浅谈浮空器探测火星的设想

摘  要：随着深空探测技术进步以及科学探测口标的需要，利用火星具有稀薄大气的特点，国外提出了使用浮空器对火星进行探测的方案，用以对火星表面和大气环境进行深入研究，弥补其它探測方式的不足。本文通过介绍国外行星浮空探测技术的研究进展以及我国浮空器的研究情况，提出了我国未来利用小型浮空器进行火星浮空探测的方案设想以及进行国际合作的可能。

关键词：火星探测;浮空器;气球着陆器

1引言

地球上利用浮空器探空气球、飞艇等进行大气探测、微重力试验、遥感成像的技术已较为成熟，特别是己经研制出了能够长时间飞行在碑高度的平流层高空探测气球。国外一些科学家提出了利用火星具有稀薄大气的特点，使用浮空器对火星进行科学探测的方案。火星近地表面的大气压约500Pa-700Pa，与地球30km-35km高空的大气庄力接近。火星浮空器可以利用火星低空大气与地球平流层大气压力相近这一特点，充分利用掌握的地球高空探测气球技术，使用超压气球携带探测器平台漂浮在火星上空，并利用火星大气运动带动探测器进行移动探测。相比火星环绕器，火星浮空器更接近火星表面，因此其观测精度比环绕器更高相比火星巡视器，浮空器可以利用火星大气自由运动，不受火星地形地貌限制，因此其探测范围更广。火星浮空器的应用可以填补火星一定高度大气温度、密度、风速和辐照等环境数据的空自，具有重要的科学意义。

2浮空探测的关键技术

根据我国目前浮空器的研究情况和深空探测技术发展的需要，需要解决如下关键技术。

2.1浮空器超压气球的构造

为了保证火星浮空器在温度、气压变化剧烈的情况下飞行高度变化不大，必须采用超压气球维持气球的构造。气球构型对气球承受压力的均匀程度，气球容积与材料利用率的大小，气球的空气动力特性以及热特性都有较大影响。目前我国超压浮空器的研究刚处起步阶段，需要对构型设计进行深入研究。

2.2浮空器气球囊体材料

浮空器方案技术是否可行关键取决浮空器所用超压气球气囊材料的研制。材料要具有很低的面密度、较低的氦气泄漏率、较高的抗拉强度、耐高低温和空间辐照环境，还应具有较长的存放寿命和不低于7天的使用寿命。目前，我国现有的气球囊体材料面密度较高，使用寿命较短，尚不能满足火星浮空器的需要。

2.3浮空器气球充气展开技术

浮空器气球充气介质一般为氦气，由于火星大气密度低，即使要携带少量的有效载荷也需要很大体积的气球。因此为了给气球充气，需要使用高压氦气充气装置对气球进行充气。气球的气囊材料一般十分轻薄，抗拉强度有限。充气时如果不对气体流量进行限制导致充气速度过快，会造成气囊没有展开前局部压力过大将气囊撕裂。因此需要研究气囊的折叠存放方式和充气的速度控制方式，使气囊可以在较快的时间内完成充气并不对气囊造成损坏。还需要研究充气装置与气囊的分离技术，使充气装置安全的与气囊分离，充气装置与气囊的接处密封完好。

2.4浮空器系统集成和微小型化技术

在火星大气密度下，单位体积的浮空器升力有限，所携带的有效载荷较小。需要对探测器系统进行高度的集成，对各种仪器、载荷进行微小型化设计，减轻重量和功耗。浮空器自身携带的蓄电池的能量有限，为了保证有效载荷和主动热控系统对能量的需求，除了采取必要的能源调节控制技术，还必须在气球囊体上安装柔性薄膜太阳电池片提供足够的电能。我国目前还未能掌握面密度小于的柔性薄膜太阳电池片的生产工艺。

2.5浮空器飞行轨迹控制技术

火星浮空器的运动主要由火星大气带动浮空器气球运动实现。火星低空大气运动规律尚不清楚，因此浮空器的飞行轨迹不能事先预测。这就需要研制简易的飞行控制系统，为浮空器的运动提供一定的控制能力，使浮空器在任务周期内的运动轨迹尽可能处在环绕器的测控覆盖范围内。

3结束语

随着我国深空网的建设，大型运载火箭的研制，我国完全可以进行自主火星探测。可以充分利用火星着陆器的能力，携带一个小型的浮空器在空中对火星表面和大气环境进行探测。该探测方案摆脱了传统的探测模式，具有开拓性创举，弥补了环绕探测和巡视探测的一些不足，取得的科学数据填补了火星一定高度大气环境探测数据的空自，具有重要的科学意义。另外，我国应不失时机地开展国际合作，充分利用国际资源进行火星探测。

参考文献：

[1]陈旭，长时高空气球的研制发展[J]航天器工程2019.2

[2]国泰，火星气球探测[C]中国空间科学学会空间探测专业委员会第二十次学术会议论文集2017

[3]陈昌亚，火星探测器设计及研制进展[J]上海航天2018.3

作者简介

叶彬彬（1990.05—）安徽合肥人，助理工程师，主要从事浮空器全工艺流程及加工制作方法研究