金星大氣環境模擬設備及試驗技術綜述

高 文，郭芹良，畢研強，王 晶，楊曉寧

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

金星是距地球最近的行星，由于其與地球幾乎是由同一星云同時形成，且其大小、質量和密度與地球非常相似，所以被稱為地球的“姊妹星”。探測金星是了解地球過去、未來乃至太陽系形成演化的重要途徑。進入航天時代以來，金星一度成為地外行星探測的焦點。金星和地球同處于太陽系的宜居帶，但金星表面環境卻非常惡劣——大氣主要成分是CO，表面平均溫度高達460 ℃。1960 年3 月11 日，人類首次嘗試對金星進行航天器探測；然而，早期金星著陸探測任務的成功率極低：Venera-3著陸器由于金星表面的高溫使得通信遙測信號中斷；Venera-4 著陸器下降至距金星表面25～27 km時由于著陸艙無法承受大氣壓力導致器件受損，通信中斷；Venera-7 著陸器由于金星高溫大氣導致其降落傘失效。直至1972 年3 月，金星探測任務才首次取得全面成功。

1985 年，Kliore 等根據探測結果建立了首個金星大氣模型，并沿用至今。1990 年后，金星探測的熱度有所降低，但各航天強國并未停止對金星大氣環境的研究。2021 年，Greaves 等稱在金星大氣中發現了磷化氫，但這一研究結果在相關學界的爭議較大；同年6 月，NASA 公布了最新的金星探測計劃——Davinci+與Veritas。由于金星大氣十分致密，金星表面是否存在火山、其大氣層中的CO為什么未以碳酸鹽形式固化等問題始終沒有明確結論，必須通過著陸或抵近探測方式（例如著陸器或近表面飛艇等）才有可能得到進一步探究。

鑒于金星表面復雜環境效應導致航天器結構或元器件受損是金星探測任務失敗的主要原因，在地面開展金星大氣環境模擬，從而考核航天器的環境適應性，是研制金星近表面探測器以及保障金星著陸探測任務成功的關鍵。本文對現有金星大氣環境模擬設備及試驗進行綜述，并對金星表面環境模擬關鍵技術進行總結。

1 金星近表面環境

根據探測結果，金星近表面環境具有高溫、高壓、氣體呈弱酸性的特點。因此，金星近表面環境模擬的要素包括：1）最高約750 K 的高溫；2）最高約9.2 MPa 的高壓；3）多組分弱酸性的氣體環境，參表1 所示。此外，金星表面0～40 km 大氣環境的帶電粒子濃度極低，磁場強度僅為地球表面的1/1000。

表1 金星與地球大氣成分（體積分數）對比Table 1 Comparison of atmospheric composition between Venus and Earth

2 金星近表面環境模擬關鍵技術

由前所述，金星近表面環境十分惡劣，在地面進行模擬需解決如下關鍵技術：

1）微量氣體的精確測量與控制

如何準確檢測及精確控制環境模擬容器內的微量氣體關系到試驗環境與探測環境的一致性，是金星表面環境模擬的首要問題。而在高溫、高壓環境條件下，氣體擴散系數較低，如何保證容器內氣體濃度場具有良好均勻性成為影響試驗有效性的關鍵。

2）高溫、高壓環境下的氣體溫度及壓力控制

在金星表面環境模擬容器中，隔熱材料及密封結構的選用與設計是氣體溫度、壓力控制的直接影響因素，如何保證其可靠性是氣體溫度、壓力控制的首要問題。其次，金星著陸器在降落過程中會面臨溫度、壓力的復合變化，因此如何根據金星著陸器溫度、壓力變化曲線對容器內氣體壓力和溫度進行復合控制成為金星表面環境模擬的關鍵。

3）高溫、高壓環境下的氣體溫度及壓力測量

高溫、高壓環境下的氣體溫度及壓力測量是金星表面環境模擬試驗的關鍵環節之一，可為未來金星著陸探測的溫度、壓力測量載荷選用提供重要參考。目前，國內外的研究進展如下：

對于溫度測量，熱電偶、光纖等測溫方式均可在高溫高壓條件下進行測量。深圳大學提出一種基于空芯光子帶隙光纖（HC-PBF ）與空芯光纖（HCF）拼接的緊湊型雙腔法布里-珀羅干涉儀（DC-FPI）傳感器，10 MPa 壓力下的溫度測量范圍為375～1075 K。不過， 在熱電偶與光纖等測溫傳感器應用時，需考慮數據傳輸過程中容器內外的壓差。

