趙 靜，魏世民，唐 玲，危清清

(1.北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，北京100876；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100090)

1 引言

自上世紀(jì)六十年代蘇聯(lián)發(fā)射了第一個(gè)火星探測(cè)器以來(lái)，火星探測(cè)越來(lái)越受到各國(guó)的重視。到目前為止，人類發(fā)射的火星探測(cè)器約45枚，成功到達(dá)火星的約18枚，著陸探測(cè)任務(wù)僅有7次獲得成功[1-2]。2004年1月，勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)成功登陸火星，探索火星表面上可能曾經(jīng)存在水的兩個(gè)著陸點(diǎn)古謝夫環(huán)形山和梅里迪亞尼平原，并評(píng)估這些地點(diǎn)過(guò)去的環(huán)境條件及其對(duì)生命的適應(yīng)性[3]。機(jī)遇號(hào)從地貌和沉積上判定其著陸區(qū)的前期地貌應(yīng)屬于水成地貌，而勇氣號(hào)在著陸區(qū)則發(fā)現(xiàn)疑似湖積物的暗色泥質(zhì)體[4]。2012年8月6日，好奇號(hào)成功登陸火星，主要對(duì)火星氣候特征、地質(zhì)特征以及是否有生命存在的可能進(jìn)行探索，并且傳回了大量珍貴的火星資料，為人類探索火星了奠定基礎(chǔ)[5]。

目前，國(guó)內(nèi)外主要針對(duì)火星表面地形地貌、火星土壤性能和土壤的參數(shù)模擬等方面開(kāi)展研究，沒(méi)有針對(duì)影響火星車行駛性能的火星環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)地歸納分析。本文對(duì)成功登陸火星的探測(cè)器傳回來(lái)的圖像以及數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納整理，對(duì)火星車行駛區(qū)域的地表地形的物質(zhì)特征和力學(xué)特性進(jìn)行研究，總結(jié)出火星車行駛區(qū)域的重要模擬參數(shù)，為后續(xù)相關(guān)研究提供參考。

2 火星地形地貌

2.1 火星探測(cè)器登陸情況

雖然火星探測(cè)起步于蘇聯(lián)，但到目前為止，美國(guó)是火星探測(cè)器發(fā)射最多也是火星探測(cè)最為成功的國(guó)家。發(fā)射成功及預(yù)計(jì)發(fā)射的登陸器或巡視器的國(guó)家、時(shí)間、地點(diǎn)以及成就總結(jié)如表1所示。

2.2 火星地形地貌概述

同地球一樣，火星上也有平原、山脈，有丘陵，有溝谷，甚至還有隕石坑，但火星基本上是沙漠行星，火星表面覆蓋著一些松散的顆粒材質(zhì)，由于重力等因素的影響，火星地形和地球地形相比也有許多不同的地方。以下根據(jù)在著陸點(diǎn)采集的信息對(duì)火星地形地貌進(jìn)行歸類分析。

2.2.1 高地/山

與水星和月球類似，火星的地質(zhì)活動(dòng)并不活躍，且目前的火星仍處于地質(zhì)不活動(dòng)期[6]，但可從已知的火星地質(zhì)資料能大致推斷出火星過(guò)去的地質(zhì)活動(dòng)情況?？偯娣e約占火星表面1/4的Tharsis Bulge高地最為著名，中心位于(101 W，14 S)點(diǎn)處，最高點(diǎn)高于火星地平面11 km，其形狀似圓形，周圍是呈放射狀的斷層；根據(jù)古老的斷層地質(zhì)信息可以推斷出Tharsis Bulge高地在火星地質(zhì)早期就已形成[6]。此外火星表面還有許多大小各異的環(huán)形山以及比較年輕的山谷、小山。地質(zhì)學(xué)家推斷，隕石撞擊及火山噴發(fā)都是環(huán)形山形成的原因[6]。

