火星探测器全任务期空间环境特征与防护要点

蔡震波，曲少杰

（北京空间飞行器总体设计部，北京100094）

0 引言

火星是太阳系中位于地球外侧的最近的行星，距太阳平均1.5 AU。由于其与地球在天体演化等行为上可能有众多相似之处，所以火星探测成为深空探测的焦点之一。迄今为止，美国、俄罗斯、ESA、日本、印度等共计进行了43次火星探测活动，其中失败任务为22次[1]，占比高达51%，当中不乏由于对火星空间环境及其不确定性的认识和防护设计不足而导致。因此，充分识别火星探测任务中的空间环境及效应特点，是确保火星探测器任务成功的关键环节之一。

火星表面及其周围具有与地球不尽相同的空间环境背景和效应特征[1-3]，其热环境的各项参数[4]、表面雷达散射特性[5]、表面激光反射率[6]、表面尘埃环境[7]等都有较大差异。火星探测器从地球发射后，要历经近8个月的包括地-火转移、火星环绕、直至着陆火星表面并进行巡视探测的任务全过程，依次遭遇近地空间、行星际空间和火星附近的空间环境[8]。不同任务阶段的空间环境对火星探测器的影响具有不同特点。在火星探测器的工程设计与研制过程中，须结合其任务特点，对空间环境的影响进行针对性分析并采取相应的防护设计，才能保证火星探测器在任务期具有充分的空间环境适应性。

本文针对火星探测器任务全过程的空间环境剖面，分析其空间环境特点，提出火星探测器的空间环境防护设计要点。

1 与空间环境相关的火星探测器任务概貌

火星探测器从地球发射直至到达火星执行探测任务的全过程如图1所示，可以简要描述为：1）从地面发射，进入地-火转移轨道；2）在地-火转移轨道上运行约8个月；3）到达火星附近并制动，开始环绕火星飞行；4）着陆器与环绕器分离后下降并着陆火星；5）火星车从着陆器驶离，进行火星表面巡视探测。

因此，按照火星探测器任务期间依此经历的地球磁层、行星际、火星周围及表面等不同区域的空间环境特征，可将任务期间环境划分为近地环境、行星际环境和火星环境。

1）近地环境：对应发射初期，从地面发射直到飞出地球磁层顶之前，历时约5～6 h；

2）行星际环境：对应地-火转移段，从飞出地球磁层顶直到抵达火星，历时约8个月；

3）火星环境：对应火星环绕与着陆及火面巡视探测阶段，环绕器历时约1年，火星车约3个月。

图1 火星探测器飞行过程Fig.1 The flight process of Mars probe

显然，这3类空间环境具有较大差异，火星探测器在这些区域的运行时间、工作状态、设计状态等特征也有所不同，因此不同区域内的空间环境对火星探测器的影响也不相同，需在设计中进行针对性分析与应对。

2 近地空间环境特征及防护设计要点

在火星探测器从地面发射后的几个小时之内、飞出地球磁层顶（向阳面地球磁层顶高度通常约65 000 km）之前，运行时间约5～6 h。在此期间所处空间区域为地球磁层以内的空间（见图2），这与绝大多数绕地航天器（运行时间或寿命通常为几个月到十几年不等）的运行区域相同。因此，从空间环境要素（或类型）上看，火星探测器面临的空间环境亦为近地空间环境，其环境要素与绕地球运行的航天器差异不大，主要包括地球磁场、地球辐射带、银河宇宙射线、太阳宇宙射线、地球中性大气、太阳电磁辐射等。

图2 火星探测器发射初期所处的磁层内环境Fig.2 The Earth’s magnetospheric environment during early stage of a launched Mars probe

但是，与绝大多数绕地航天器相比，火星探测器从飞行任务的特征上表现出两个显著差异（或者说是特点）：一是其从发射开始直到飞出地球磁层顶，运行时间很短，只有5～6 h，而绝大多数绕地航天器在磁层内的运行时间都在几个月到几年以上，甚至十几年；二是火星探测器在地球磁层内的运行（尤其在地球辐射带区域）是一次性穿越，而绝大多数绕地航天器则是在磁层内反复环绕甚至“沉浸”在地球辐射带之中。以上两个任务特点，使得火星探测器在这一运行阶段中，虽然所面临的空间环境要素与绕地航天器基本相同，但所受影响轻微很多。主要如下：

