淺談浮空器探測火星的設想

摘 ?要：隨著深空探測技術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想以及進行國際合作的可能。

關鍵詞：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、遙感成像的技術已較為成熟，特別是己經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。火星近地表面的大氣壓約500Pa-700Pa，與地球30km-35km高空的大氣莊力接近。火星浮空器可以利用火星低空大氣與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，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。相比火星環繞器，火星浮空器更接近火星表面，因此其觀測精度比環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。火星浮空器的應用可以填補火星一定高度大氣溫度、密度、風速和輻照等環境數據的空自，具有重要的科學意義。

2浮空探測的關鍵技術

根據我國目前浮空器的研究情況和深空探測技術發展的需要，需要解決如下關鍵技術。

2.1浮空器超壓氣球的構造

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造。氣球構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，需要對構型設計進行深入研究。

2.2浮空器氣球囊體材料

浮空器方案技術是否可行關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境，還應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

浮空器氣球充氣介質一般為氦氣，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，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浮空器系統集成和微小型化技術

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。需要對探測器系統進行高度的集成，對各種儀器、載荷進行微小型化設計，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對能量的需求，除了采取必要的能源調節控制技術，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工藝。

2.5浮空器飛行軌跡控制技術

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。火星低空大氣運動規律尚不清楚，因此浮空器的飛行軌跡不能事先預測。這就需要研制簡易的飛行控制系統，為浮空器的運動提供一定的控制能力，使浮空器在任務周期內的運動軌跡盡可能處在環繞器的測控覆蓋范圍內。

3結束語

隨著我國深空網的建設，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境進行探測。該探測方案擺脫了傳統的探測模式，具有開拓性創舉，彌補了環繞探測和巡視探測的一些不足，取得的科學數據填補了火星一定高度大氣環境探測數據的空自，具有重要的科學意義。另外，我國應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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[2]國泰，火星氣球探測[C]中國空間科學學會空間探測專業委員會第二十次學術會議論文集2017

[3]陳昌亞，火星探測器設計及研制進展[J]上海航天2018.3

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