2.2.2 峽谷

火星地貌的另一個(gè)顯著特征是峽谷。

一般而言，地球上峽谷的形成主要原因有流水、地殼運(yùn)動(dòng)、地質(zhì)變遷和地震等[6]，但火星并非如此，它是一顆地質(zhì)運(yùn)動(dòng)并不活躍的星球，卻擁有顯著的峽谷地貌。根據(jù)目前掌握火星的地質(zhì)信息情況，能夠解釋火星上的峽谷形成的原因大致有三個(gè)方面：①地質(zhì)斷層；②地殼張裂；③火山活動(dòng)[6-7]。在火星赤道區(qū)域有一個(gè)著名的峽谷即Valles Marineris大峽谷[6-8]，其地勢(shì)異常的險(xiǎn)峻，峽谷中有斷層懸崖，但沒(méi)有侵蝕堆積物，可以證明該峽谷的形成可能是地質(zhì)斷層作用，如圖1所示?；鹦橇硪粋€(gè)著名峽谷水手峽谷，其形成原因則可能是因?yàn)榈貧さ膹埩裑7]。

表1 登陸器或巡視器登陸地點(diǎn)和運(yùn)行狀態(tài)Table 1 Landing location and operating status of landers or rovers

2.2.3 火山及火山坑

火星雖然沒(méi)有活躍的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)，也未發(fā)現(xiàn)火星上有火山活動(dòng)的跡象，但卻有許多類似地球的火山特征。

在火星北部的高地，有許多類似火山坑的地貌，其主要物質(zhì)組成為玄武巖[7]。在30億年前，火星可能發(fā)生過(guò)較大規(guī)模的火山噴發(fā)，導(dǎo)致火星巖漿和火星灰等物質(zhì)涌出地面留下了火山遺跡，主要集中在Tharsis Bulge高地和Elysium Bulge高地[6]。在 Tharsis Bulge高地還有 Arisia Mons、Pavonis Mons和Ascraeus Mons 3個(gè)大型盾形火山，平均高度約為6 km，平均直徑約為700 km[7]。而在Elysium Bulge高地上也有Elysium Mons、HecatesThalus和AlborThalus 3座火山，其中最大的火山為 Elysium Mons，高度為 14 km，寬度為170 km，其側(cè)面非常陡峭(斜坡角度達(dá)到78°～80°)；位于(133 W，18 N)的 OlympusMons火山是火星上最大的火山，高出火星地平線27 km，其寬度達(dá) 500～600 km[9-10]。

2014年11月26日，歐洲航天局(ESA)的火星快車號(hào)傳回了火星北部阿拉伯高地(Arabia Terra)的SiloePatera地區(qū)的照片，如圖2所示[11]。兩個(gè)巨大的嵌套式火山坑組成了Siloe Patera地區(qū)。外面的火山坑長(zhǎng)40 km，寬30 km，最深處可達(dá)1750 m。據(jù)物質(zhì)成分分析顯示，紋理細(xì)膩的層狀硫酸鹽以及粘土物質(zhì)是阿拉伯高地地質(zhì)的主要成分[7]。

圖2 火星火山坑[11]Fig.2 Volcano pit of Mars[11]

2.2.4 隕坑以及坑地形

火星表面有大量的火星坑，大致是隕星撞擊等相關(guān)活動(dòng)風(fēng)蝕土侵相互作用的結(jié)果，具有碎形分布的特征[12]。與月球坑不同的是，火星坑地形相對(duì)豐滿，形成這種地形的原因可能是風(fēng)力侵蝕[12]?；鹦堑乇沓錆M火星坑，且南北半球的分布很不均勻：南半球火星坑聚集，2/3區(qū)域坑化嚴(yán)重；北半球則火星坑稀少且1/3區(qū)域的火星坑相對(duì)較淺，這表明北半球的火星坑較為年輕[12-13]，火星坑地形如圖3所示。

圖3 隕坑[13]Fig.3 Meteorite pit of Mars[13]

2.2.5 河道

火星南半球河道地貌非常顯著，似乎有流水沖刷侵蝕的痕跡，如圖4所示[14-15]。但除流水沖刷外，火山熔巖流、地質(zhì)斷層、風(fēng)蝕等都可能形成類似河道地貌，不排除火星某個(gè)時(shí)期一些特殊的天氣或氣候條件形成火星河道地貌的可能。與地球河道地貌相似，徑流河道和溢流河道為火星上河道地貌主要類型。徑流河道多分布在南方高地，河道之間互相聯(lián)系，四通八達(dá)，交織而成一個(gè)河道網(wǎng)絡(luò)；溢流河道主要分布在赤道，其形態(tài)類似大水沖刷的痕跡，分布混亂無(wú)序且河道非常深[14-15]。

圖4 火星河道[15]Fig.4 River of Mars[15]