1）电离总剂量效应

图3(a)给出火星探测器整个任务期间（从发射到着陆火星的全过程）的辐射总剂量分析结果，其中包含地球辐射带剂量和太阳高能质子剂量2部分分量。由于发射初期穿越地球磁层顶之前的运行时间只有5～6 h，在此阶段遭遇太阳高能质子事件的概率要远远小于地-火转移阶段和环火运行的几个月乃至几年的长时间运行段，所以在发射初期，火星探测器遭遇的辐射总剂量主要来源于地球辐射带，故本节暂不讨论太阳高能质子造成的辐射剂量（图3(a)上方的曲线）。

探测器穿越磁层顶之后，进入行星际空间或环绕火星，这些区域不再存在类似地球辐射带的捕获粒子密集区域，因此整个火星探测任务中，地球辐射带引起的辐射总剂量只存在于发射初期这一阶段，在后续的任务阶段中，无论任务时间多长，这部分辐射剂量都不会再增加。

图3(b)是一些典型卫星任务期内的辐射总剂量分析结果，其中：地球静止轨道（GEO）通信或导航卫星，在轨15年；中高度地球轨道（MEO）的导航卫星，在轨10年；太阳同步轨道（SSO）的遥感卫星，在轨2年；“神舟”飞船轨道，在轨0.5年。

以通常的舱内电子元器件所在位置（对外空间的屏蔽厚度包括星体舱板约1 mm(Al)、设备外壳约2 mm(Al)，合计3 mm(Al)）为例，在火星探测器一次性穿越地球辐射带过程中，该处元器件所吸收的地球辐射带辐射剂量约为1×102rad(Si)（图3(a)中的下方曲线，实际上，由于飞行过程具有较大相似性，月球探测器在这一飞行阶段中的辐射剂量水平也与此基本相同）；而对于其他典型绕地航天器，则分别约为3×106rad(Si)（15年GEO）、7×105rad(Si)（10年MEO）、3×103rad(Si)（2年SSO）以及0.9×102rad(Si)（0.5年飞船轨道）。可见，火星探测器任务中所吸收的地球辐射带剂量与典型的GEO、MEO、SSO绕地卫星相比小1～3个数量级不等。而构成火星探测器的电子元器件和材料的抗电离总剂量能力通常在几krad(Si)以上，因此这一阶段的电离总剂量辐射并不严重，一般情况下并不需要刻意进行附加Ta 片等辐射屏蔽防护。

与0.5年飞船轨道3 mm(Al)屏蔽后的辐射剂量0.9×102rad(Si)相比，火星探测器接受的辐射剂量与之相当，这对于电子元器件和材料影响不大，但对于载人火星任务，在后续地-火转移、环火、落火以及返回地球的飞行任务中，航天员可能还会吸收更多的太阳高能质子辐射、银河宇宙射线辐射，以及返回地球时再次吸收地球辐射带高能粒子剂量，导致航天员在载人火星任务全过程中所吸收的辐射总剂量远远高于低地球轨道（约300～400 km高度）执行载人飞船或空间站任务的航天员所吸收的剂量，因此，载人火星任务中，航天员的辐射剂量防护将成为任务实现的关键技术之一。

图3 火星探测器及其他典型绕地航天器任务期间的电离总剂量Fig.3 Total ionizing dose for Mars probe and typical near-Earth spacecrafts during their missions

2）单粒子效应

火星探测器在发射初期运行于地球磁层内部这一阶段，所面临的引发单粒子效应的高能粒子源仍然主要来自地球辐射带质子以及银河宇宙射线和太阳宇宙射线中的重离子和质子，这与其他绕地航天器乃至月球探测器并不存在环境类型或强度上的差异。因此，在这一阶段，单粒子效应的影响与防护，与其他绕地航天器基本相似，没有特殊性。但如果火星探测器使用了对单粒子效应特别敏感的电子元器件，则应准确识别其薄弱环节并采取针对性防护措施。

