星環(huán)繞器，火星浮空器更接近火星表面，因此其觀測精度比環(huán)繞器更高相比火星巡視器，浮空器可以利用火星大氣自由運動，不受火星地形地貌限制，因此其探測范圍更廣。火星浮空器的應(yīng)用可以填補火星一定高度大氣溫度、密度、風速和輻照等環(huán)境數(shù)據(jù)的空自，具有重要的科學意義。

2浮空探測的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)我國目前浮空器的研究情況和深空探測技術(shù)發(fā)展的需要，需要解決如下關(guān)鍵技術(shù)。

2.1浮空器超壓氣球的構(gòu)造

為了保證火星浮空器在溫度、氣壓變化劇烈的情況下飛行高度變化不大，必須采用超壓氣球維持氣球的構(gòu)造。氣球構(gòu)型對氣球承受壓力的均勻程度，氣球容積與材料利用率的大小，氣球的空氣動力特性以及熱特性都有較大影響。目前我國超壓浮空器的研究剛處起步階段，需要對構(gòu)型設(shè)計進行深入研究。

2.2浮空器氣球囊體材料

浮空器方案技術(shù)是否可行關(guān)鍵取決浮空器所用超壓氣球氣囊材料的研制。材料要具有很低的面密度、較低的氦氣泄漏率、較高的抗拉強度、耐高低溫和空間輻照環(huán)境，還應(yīng)具有較長的存放壽命和不低于7天的使用壽命。目前，我國現(xiàn)有的氣球囊體材料面密度較高，使用壽命較短，尚不能滿足火星浮空器的需要。

2.3浮空器氣球充氣展開技術(shù)

浮空器氣球充氣介質(zhì)一般為氦氣，由于火星大氣密度低，即使要攜帶少量的有效載荷也需要很大體積的氣球。因此為了給氣球充氣，需要使用高壓氦氣充氣裝置對氣球進行充氣。氣球的氣囊材料一般十分輕薄，抗拉強度有限。充氣時如果不對氣體流量進行限制導致充氣速度過快，會造成氣囊沒有展開前局部壓力過大將氣囊撕裂。因此需要研究氣囊的折疊存放方式和充氣的速度控制方式，使氣囊可以在較快的時間內(nèi)完成充氣并不對氣囊造成損壞。還需要研究充氣裝置與氣囊的分離技術(shù)，使充氣裝置安全的與氣囊分離，充氣裝置與氣囊的接處密封完好。

2.4浮空器系統(tǒng)集成和微小型化技術(shù)

在火星大氣密度下，單位體積的浮空器升力有限，所攜帶的有效載荷較小。需要對探測器系統(tǒng)進行高度的集成，對各種儀器、載荷進行微小型化設(shè)計，減輕重量和功耗。浮空器自身攜帶的蓄電池的能量有限，為了保證有效載荷和主動熱控系統(tǒng)對能量的需求，除了采取必要的能源調(diào)節(jié)控制技術(shù)，還必須在氣球囊體上安裝柔性薄膜太陽電池片提供足夠的電能。我國目前還未能掌握面密度小于的柔性薄膜太陽電池片的生產(chǎn)工藝。

2.5浮空器飛行軌跡控制技術(shù)

火星浮空器的運動主要由火星大氣帶動浮空器氣球運動實現(xiàn)。火星低空大氣運動規(guī)律尚不清楚，因此浮空器的飛行軌跡不能事先預(yù)測。這就需要研制簡易的飛行控制系統(tǒng)，為浮空器的運動提供一定的控制能力，使浮空器在任務(wù)周期內(nèi)的運動軌跡盡可能處在環(huán)繞器的測控覆蓋范圍內(nèi)。

3結(jié)束語

隨著我國深空網(wǎng)的建設(shè)，大型運載火箭的研制，我國完全可以進行自主火星探測。可以充分利用火星著陸器的能力，攜帶一個小型的浮空器在空中對火星表面和大氣環(huán)境進行探測。該探測方案擺脫了傳統(tǒng)的探測模式，具有開拓性創(chuàng)舉，彌補了環(huán)繞探測和巡視探測的一些不足，取得的科學數(shù)據(jù)填補了火星一定高度大氣環(huán)境探測數(shù)據(jù)的空自，具有重要的科學意義。另外，我國應(yīng)不失時機地開展國際合作，充分利用國際資源進行火星探測。

參考文獻：

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作者簡介

葉彬彬（1990.05—）安徽合肥人，助理工程師，主要從事浮空器全工藝流程及加工制作方法研究