2.2.6 沙丘

沙丘在火星北極地區(qū)呈帶狀分布，其他則零星分布于隕坑、峽谷之間[16]。由于塵暴吹起的巖屑在火星風(fēng)的作用下不斷吹起又沉降，導(dǎo)致了火星上的沙丘地貌的形成，如圖5所示[16-17]。但另一奇怪的現(xiàn)象是：在火星探測(cè)器“海盜號(hào)”的著陸地點(diǎn)，被吹起的沙塵沉降后并沒(méi)有形成沙丘地形[16]，這也表明沙丘的形成機(jī)制并沒(méi)那么簡(jiǎn)單。沙丘的主要物質(zhì)組成成分為玄武巖顆粒，北極沙丘則以石膏質(zhì)顆粒組成為主；從粒徑上來(lái)看，沙丘粒徑主要由平均粒徑為430 mm粗沙和粒徑不小于120 mm的中沙組成[16]。

3 火星表面物質(zhì)特性

3.1 火星土壤

3.1.1 火星土壤特性

圖5 火星沙丘[17]Fig.5 Dune of Mars[17]

火星土壤的特性與火星探測(cè)器在火星的著陸以及火星車在火星的運(yùn)動(dòng)有著密切的聯(lián)系?；鹦翘綔y(cè)器所攜帶的土壤探測(cè)儀得到的表層火星土壤數(shù)據(jù)顯示，火星表面土壤與月球表面相似，其顆粒直徑的分布范圍比較廣，且火星土壤表層的顆粒直徑比月球土壤表層的顆粒直徑要大，火星土壤密度比較小，火星表層容重總體上要比月球土壤表層容重小，火星土壤的內(nèi)摩擦角要比月球土壤的內(nèi)摩擦角小，火星土壤的承載力和月球接近[18-19]。

綜上，對(duì)火星、月球和地球的土壤樣本的對(duì)比分析并得到以下火星土壤形成原因：在火星上，溫差和風(fēng)導(dǎo)致的物理風(fēng)化、隕石撞擊導(dǎo)致的巖石破碎效應(yīng)是其土壤形成的主要原因；在月球上，土壤形成與火星類似，隕石撞擊同樣是其主要因素；而在地球上，土壤形成的過(guò)程中液態(tài)水的作用最為明顯。

3.1.2 火星土壤的力學(xué)參數(shù)

火星表面的土壤是由固體顆粒組成，顆粒本身的強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒間的連接強(qiáng)度，一旦遇到外力，固體顆粒之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，從而引起火星土壤的一部分相對(duì)另一部分滑動(dòng)[20-21]。行星表層土的強(qiáng)度一般用內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角兩個(gè)參數(shù)描述，顆粒間粘結(jié)力的大小用內(nèi)聚力的值表示，火星土壤顆粒間摩擦力的大小則由內(nèi)摩擦角的值表示[22-24]。由于火星車上沒(méi)有測(cè)量土壤力學(xué)參數(shù)的專用設(shè)備，因此火星土壤力學(xué)參數(shù)的研究主要是探測(cè)器的實(shí)地就位探測(cè)數(shù)據(jù)分析和地面模擬火星土壤仿真分析。通過(guò)采樣鏟與土壤和車輪與土壤之間的相互作用進(jìn)行反演估計(jì)火星力學(xué)參數(shù)。表2所示為火星表面5個(gè)降落點(diǎn)(不包括好奇號(hào)巡視器)的火星土壤力學(xué)參數(shù)估計(jì)[20-24]。

表2 火星土壤的力學(xué)參數(shù)[21-24]Table 2 Mechanical parameters of Martian soil[21-24]

3.2 火星塵土

火星塵埃主要組成成分為極細(xì)粒的硅酸鹽顆粒物。2008年，鳳凰號(hào)在火星近北極發(fā)現(xiàn)了高氯酸鹽物質(zhì)，這是火星探測(cè)器首次發(fā)現(xiàn)高氯酸鹽物質(zhì)[25]。2012年8月份，好奇號(hào)在火星蓋爾隕坑執(zhí)行任務(wù)時(shí)也探測(cè)到了高氯酸鹽物質(zhì)的存在[25]。目前國(guó)內(nèi)外的研究對(duì)于火星塵埃也只是初步認(rèn)識(shí)其基本特性，對(duì)于火星塵埃的監(jiān)測(cè)，在無(wú)論方法還是技術(shù)手段均需進(jìn)一步提高。因?yàn)榛鹦菈m埃會(huì)在火星地表隨風(fēng)遷移，會(huì)考慮到這種物質(zhì)對(duì)火星探測(cè)器表面工作的光學(xué)部件、航天員的航天服可能產(chǎn)生的威脅以及火星探測(cè)器的壽命的影響[26-28]。目前，火星塵埃的特性討論和研究主要方法是風(fēng)洞仿真實(shí)驗(yàn)[25-28]。