3）表面充放电效应

引发表面充放电效应的空间辐射源，通常来自于地磁（亚）暴期间从地球磁尾向地心方向注入的热等离子体。热等离子体分布高度通常在20 000 km以上，分布在地方时子夜到凌晨的区域内。火星探测器发射初期，在穿出地球磁层顶前，将短时间内穿越20 000～40 000 km 左右的热等离子体区域，因此从理论上说，如果遭遇地磁（亚）暴，探测器也有发生表面充放电效应的可能。但由于地磁（亚）暴的发生概率很小，而火星探测器在5～6 h 内就完成了磁层顶的穿越，且穿越路径也不完全在热等离子体可能分布的地方时子夜到凌晨区域，所以无须将表面充放电效应作为火星探测器的重要风险考虑。在探测器设计中，只需对探测器表面材料的电阻率和接地状态按照通常的绕地卫星要求进行控制，并对单机产品鉴定件进行表面放电效应模拟试验的考核，便可将表面充放电效应的风险控制在可接受的范围内。

4）内带电效应

引发内带电效应的粒子源，是空间中存在的高能（能量通常在800 keV 以上）高通量的电子，只有产品长时间沉浸在这一高能电子环境中，才有可能产生内带电效应。美国空军给出的航天器可能产生内带电效应的条件为：轨道上存在能量大于2 MeV、通量大于3×108e/(cm2·sr·s)的高能电子，且持续3天及以上；或者通量大于1×109e/(cm2·sr·s)且持续1天及以上。这种高能电子暴环境，通常只发生在强烈地磁暴1～2天后的恢复相期间，出现的空间范围在外辐射带中心区域附近，大致在距离地面高度20 000～40 000 km 左右。所有的中高轨绕地航天器均需考虑内带电效应的影响。而对于穿越20 000～40 000 km 左右外辐射带中心区域的火星探测器来说，由于可引发高能电子暴的强烈地磁暴的发生概率极低，所以探测器基本不会遭遇此高能电子环境；而且即便是遭遇高能电子暴环境，探测器在磁层内的穿越时间只有5～6 h，也不可能具备引发内带电效应的长时间“沉浸”条件。因此，火星探测器无须考虑内带电效应的影响。

5）其他环境效应

在穿越地球磁层顶前，火星探测器还将遭遇地球中性大气、真空、太阳电磁辐射、地球磁场、微重力等空间环境要素，这些要素与普通的绕地航天器经历的空间环境差别不大，影响也基本相似，本文对此不再深入讨论。

3 行星际空间环境特征及防护设计要点

火星探测器发射约5～6 h 之后，将穿越地球磁层顶，进入行星际空间，开始漫长的（约8个月）奔向火星的飞行过程，即地-火转移过程。此时，火星探测器所运行的空间区域及空间环境特征，与通常的绕地航天器相比有了很大差异。此阶段的空间环境主要特征有：

a.脱离了地球磁场的保护，面临比地球磁场更弱的行星际磁场，太阳风可直接到达探测器表面，但由于能量太低（电子低于1 eV，正离子低于1 keV），太阳风粒子不能进入探测器内部；

b.不再遭遇地球辐射带环境；

c.持续遭遇银河宇宙射线，并成为此运行阶段的主要带电粒子辐射源；

d.约8个月内，可能会遭遇1次特大太阳质子事件；

e.持续处于高真空环境。

结合火星探测器在地-火转移阶段的任务特点，与绕地航天器相比，空间环境在这一阶段对火星探测器的影响虽然在效应的类型上差别不大，但其效应却具有一些特殊的重要特征，在火星探测器的设计研制中需予以重点关注并采取措施予以防护。

1）电离总剂量效应

由于脱离了地球辐射带区域，所以如果没有遭遇太阳质子事件，则所累积的辐射总剂量几乎为0。

由于太阳质子事件的爆发具有一定的概率和随机性，考虑火星探测器在此期间乃至后续环火的几个月到几年间可能遭遇1次类似于1989年10月的特大太阳质子事件。此类事件在火星探测器上所造成的辐射剂量水平见图3(a)上方的曲线。仍以3 mm(Al)屏蔽处为例，由图可见这一部分辐射剂量比地球辐射带造成的剂量高了1个数量级以上，虽然仍对电子元器件和材料的影响不大（相关数据分析见第2章），但对于载人火星任务而言，则是航天员辐射防护的重中之重。此部分剂量的特点是，在此期间可能发生也可能不发生；如果发生，则是一次性的，与飞行时间长短关系不大。