對于壓力測量，金星表面環境條件下的壓力傳感器仍處于發展階段。上海大學提出一種藍寶石衍生光纖（SDF）和石英毛細管復合法布里-珀羅干涉儀（FPI），可用于0～4 MPa 與300～975 K 的壓力與溫度測量；西安交通大學設計了一種在475 K、0～150 MPa 環境下工作的壓阻式壓力測量芯片；Wieczorek 等開發了一種SiC 壓力傳感器，300～675 K 溫度環境下的壓力測量范圍為0～300 MPa。

3 金星近表面環境模擬系統

3.1 國外金星近表面環境模擬

截至2021 年7 月，國外共有12 個模擬系統可以在一定程度上對金星表面的溫度、壓力與氣體組分進行模擬，但大部分容積太小（不超過15 L），只能進行材料級試驗。本文介紹其中2 個較為典型的模擬系統——佐治亞理工學院的超高溫壓力系統與NASA 格林研究中心的高溫高壓模擬系統。

1）佐治亞理工學院的超高溫壓力系統

佐治亞理工學院的超高溫壓力系統（Ultra-High Temperature Pressure System, UHTPS）的最初目的是為了模擬木星的深層大氣環境（氣體組分為H與He）。由于木星深層大氣壓力與金星表面環境較為相近，后將氣體組分替換為CO、N用以模擬金星表面大氣環境。

UHTPS 整體質量超過1283 kg，主體部分由溫度容器和壓力容器構成，如圖1所示。壓力容器由304 不銹鋼制成，長0.46 m、直徑0.04 m，體積為29.9 L；模擬溫度為620 K、模擬壓力為10 MPa；氣體組分為CO和N（或H和He），不具備氣體濃度實時檢測能力。

圖1 佐治亞理工學院的超高溫壓力系統Fig. 1 Temperature container (a) and pressure container (b) of UHTPS

2）NASA 格林研究中心的高溫高壓模擬系統

NASA 格林研究中心的高溫高壓模擬系統（Glenn Extreme Environment Rig, GEER）是現階段國外最大的金星表面大氣環境模擬容器，國外諸多學者利用GEER 進行了多項研究試驗。

GEER 由氣體混合系統、溫度與壓力控制系統、氣體檢測系統以及數據采集系統組成。容器主體材料為306 不銹鋼，內表面采用銅鎳合金，內徑0.914 m、長1.219 m，外觀如圖2所示。

圖2 NASA 格林研究中心的高溫高壓模擬系統Fig. 2 Overall view of GEER in NASA Gleen Research Center

GEER 的模擬溫度可達770 K，模擬壓力可達9.2 MPa，模擬氣體組分包括CO、N、HO、SO、CO、OCS、NO、HCl。其氣體混合裝置（見圖3(a)）由9 個獨立氣罐（8 種氣體源以及1 個混合氣罐）及質量流量控制器組成，通過預先混合方式進行氣體混合。氣體組分的控制精度為ppm 級，采用傅里葉變換紅外光譜（Fourier Transform Infrared，FTIR）法測量氣體組分（見圖3(b)），檢測精度為ppm 級。

圖3 GEER 的氣體混合裝置與FTIR 氣體檢測裝置Fig. 3 Gas mixing device (a) and FTIR (b) of GEER

3.2 國內金星近表面環境模擬

北京衛星環境工程研究所設計并建造了國內首個金星近表面環境模擬裝置（Venus Near-Surface Environment Simulator, VNSES），如圖4 所示，該設備容器內徑1 m、長1.6 m，容積是目前世界范圍內最大的。