3.2.1 塵埃帶電

運(yùn)動(dòng)的塵埃是否帶電，這對(duì)監(jiān)測(cè)火星探測(cè)器表面的塵埃累積十分重要。有不少學(xué)者認(rèn)為火星表面的靜止沙粒和塵埃產(chǎn)生帶電現(xiàn)象主要因?yàn)榈竭_(dá)表面的紫外線入射帶電，而運(yùn)動(dòng)的火星塵埃和沙?？赡茉诰盹L(fēng)和塵暴的作用下，塵埃顆粒碰撞使得火星塵埃帶電[25-28]?；鹦菑?fù)雜的塵埃靜電環(huán)境給航天員的航天服以及火星探測(cè)器帶來(lái)極大影響。此外，火星塵埃的沉積使得太陽(yáng)能電池板以及裸露在火星環(huán)境中的其他硬件設(shè)備的效率和壽命帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，勇氣號(hào)曾因?yàn)楣╇娤到y(tǒng)中的太陽(yáng)能電池板蒙塵，電力供應(yīng)一直持續(xù)下降導(dǎo)致供電系統(tǒng)癱瘓[29]。

3.2.2 磁性塵埃

火星上存在磁異常現(xiàn)象[25]，這表明火星上極有可能存在含有磁性物質(zhì)的土壤和塵埃?；鹦巧蠚夂驉毫樱诟鞣N外界環(huán)境的長(zhǎng)期侵蝕下，火星巖石風(fēng)化面碎裂導(dǎo)致火星巖石中含有磁性物質(zhì)[21]。對(duì)已有的火星探測(cè)數(shù)據(jù)的分析顯示，火星土壤和塵埃平均磁化強(qiáng)度較低，但均呈現(xiàn)出磁性響應(yīng)[30-31]，監(jiān)測(cè)這種磁性塵埃、磁性土壤和磁性巖石的分布與特性十分重要。

3.2.3 火星塵埃的基本參量

根據(jù)火星探測(cè)器初步探測(cè)[31-33]，獲得火星塵埃的基本物理參量，具體參數(shù)如表3所示。

表3 火星塵埃的物理參量[32-34]Table 3 Physical parameters of Mars dust[32-34]

3.3 火星巖石

火星表面除了土壤和塵土外，還分布著大量的巖石。據(jù)統(tǒng)計(jì)，火星表面的巖石分布密集程度比月球表面多[33]，這對(duì)于火星探測(cè)器提出更大的挑戰(zhàn)。了解并掌握火星巖石分布及物理特性，能夠?qū)鹦翘綔y(cè)器機(jī)械設(shè)計(jì)及著陸提供參考。

與地球石塊狀態(tài)相對(duì)比，火星石塊的裸露狀態(tài)可分為：完全裸露、部分裸露和完全埋沒(méi)；火星石塊形狀分可為：方形、圓形和三角形。由此可統(tǒng)計(jì)海盜1號(hào)(Viking-1 lander)、海盜2號(hào)(Viking-2 lander)以及探路者號(hào)(Mars Pathfinder)探得的石塊裸露情況如表4。

由表4可以得出著陸器著陸點(diǎn)石塊分布情況如下：Phoenix＜Viking-1＜Viking-2 ＜Pathfinder，而Pathfinder處的石塊分布最多，大于0.1 m的石塊分布占比約為19%，Viking-2著陸點(diǎn)附近的石塊與Pathfinder著陸點(diǎn)處的石塊分布十分接近，在17%左右，Viking-1的石塊分布在 5%左右，而Phoenix石塊分布量最少[37-38]。

4 火星車行駛區(qū)域環(huán)境模擬

4.1 火星土壤的模擬參數(shù)