2）单粒子效应

在地-火转移段，直到环火轨道，火星探测器所面临的可引发单粒子效应的高能粒子环境，与发射初期及通常的绕地航天器相比，除了不存在地球辐射带质子之外，其他的主要为银河宇宙射线和太阳宇宙射线环境，这与月球探测器在奔月过程中面临的同类环境基本相似。如果不考虑火星探测器是否使用了对单粒子特别敏感的电子元器件的因素，通常而言，在此阶段的单粒子效应发生频度，与通常的绕地航天器或月球探测器的差别不大。

但是火星探测器在奔火过程中，与地球的距离逐渐变远（见图4），最远到达3亿～4亿km，此时无线电波从探测器传输到地球的最长时延可达17～20 min。这一特点使得探测器一旦发生单粒子效应导致电子设备功能中断，如果采用遥测监视到异常、进行故障判断、发送遥控指令予以恢复的措施，耗时将达到40 min 以上；如果发生故障的是对探测器的运行或姿态或关键动作密切相关的关键设备，则在此期间探测器将可能处于失控状态。因此，依靠地面遥控进行单粒子效应防护的方法，针对绕地航天器和月球探测器行之有效，但对火星探测器而言则可能无效，因而火星探测器的单粒子效应防护的关键是确保在轨故障的自主诊断和自主恢复。

图4 火星探测器与地球的距离变化Fig.4 The variations of distance between Mars probe and Earth

3）太阳辐射能

由于火星与太阳的距离约为1.5 AU，从地球飞往火星的过程中，火星探测器与太阳的距离也从1 AU 逐渐增大到1.5 AU，其接收到的太阳的辐射能将随之不断衰减。如表1所示，在地球周围约1 AU处，太阳辐射能约为1366 W/m2；当探测器到达火星周围后，太阳辐射能将下降到500～700 W/m2左右。

表1 典型火星任务的地-火转移过程中太阳辐射的衰减Table1 The attenuation of solar radiation during the transfer process from Earth to Mars

当火星探测器采用太阳电池作为能源供给时，奔火过程中太阳辐射能的不断衰减，尤其是到达火星后降到最低，使得太阳电池的发电功率大幅度衰减。同样面积的太阳电池阵，在火星附近的输出功率几乎只有在地球附近时的一半甚至更少，这对太阳电池阵一次电源系统的设计提出了重要约束。

随着奔火过程中太阳辐射能的下降，火星探测器太阳电池阵的输出功率逐渐减小，使得探测器在地球周边时储存的大量电能需要分流消耗，这对电源控制器的设计提出了挑战，可能需要电源控制器单机和探测器总体共同采取措施才能实现。

另外，由于在火星附近太阳辐射能降到最低，与地球附近相比火星探测器所获得的外热流大幅度降低，可能不足以满足探测器热控的需求，需要采取有别于绕地航天器或月球探测器的特殊措施（如集热器、气体保温等）。

4）真空冷焊与干摩擦

与绕地航天器类似，火星探测器在整个地-火转移过程沉浸于高真空环境之中，真空度高达10-14Pa。对处于此真空环境下的火星探测器而言，由于很多部件如降落伞打开装置、缓冲发动机的运动部件、着陆器和火星车的行进部件等，需要到达火星周围或着陆火星后才进行动作或释放，而在地-火转移段这些部件则处于长时间的压紧和不动作状态，所以容易产生真空冷焊或干摩擦，对到达火星后的部件展开、运动或释放产生重大影响，甚至导致任务失败。因此，真空冷焊与干摩擦是火星探测器重要的空间环境次生效应防护对象。

4 火星空间环境特征及防护设计要点

火星探测器经过约8个月的漫长旅途到达火星后，经过多次变轨进入环火轨道，并向火星表面释放着陆器和火星车，开展火星表面的巡视探测等任务。在火星周围与火星表面，存在明显与地球不一样的空间环境，可对火星探测器产生重要影响。

1）火星大气

火星表面大气成分不同于地球，其主要成分为CO2，体积占比约为95.3%（见表2）。火星大气密度与压力也远低于地球，表面大气压约为6 mbar（合798 Pa），不到地球表面大气压力的1%，但却远远高于绕地航天器所处的高真空环境（10-2～10-9Pa）的压力。火星大气中存在较强的风。

表2 火星大气成分Table 2 Atmospheric compositions of Mars

火星大气密度以及风速等要素，对环火轨道的设计形成约束，同时对进入、下降与着陆（Entry,Descending and Landing,EDL）过程的降落伞减速效果、着陆准确性和安全性等产生重要影响。

