零下90摄氏度、稀薄二氧化碳，地球上的“火星研究站”长什么样？

北京科技报 | 中国航天报

2019-12-04

11月14日，据媒体报道，我国火星探测任务进行了着陆器悬停避障试验。众所周知，未来着陆器在降落到火星表面前将进行悬停避障，以确保降落任务的圆满成功。

那么，细心的人或许会问，地球和火星环境大不一样，科学家和工程师们是如何在地球上模拟火星环境，为火星探测器保驾护航的呢？

如何模拟火星重力

火星是一颗平均直径约6780公里的大行星，它要比我们生活的地球小得多，其表面重力加速度也低得多，3.72米/秒²的加速度大致相当于0.38g，或者说是地球表面重力的0.38。由于火星表面重力远低于地球，那么在地球上如何模拟火星的低重力呢？

在地球上模拟火星的微重力和低重力方法有：力平衡模拟法和运动模拟法。

力平衡模拟法的原理很简单，就是用外力抵消部分重力。空间站航天员的地面训练，就使用大水池，利用水的浮力抵消部分重力，模拟近地轨道上的失重环境。其实，失重水池对模拟火星并不太合适，主要是其无法完美模拟0.38g的低重力环境，不过美国约翰逊航天中心仍然在使用中性浮力实验室的大水池，为登月以及登火提供模拟。

对于那些要经历“恐怖7分钟”，在火星表面着陆的着陆器来说，中性水池对它们的低重力模拟要求已经力不从心了。这时候，悬吊式低重力模拟系统就出场了。

悬吊式的基本原理是通过提供向上拉力来抵消一部分重力，模拟低重力环境，我国的火星着陆器悬停避障试验就使用这种方式。

悬吊法模拟低重力的原理简单、灵活可靠且应用广泛。比如，美国宇航局研制团队在2020火星车上携带一架直升机，通过连接到直升机顶部挂绳的重力卸载系统，模拟火星上的0.38g低重力。对于火星车这样需要长时间低重力环境测试的系统，大家还使用过挂上气球，用浮力抵消部分重力的方法。

对于短时间模拟来说，最合适的手段还是利用抛物线失重飞机的方法，这是最常见的运动模拟法，而落塔和探空火箭只适用于小型载荷的短时间低重力模拟。

失重飞机还有一个更著名的名字叫“ZeroG飞机”，通过精心设计飞行路线，它也可以模拟火星表面的0.38g重力。2016年，滑板高手托尼·霍克就坐上ZeroG飞机，在模拟火星的低重力环境下玩滑板，虽然他的身手和技巧非常出色，但在低重力下还是变成了“运动低能”的样子，看来适应低重力环境并不容易。

如何模拟火星地表

火星和地球的环境不同，不仅表现在重力加速度不一样，火星表面的地形地貌也和地球大相径庭。假如着陆器试验仅仅模拟低重力是不够的，还得逼真地模拟火星表面地表地貌的形态。对于火星表面移动的巡视器/火星车来说，模拟火星表面地貌更是必不可少。

虽然地球和火星环境差异很大，但要放宽条件只是部分模拟火星环境，倒也并不太难。

美国火星学会在地球上建立了两个火星研究站。这两个研究站都建立在貌似火星部分环境的地区，为巡视器乃至载人火星任务提供充分的试验场地。火星学会在美国犹他州建立了著名的火星沙漠研究站，虽然这里的气温、气压、大气成分和火星截然不同，但遍地石头的地形地貌和火星非常相似，而且那儿经常会刮起的大风可以部分模拟火星的沙尘暴环境。火星学会还在加拿大位于北极的德文岛上建立了另一个名为闪线的火星研究站，那里有类似于火星环境的低温和大风。

2013年，美国宇航局官方还在夏威夷活火山莫那罗亚北坡建立了火星模拟基地。那儿的地貌和干燥的气候都和火星十分相似，航天员们在模拟火星基地的穹顶建筑中长期共同生活，接受孤独和极端环境下工作和生活的考验。

试验者们在这些火星模拟研究站中生活和工作，主要目的是模拟和验证人类对类似火星环境下，长期与世隔绝生活的适应性，为将来的火星载人任务积累经验教训。比如，夏威夷模拟基地就曾出现过试验者疑似触电受伤的情况，这为未来载人火星任务发出了警报，未来长达数年的火星任务极端复杂，需要准备好方方面面的突发事件预案才能保证人类平安归来。

如何模拟火星大气

火星重力和地表都和地球大不相同，既然它是一颗直径更小且重力更低的大行星，从常理推断就能知道它的大气环境肯定也截然不同。火星的大气密度只有地球的约1%，而且绝大部分成分是二氧化碳，这不仅影响航天器在火星着陆，对火星地表考察工作也有很大的影响。

目前，火星着陆器都使用热盾防热减速加降落伞减速的方式，火星大气密度低，着陆过程和地球环境有很大不同。比如，火星降落伞都是超声速开伞，开伞冲击过载大，降落伞阻力效率低，这对降落伞设计提出了不同的要求。

美国宇航局多次使用探空火箭发射试验火星着陆器的降落伞。近些年，他们还使用大型氦气球做了超声速环帆降落伞的试验。

在2014年的降落伞模拟实验中，美国宇航局用氦气球搭载试验器升空，飞到距离海面36公里的高空，随后火箭将其推送到55公里的高空，利用地球高空稀薄大气模拟火星大气环境，随后降落伞充气展开为一个直径33米的大型超声速降落伞，不过这次试验由于降落伞部分缠绕而以失败告终。

由于2020火星车还要带一架直升机，所以对它进行测试可不能只靠什么探空火箭或气球。美国宇航局使用了一个7.62米宽的大型真空室，内部填充了稀薄的二氧化碳来模拟火星大气，真空室还模拟了火星大气零下90摄氏度的低温环境。可喜的是，火星直升机在喷气推进实验室的模拟环境中成功进行了多次飞行，证实了它在火星大气环境中可以正常工作。

文/张雪松

编辑/杨蕾张晓帆

监制/许斌

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