模擬火星土壤需與火星土壤的礦物成分、物理特性以及力學(xué)參數(shù)接近且具有一定的均勻性和穩(wěn)定性。由于火星土壤的物理特性和力學(xué)參數(shù)無(wú)法直接得到，只能通過(guò)車轍印跡反推火星土壤的參數(shù)，故火星土壤的模擬參數(shù)根據(jù)月球土壤參數(shù)作為一種參考進(jìn)行研究?；谀M月球土壤模型建立的方法，根據(jù)已得到的火星土壤相關(guān)的數(shù)據(jù)，得到火星土壤力學(xué)參數(shù)模型。目前國(guó)內(nèi)模擬火星土壤力學(xué)性能推薦參數(shù)如表5所示[24]。

表4 火星表面石塊形狀及裸露情況[33-37]Table 4 Mars surface stone shape and bare situation[33-37]

表5 模擬火星土壤力學(xué)性能推薦參數(shù)[24]Table 5 The proposed mechanical parameters of the Martian soil simulant[24]

4.2 火星石塊的模擬參數(shù)

石塊的分布情況對(duì)火星車輪子機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有極其重要的影響，NASA于2004年就在北極Haughton隕石坑建立了戶外試驗(yàn)場(chǎng)。按照不同石塊直徑分為4個(gè)模擬區(qū)域，如表6所示[34]。

4.3 火星車行駛區(qū)域坡度模擬參數(shù)

NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室建立了火星環(huán)境室外試驗(yàn)場(chǎng)MarsYard，約 2500 m2，并在 Mars Yard試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)好奇號(hào)移動(dòng)系統(tǒng)的備份車The Dynamic Test Model(DTM)進(jìn)行了大量不同坡度和不同模擬地形的試驗(yàn)，其中圖6所示坡度模擬主要得出如下結(jié)論[38]：在光滑的基巖上，高達(dá)22°的斜坡是可穿越的，而在某些粘性土上，高達(dá)28°的斜坡是可穿越的。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了好奇號(hào)的爬坡能力。

4.4 火星車行駛區(qū)域模擬構(gòu)建

對(duì)火星環(huán)境的調(diào)研和分析表明：可將火星車行駛區(qū)域分為水平模擬區(qū)域和坡度模擬區(qū)域，通過(guò)坡度、火壤類型以及石塊分布進(jìn)行組合，將火星車行駛環(huán)境主要分為如表7所示的幾種典型環(huán)境，對(duì)各個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

表7 火星車行駛區(qū)域模擬參數(shù)Table 7 Parameters for simulation of rover driving area

5 結(jié)論

1)火星表面地形有如下特征：①南半球高且崎嶇不平，且多為充滿隕石坑的古老高地和大型環(huán)形山；北半球則多為平整且年輕的平原，海拔比南半球低，有少量環(huán)形山和死火山；②峽谷地形顯著；③地表點(diǎn)綴著許多大小不同的隕石撞擊坑；④在火星北部的高地，存在類似火山的地貌，構(gòu)成火山山脈、火山平原和火山坑等地形；⑤存在類似地球河道的地貌；⑥每年都會(huì)發(fā)生塵暴，存在各種各樣的沙丘。

2)分析了火星土壤物質(zhì)特性、火星塵埃物理參數(shù)以及火星巖石分布情況，其中火星土壤粒徑范圍從0.1～3500 μm，容重 1000～2900 kg/cm3，內(nèi)聚力0～11 kPa，摩擦系數(shù) 0.3～0.5；火星塵埃主要成分為 SiO2，粒徑為 0.1～10 μm，粘附力為 0.9～79 Pa；火星表面巖石密度比月球大，火星探測(cè)器著陸點(diǎn)附近的石塊分布約為18%。

3)提出了模擬火星車行駛環(huán)境的重要參數(shù)以及18種火星車行駛區(qū)域模擬方案，其中，火星土壤模擬推薦參數(shù)為內(nèi)摩擦角35°，容重推薦參數(shù)為1.52 g/cm3，內(nèi)聚力推薦參數(shù)為0.24 Pa；石塊模擬參數(shù)為：模擬中等石塊時(shí)，直徑可選在15.24～30.48 cm之間，模擬較大石塊時(shí)，直徑可選在0.3～0.61 m之間，模擬大石塊時(shí)，直徑應(yīng)大于0.61 m；模擬火星車行駛區(qū)域坡度可選0～30°。