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  深空探测学报  2016, Vol. 3 Issue (2): 129-133  DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.005
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党兆龙, 陈百超. 火星土壤物理力学特性分析[J]. 深空探测学报, 2016, 3(2): 129-133. DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.005.
DANG Zhaolong, CHEN Baichao. 2016. Analysis on Physical and Mechanical Properties of Martian Soil[J]. Chinese Journal of Sociology(in Chinese Version), 3(2): 129-133. DOI: 10.15982/j.issn.2095-7777.2016.02.005.
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作者简介

党兆龙(1976-),男,博士,主要研究方向:深空探测器总体工作。 通信地址:北京5142信箱337分箱(100094) 电话:(010)68745777 E-mail:dangzhaolong@126.com

文章历史

收稿日期:2016-03-06
改回日期:2016-04-05
火星土壤物理力学特性分析
党兆龙, 陈百超    
北京空间飞行器总体设计部,北京 100094
摘要: 火星土壤既是火星表面探测活动的主要探测对象,也是表面探测器设计中需考虑的重要因素之一。火壤的物理力学特性将直接影响着陆器着陆缓冲系统、火星车移动系统等的设计。此外,在着陆器和火星车等表面探测器的地面研制过程中,需要研制模拟火壤,形成模拟的火星表面环境,开展相关的着陆器着陆缓冲性能、火星车移动性能等验证试验。迄今为止,人类已经有多个探测器登陆火星,获取了大量的有关火壤的信息,也研制了多种模拟火壤。通过对已有火壤和模拟火壤的物理力学特性分析,梳理出火壤物理力学特性的参数范围,可为我国火星探测器的研制提供参考。
关键词: 火星土壤    物理特性    力学特性    模拟火壤    
Analysis on Physical and Mechanical Properties of Martian Soil
DANG Zhaolong, CHEN Baichao     
Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China
Abstract: Martian soil is one of the major factors in the Mars surface exploration which have to be considered during the development of Martian probes. The physical and mechanical properties of Martian soil influence directly the design of landing-pad of Martian lander and the wheels of Martian rover. During the field tests of Martian probes, the proving ground for Martian surface environments must be simulated. The exploration results about the Martian soil and its simulant are analyzed in this paper. The ranges of parameters for physical and mechanical properties of Martian soil are summarized. The results can be used for the development of China's Martian probes.
Key words: Martian soil    physical properties    mechanical properties    Martian soil simulant    
0 引言

火星土壤(简称火壤)是火星表面环境的重要组成部分,在火星表面探测器的研制过程中,需对其物理力学特性进行模拟,以实现探测器性能的地面试验验证。在着陆器着陆腿和巡视器车轮等设计中,就需要充分考虑火壤的承压特性和剪切特性。迄今为止,已经有3个火星着陆器(“海盗1号”“海盗2号”[1]“凤凰号”[2])和4辆火星车(“旅居者”[3]“勇气号”[4]“机遇号”[5]和“好奇号”[6])成功登陆或巡视火星,获得了火星土壤特性的大量探测成果。此外,欧洲和中国也都开展火星探测的计划。在这些火星表面探测器的研制过程中,研制了多种模拟火壤,取得丰富的研究成果。

本文通过分析已有的火壤物理力学特性的探测成果以及多家机构已研制的模拟火壤特性,梳理出了火壤物理力学特性的参数及其取值范围,这可为未来我国火星探测器的研制提供火壤的相关参考,促进模拟火壤的研制。

1 火星土壤实地探测结果

火星表面覆盖有一层由风化作用产生的碎裂物形成的风化层,称为火壤。火壤特性的探测一直是火星探测的重要内容之一,先后经历了观测结果预测、火星轨道遥感探测以及火星表面就位探测等阶段。由于目前还没有实现火壤样品的采样返回,对于火星表面土壤特性的探测成果主要通过着陆器和火星车工程数据及其携带的探测仪器获得。

目前成功着陆火星表面的着陆器为“海盗1号”“海盗2号 ”和“凤凰号”。“海盗1号”和“海盗2号”分别于1975年8月20日和1975年9月9日发射,任务目标是在火星着陆并搜寻生命存在的证据(图 1)。“海盗1号”着陆器在克利斯(Chryse)平原区域着陆;“海盗2号”着陆器在乌托邦(Utopia)平原区域着陆。“凤凰号”探测器(图 2)于2007年8月4日发射,任务目标是在火星表面进行为期90 d的探测任务,并利用机械臂挖掘着陆点周围的土壤、岩石和水冰等样品进行就位分析,判断样品是否含有有机物或其他生物痕迹。“凤凰号”探测器于2008年5月25日在火星北半球高纬度的绿谷(Green Vally)区域着陆。探测器通过挖掘、烘烤和分析火星表面样品,证实了火星表面下有水冰存在。