圖4 北京衛星環境工程研究所的金星近表面環境模擬裝置Fig. 4 Overall view of VNSES in BISEE

3）溫度、壓力復合精確控制

在對著陸器載荷等進行試驗時，需考慮降落過程中的環境變化。該平臺能夠實現隨高度變化的溫度、壓力變化，以滿足未來金星著陸任務環境模擬的需求。

參考國外金星探測著陸器（Venera-7、Davinci+等）設計尺寸，VNSES 可以滿足未來金星著陸探測任務的材料級、組件級以及小型的整星級環境模擬需求。

3.3 小結

VNSES 包括氣體存儲、氣體檢測、溫度及壓力檢測、緊急泄壓等子系統，模擬溫度上限為800 K，模擬壓力上限為9.8 MPa，可模擬氣體組分包括CO、N、HO、SO、CO、OCS、HS、HCl 及HF，氣體組分控制精度為ppm 級，采用氣相色譜儀進行氣體組分檢測，檢測精度為ppm 級。

VNSES 具備以下特點：

1）多元氣體快速混合

金星近表面環境的模擬氣體組分有9 種，在氣體組分檢測時需保證容器內的氣體分布整體均勻。該平臺采用載氣配合方式實現多元氣體快速混合，并保證各氣體組分的濃度與金星表面環境一致。

2）壓力、氣體成分原位測量技術

在試驗過程中，實時監測容器內氣體壓力及氣體成分的變化是了解試驗進程的關鍵，該平臺通過引壓降溫等方式實現了容器內壓力和氣體成分的實時監測。

對國內外典型金星近表面環境模擬容器的參數進行對比，結果見表2。

表2 金星近表面環境模擬容器參數對比Table 2 Comparison of Venus near-surface environment simulator

截至2021 年，世界范圍內金星表面環境模擬容器僅有GEER 與VNSES 的容積達到百L 量級，能夠進行多組分金星氣體環境系統級試驗。GEER采取預先混合的氣體配置方式模擬8 種金星環境氣體組分，能夠初步模擬金星近表面環境。VNSES采取載氣配合的氣體配置方式模擬包括HS、HF的9 種金星環境氣體組分，可縮短整體試驗時間，提升模擬系統的可靠性，為未來金星著陸探測器的研制提供更加完善的金星環境模擬支撐。

4 典型金星表面環境模擬試驗

在金星探測任務方案、初樣及正樣階段，均需驗證材料、組件、分系統及航天器整器的環境適應性，進行金星表面環境模擬試驗是驗證設計可靠性的關鍵途徑。

4.1 金星表面風速傳感器試驗

NASA 研制的金星表面風速傳感器的初樣在GEER 中進行了2 次原位試驗測試，如圖5 所示。首次試驗持續34 天，試驗條件從距金星表面55 km高度變化至金星表面環境條件；第2 次試驗在金星表面環境條件下進行了持續23 天的試驗。測試結果為(0.094±0.010) m/s 與(0.495±0.053) m/s，表明金星表面風速傳感器在金星表面環境條件下對環境變化具有良好的響應能力。

圖5 GEER 中的高溫風速傳感器驗證試驗Fig. 5 High temperature wind speed sensor verification test in GEER

4.2 極端環境下的SiC 傳感器試驗

NASA 長壽命太陽系探測器（Long-Lived In-situ Solar System Explorer, LLISSE）項目組于2018 年5 月利用高溫共燒陶瓷（HTCC）封裝下的SiC高溫半導體集成電路，在GEER 中進行了3 種惡劣環境試驗，試驗條件分別為：740 K、地球空氣下暴露48 h；740 K、9 MPa 的 N環境下暴露48 h；740 K、9 MPa的金星多組分氣體環境下暴露1400 h。試驗后對器件性能進行介電性能測試分析表明，在金星表面環境下HTCC 封裝SiC 高溫半導體集成電路穩定性良好。

4.3 長壽命太陽系探測器的組件級試驗

LLISSE 的任務目標為著陸至金星表面存活60 天并收集金星晝夜轉換期間的溫度、壓力數據。LLISSE 項目組于2020 年1 月在GEER 中進行了60 天的組件級（100 MHz 通信系統）金星環境模擬試驗，如圖6 所示。LLISSE 的100 MHz 通信系統同樣基于SiC 材料研制。

圖6 長壽命太陽系探測器（LLISSE）的金星環境模擬試驗Fig. 6 LLISSE (a), and its SiC circuit boards (b) and element (c)in Venus environment simulate test

4.4 金星表面大氣分層驗證試驗

2019 年，Lebonnois 等利用GEER 系統進行了金星表面大氣濃度梯度驗證試驗，以探討金星近表面大氣的組分梯度現象，其試驗系統設計及試驗容器如圖7 所示。試驗結果表明，金星大氣模擬氣體經過長時間靜置后并未出現明顯的靜置分層現象。