绕地航天器在相当于火箭发射的主动段高度约30～50 km 时，地球大气压下降到700 Pa 左右，在其后约10天左右的短时间内可能引发低气压放电；进入轨道处于高真空环境后，不再存在低气压放电的风险（有气体泄放或释气的设备除外）。但是火星着陆器和火星车长期工作于火星表面低气压环境下，在整个任务期间都很容易产生低气压放电。同时，低气压放电与环境气体成分具有一定相关性，地球大气（N2为主）与火星大气（CO2为主）的低气压放电特征存在一定差异。以上问题，均需在火星探测器设计中予以考虑并解决。

2）火星尘与尘暴

火星表面遍布尘埃，在稀薄干燥大气和风作用下，火星尘被扬起到大气中，当特定条件满足时，可转变为区域性或全球性尘暴。这种尘暴常发生于火星热带和南半球夏季。区域性尘暴一般持续几周，可以覆盖大片区域；全球性尘暴在火星上几乎每个火星年都会发生1次，持续时间达几个月。全球性尘暴一般在火星近日点即火星南半球为夏季时从南半球爆发。

火星尘暴会对着陆火星的着陆器和火星车电源系统产生影响。尘暴对太阳辐射中的短波削弱最强，使得蓝光减弱，因此在着陆器或火星车的太阳电池片设计中，需进行对红色和红外线有更好响应的工艺参数调整。

火星尘暴阻碍了太阳辐射的进入，降低了火星表面的平均温度和最高温度；同时也阻碍了火星表面的红外辐射，从而提升了火星表面温度的最低值。这些变化对火星着陆器和火星车的热控设计提出约束。

在火星表面随风而飘的火星尘，一旦降落到着陆器或火星车上，可遮挡入射到太阳电池阵的太阳光从而降低其发电功率，遮挡相机或光学敏感器镜头影响相机成像或敏感器工作，或进入轴承等运动部件造成运动卡滞等各种不利影响，因此火星探测器的很多相关部件与设备均需进行良好的防尘设计，才能确保探测器在火星表面上的正常工作。

3）火星表面地形地貌

火星表面存在各种石块和坑洞，这些石块与坑洞的大小、土壤松软度、坡度大小等，将直接影响火星探测器的着陆稳定性与安全性，关系到探测器能否成功着陆、是否落得稳、着落姿态是否正确等若干问题，因此必须在火星探测器设计中予以充分考虑，其中关键是对地形环境的不确定性的应对策略与措施，这往往需从探测器总体层面来协调解决。

4）带电粒子辐射

火星表面的带电粒子辐射环境相对简单。由于火星没有全球性磁场，所以表面不存在带电粒子辐射带。因此在环火与火星表面任务期间，如不遭遇特大太阳质子事件，则探测器接收的辐射剂量几乎为0，与任务期长短无关。银河宇宙射线持续照射火星着陆器与月球车，是产生单粒子效应的主要辐射源。基于火星探测器与地球距离太远的特征，单粒子效应的防护关键也仍然是自主处理，而不能依赖于长时延电波传播的地面干预。同样由于不存在热等离子体与高能电子环境，所以火星表面不会出现类似绕地航天器的表面充放电效应和内带电效应。

5 结束语

火星探测器任务中经历了地球磁层、行星际空间和火星周围与表面的不同空间环境，针对探测器自身的任务特征和设计特征，其不同运行阶段的空间环境影响及防护重点存在较大差异。对于常规的空间环境适应性设计工作，如电离总剂量、地球大气、地球磁场、真空等影响与防护，基本上与通常的绕地航天器相似。而对于火星探测任务有特殊性的空间环境防护，其防护设计需重点关注：

1）长时间远距离飞行中单粒子效应的自主探测与恢复；

2）远离太阳导致太阳辐射能下降带来的对电源设计与热控设计的影响；

3）火星表面CO2低气压引起低气压放电等若干问题；

4）火星大气及风对环火及EDL过程轨道设计与着陆安全性的影响；

5）火星尘暴对光与太阳辐射遮蔽对电源和热控设计的影响；

6）火星表面地形不确定性对着陆安全性及巡视器行进与避障的影响。

只有切实结合火星探测器的任务特点与设计特点，对其任务全过程中的空间环境影响特征进行分析，才能确保火星探测器的空间环境适应能力，从而有助火星探测器的任务成功。