图 1 “海盗号”着陆器 Fig. 1 Viking lander
图 2 “凤凰号”着陆器 Fig. 2 Phoenix lander

目前成功在火星表面移动的火星车有4辆(图 3),分别为“旅居者号”“勇气号”“机遇号”和“好奇号”,其中“勇气号”和“机遇号”是属于同一个探测任务,几乎完全一样。“旅居者号”火星车是首个在火星表面行进的巡视器,用车轮开展了轮壤剪切试验,获得火壤深度、内聚力和内摩擦角等特性数值。“勇气号”和“机遇号”探测器分别于2003年6月10日和7月8日发射,任务目标是探测火星表面水的踪迹,寻找生命存在的证据。“勇气号”火星车于2004年1月4日在火星古雪夫(Gusev)撞击坑区域着陆;“机遇号”火星车于2004年1月25日在火星南半球梅里迪尼(Meridiani)平原区域着陆。“勇气号”行驶了7.7 km,而“机遇号”的行驶距离已经超过了一个马拉松的长度。搭载“好奇号”火星车的火星科学实验室于2011年11月26日发射,是世界上首个采用“空中吊车”精准着陆方式进行软着陆的探测器,于2012年8月6日在盖尔撞击坑着陆。“好奇号”火星车的探测目标包括了挖掘火星土壤、钻取岩石粉末,对岩石样品进行分析,探测火星过去或现在是否具有微生物生存的环境,从而确定火星是否具有可居住性。“好奇号”火星车行进距离已经超过10 km。

图 3 “旅居者号”“勇气号”/“机遇号”“好奇号”火星车 Fig. 3 Sojourner, Spirit/Opportunity, Curiosity

这些着陆器和火星车均圆满完成了任务。通过对其工程数据的分析,可以获得着陆或巡视区域的火壤特性。通过对“海盗1号”和“海盗2号”着陆腿下陷量的图像分析,可以估计出着陆腿处火壤的颗粒密度、内聚力和内摩擦角。此外,通过对相机图像结果的分析,可以估计火壤的形状和尺寸。“海盗号”任务获得的火壤主要物理力学特性详见表 1

表 1 “海盗号”任务获得的火星土壤物理力学特性 Table 1 Mechanical properties of Martian regolith by Viking and pathfinder mission

由于火星车的移动性,使得可以获得巡视区域内大面积的火壤特性。另外,利用火星车车轮的滚动进行火壤的剪切性能测试。“旅居者号”“勇气号”“机遇号”[7]着陆点的土壤性质结果见表 2。目前还未见有关“好奇号”火星车巡视区域的土壤特性文献,但是根据“好奇号”火星车的车轮尺寸选择的文献可知,“好奇号”火星车移动系统设计时所考虑到的火壤物理力学特性与“勇气号”“机遇号”的相同。“好奇号”火星车的成功运行也表明之前做过的火壤特性预估是正确的。

表 2 三辆火星车着陆点土壤机械特性 Table 2 Mechanical properties of Martian regolith at different Mars landing sites
2 模拟火壤特性

除了直接采用探测器对火壤特性进行探测之外,地面也进行了多种模拟研究,以模拟真实的火壤。这些模拟火壤根据研究目的可分为两类,一类是服务于科学研究,主要关注模拟火壤的化学成分,通常数量较少;另一类是服务于探测器工程应用,主要关注模拟火壤的物理力学特性,通常数量较大,需满足试验场或土槽的需求。本文关注工程应用的模拟火壤,研究的国家主要是美国、欧洲(德国、英国和丹麦)以及中国等。比较典型的模拟火壤有JSC Mars-1[8-9]、MMS(Majave Mars Simulant)[10]、Salten SkovⅠ[11]、ES-1/2/3[12-13]和DLR-A/B[13]。中国科学院地球化学研究所、中国北方车辆研究所、北京空间飞行器总体设计部、吉林大学[14-16]等也都开展了类似的研究工作。

2.1 美国模拟火星土壤特性

美国JPL实验室研制了不少于5种模拟火壤[17]。对5种模拟火壤的特性进行了比较分析,样本分别为:2份来自实验室NO.82和实验室NO.107的室内土槽;1份来自建筑物NO.317的MER试验设备;1份来自室外的火星模拟场地;还有1份来自JSC的JSC Mars-1。JSC Mars-1 模拟火星土壤是由JSC中心研制。原料取自夏威夷的火山灰,光谱分析表面该火山灰的光谱特性与火星物质比较接近。这5种模拟火壤除了JSC Mars-1是针对科学目的研制的之外,其余4种都是服务于探测器的研制目的。

5种模拟火星土壤的颗粒分布情况如图 4所示。表 3给出了2种不同紧实程度下的物理和剪切特性测量数值。美国“凤凰号”和“好奇号”任务研制中还采用了MMS模拟火壤,具体特性见图 5表 4

图 4 美国模拟火星土壤的粒径级配比较 Fig. 4 Particle size distribution for simulated Martian soil from USA
图 5 JSC Mars-1与MMS粒径级配比较 Fig. 5 Particle size distribution for JSC Mars-1 and Majave soil simulant
表 3 美国模拟火星土壤两种不同紧实程度下的特性 Table 3 Characteristics in compaction states of simulated Martian soil from USA
表 4 MMS模拟火星土壤机械特性 Table 4 Mechanical properties of Majave soil simulant
2.2 欧洲模拟火星土壤特性