圖7 金星表面大氣濃度梯度驗證試驗系統Fig. 7 The Venus surface atmospheric concentration gradient verification test system

4.5 金星表面大氣材料級試驗

Lukco 等在金星表面環境條件下（于GEER 設備中）對多種金屬材料進行了長時間暴露試驗，分析材料的性能變化并根據試驗結果總結認為，能夠應用于金星著陸任務的金屬材料為鈦（Ti）、鈦合金TC4（Ti-6Al-4V）和鉬等。該次試驗的試驗材料、試驗條件及試驗結果如表3 所示，部分試驗結果如圖8 所示。

表3 金星表面環境下的材料級試驗Table 3 Venus surface test material level test conditions

圖8 金屬鎢的金星表面環境長時間暴露試驗結果Fig. 8 Test results of tungsten after long duration in simulated Venus environment

5 金星環境模擬試驗需求分析

本文分析國外已有任務并結合未來金星探測任務需求，歸納出可利用金星表面環境模擬系統開展的試驗及試驗方法研究如下：

1）多種材料復雜環境下的壽命試驗

金屬材料在金星表面的高溫高壓環境下產生高溫蠕變將發生塑性變形，從而影響航天器整體構型甚至是航天器壽命。在金星表面環境模擬容器中進行多種材料、不同時間長度的試驗可為未來金星著陸探測器研制中的材料選擇提供決策依據。

2）復雜環境下氣體熱物理特性試驗

高溫、高壓條件下氣體的物理特性是開展金星比較行星學研究的關鍵，但現階段金星表面環境條件下多種氣體物理特性數據仍屬空白。Karaiskakis等綜述了多種二元系統在298～800 K、0.1 MPa 及248～323 K、9～60 MPa 等不同條件下的擴散系數測量結果。2020 年，中國石油大學（青島）在6～16 MPa、310～345 K 的環境條件下進行了超臨界狀態下的CO黏度測量。但高溫高壓環境下的其他氣體的物理特性測量仍處于發展階段。

在金星表面環境模擬系統中，能夠進行高溫、一定壓力條件下的氣體物理特性（包括密度、導熱系數、黏度、擴散系數、比熱容等）測量，可以彌補一些氣體基礎物理參數在高溫高壓條件下的數據空白。

3）多種地質材料的輻射特性試驗

金星大氣十分致密，無法通過環繞探測方法直接得到金星表面地質分布圖，因此目前采取先試驗測量獲取地質材料輻射特性數據，再結合環繞探測結果得到的整體金星表面的輻射特性數據，計算推演金星表面的地質分布圖。這就要求對各種地質材料（如玄武巖、流紋巖、花崗巖、玄武玻璃等）在金星表面模擬環境下經歷長時間反應達到穩定狀態后進行輻射特性測試，測試時還需要結合考慮金星大氣各氣體組分的吸收波長。

4）金星著陸探測器系統驗證試驗

在金星著陸探測器的方案研制階段，需對其進行充分試驗驗證，考核各組件的環境適應性能，因此需要在試驗時能夠實時監測組件的溫度及運行狀態。

5）金星邊界層濃度梯度驗證試驗

金星近表面大氣稱為金星邊界層，是了解金星的重要途徑，在地面進行濃度梯度試驗能夠驗證在高溫、高壓及重力條件下，CO及N的組分變化規律，與金星探測結果進行對比，從而驗證金星表面是否因存在火山活動而在地表持續釋放氣體的猜想，為進一步了解金星提供參考。

6）金星環境下有機生物體試驗

金星大氣中發現PH氣體是金星大氣環境下可能存在生物的間接證據，進行厭氧生物在金星大氣環境下的生物試驗能夠進一步驗證金星大氣環境存在生物的可能性，并為未來金星著陸探測的行星保護需求提供指導。

6 展望

隨著金星探測任務逐漸提上日程，開展金星近表面環境模擬試驗技術研究具有重要意義。同時，金星近表面環境模擬系統的用途不僅限于未來金星著陸器的環境試驗與早期故障排除，還可應用于行星學研究（例如地質學、大氣物理學等）以及特殊條件下材料基本熱物理特性測量等。