欧洲国家研制了多种模拟火壤,主要是英国Surrey大学研制的ES-1、ES-2和ES-3以及德国DLR研制的DLR-A和DLR-B。这些模拟火壤先后应用于火星车的研制,尤其是车轮的土槽试验。

Surrey大学参与研制的模拟火星土壤分别称为ES-1、ES-2和ES-3(图 6),粒径的分布曲线如图 7所示,物理特性见表 5

图 6 ExoMars 2018任务中模拟火星土壤 Fig. 6 Martian soil simulants for ExoMars 2018 mission
图 7 ExoMars 2018任务中模拟火壤粒径级配 Fig. 7 Particle size distribution for Martian soil simulants ES-1, ES-2 and ES-3
表 5 ExoMars 2018任务中的模拟火壤参数 Table 5 Parameters of Martian soil simulants for ExoMars 2018

对于ES-1模拟火壤,采用贝克方法进行了承压特性测量,测量结果分别见表 6。在ES-1承压特性测试结果中,边界效应对测试结果有着明显的影响。

表 6 ES-1承压特性测试结果 Table 6 ES-1 pressure-sinkage test results

德国DLR在ExoMars项目研制过程中,为了开展车轮与火壤的相互作用试验,研制了两种模拟火壤(DLR-A和DLR-B),其力学特性见表 7

表 7 DLR模拟火壤力学特性 Table 7 Mechanical parameters for DLR Martian soil simulants
3 火壤物理力学特性分析

1) 火壤特性具有普遍适用性

由于目前还没有实现火壤的采样返回,致使对于火壤特性的分析主要是通过探测器工程数据或专门的探测仪器获得的。其中,着陆器着陆腿下陷量、火星车车轮下陷量及移动能力是主要的工程手段。通过对“海盗号”着陆腿下陷量分析,获得了着陆处的火壤承压特性,并成功地应用于“凤凰号”的着陆腿设计中。另外,“勇气号”和“机遇号”的车轮设计时考虑的火壤承压特性数值范围就继续在“好奇号”火星车车轮设计中得到了应用。由此可见,虽然火星表面探测器的着陆区域存在差异,但是有关火壤物理力学特性的分析具有广泛的适用性,可以借鉴已有的火壤探测成果。

对于火壤实地探测结果,主要是颗粒密度和剪切特性参数的估计值,而对于承压特性缺少估计值,这主要是由于已有的探测器没有携带专门的承压特性探测仪器,但着陆器着陆腿和火星车车轮可作为间接的探测仪器,需要预估其承压特性。

2) 工程用模拟火壤强调力学特性

服务于火星探测工程应用的模拟火壤主要关注的是火壤的物理力学特性,除了性能覆盖已有火壤特性外,在数量供应方面还需要满足工程的使用需求。在具体操作过程中,就需要淡化科学使用的化学成分等需求,而需要强调在力学特性方面的需求。同时,对于含水率等地面环境带来的因素就需要严格控制,通常不超过5%。

对于某一个具体的模拟火壤,其力学特性不仅与其物理特性密切相关,而且与其实际的状态如紧实程度、含水率等相关。这使得在描述模拟火壤特性时,既需要测量其物理特性,也需要测量其力学特性,从而达到全面描述模拟火壤特性的目的。

对于火壤的物理特性,主要关注其粒径级配、颗粒比重、体密度和孔隙率等。而力学特性主要基于服务于探测器研制的力学特性,即承压特性和剪切特性。承压特性采用地面车辆力学理论中的贝克公式加以描述,而剪切特性采用内聚力和内摩擦角表示。

由于模拟火壤物理特性和力学特性描述的是不同的性质,致使在模拟火壤研制过程,需要分不同的阶段:制备过程和整备过程。在制备过程主要关注原料的颗粒密度、孔隙率等物理特性,在整备过程中关注其力学特性。

3) 火壤物理力学特性范围

通过对国外火壤就位测试结果及模拟火壤的测试结果,可以获得目前有关火壤的取值范围,见表 8表 9。这些特性的取值范围可为未来我国模拟火壤的研制提供数值参考。

表 8 火星土壤物理特性范围 Table 8 Physical parameters of martian soil simulants
表 9 火星土壤力学特性范围 Table 9 Mechanical parameters of martian soil simulants
4 结论及展望

火壤作为火星表面环境的重要组成部分,在火星探测器的研制过程中具有重要的地位。对于火星表面探测器研制而言,需要对火壤的力学特性进行充分的模拟,并将着陆器着陆腿、火星车车轮等与模拟火壤进行相互作用试验,以验证着陆腿和车轮设计的合理性。

由于火壤本身的颗粒性质,致使无法实现直接的力学特性模拟,需要在对物理特性模拟的基础上通过整备实现力学特性的模拟,因此模拟火壤的研制是一个系统的工作,需要从原料选取、颗粒制备、试验场整备等各个环节进行质量控制,从而使最终的模拟火壤满足性能要求。

对于我国而言,可以借鉴“嫦娥3号”探测器用模拟月壤的成功研制经验,基于火壤的物理力学特性范围,制定出我国模拟火壤的研制方案,服务于我国的火星探测任务。

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