一种地球环境下模拟火星表面形态的方法与流程

本发明属于航天器回收着陆及低重力地外天体着陆试验技术领域，尤其涉及一种地球环境下模拟火星表面形态的方法。

背景技术：

随着航天技术迅猛发展，地外星球探测成为人类探索宇宙的重要方向之一，其中火星探测项目已完成试验阶段内容，进入实质性实施阶段。火星引力仅有地球的38％，空气密度仅有地球的1％，且地形地貌特殊，着陆难度不言而喻。火星表面砾石遍地，同时遍布遭陨石袭击后由撞击形成的坑坑洼洼，且存在各种坡度的边坡，严重威胁着火星探测器的安全着陆。火星着陆器正式发射前需在地球环境下模拟火星着陆试验场进行模拟火星悬停着陆试验以验证火星着陆器能否满足火星探测的技术需求，模拟火星表面形态的制备则是模拟火星着陆试验场的三个重要组成部分之一。

我国首颗火星探测器于2020年7月发射，登陆成功后的科研工作均在火星表面进行，因而，能够较真实反映火星表面形态的试验场地研制是必不可少的。目前国内关于模拟火星表面形态的研制及实施工艺与手段尚属空白。模拟火星地表区的关键在于如何在地面环境下模拟不同的火星表面形态，包括火星表面的砾石、陨石撞击坑、边坡等地形形态；同时探测器主要依靠火星表面的光学扫描特性进行评估，因此在地面环境的模拟需具备与真实火星表面类似的光学特性。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种地球环境下模拟火星表面形态的方法，旨在实现火星表面地形地貌的真实再现，确保火星着陆器在火星表面着陆过程中能够较高精度地识别火星地表形态(火坑、火石、火星边坡等)。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种地球环境下模拟火星表面形态的方法，包括：

1)构建得到用于模拟火星表面形态的基地和火坑分布的基础地形；

2)制备模拟火坑时所需要的坑唇和模拟平坦地形时所需要的坑盖，通过调整坑唇和坑盖在基础地形中的分布，构建得到具有不同火坑分布特征的第一模拟火星表面形态；

3)制备得到模拟火石，通过调整模拟火石在第一模拟火星表面形态上的分布，构建得到具有不同火坑分布特征、火石分布特征的第二模拟火星表面形态；

4)搭建组合钢架，并在组合钢架表面铺设混凝土铺板，得到模拟火星边坡，通过调整模拟火星边坡的尺寸及模拟火星边坡在第二模拟火星表面形态上的分布，构建得到具有不同火坑分布特征、火石分布特征和火坡分布特征的第三火星表面形态；

5)制备得到耐高温且满足火星表面微波和激光反散射特性的涂料，在第三火星表面形态的表面刷涂所述涂料，构建得到具有不同火坑分布特征、火石分布特征、火坡分布特征且能反应火星表面微波和激光反散射特性的第四火星表面形态，即最终的模拟火星表面形态。

在上述地球环境下模拟火星表面形态的方法中，构建得到用于模拟火星表面形态的基地和火坑分布的基础地形，包括：

11)从地面向下开挖一定深度h1的土坑；

12)在土坑下方开挖一定深度h2的沟渠，在沟渠内铺设排水系统网络；

13)确定排水系统网络各管路的分布，在排水系统网络的各管路外侧浇筑一定厚度d1的混凝土，以保护并固定排水系统网络；然后，采用初始基地填土填平沟渠至土坑的初始深度；

14)确定火坑的分布；根据火坑的分布，在土坑底层铺设一定厚度的碎石土，形成碎石土垫层；其中，火坑对应位置处的碎石土垫层的厚度为d2′，除火坑之外位置处的碎石土垫层的厚度为d2；

15)在碎石土垫层上方，沿碎石土垫层的外轮廓铺设一定厚度d3的c20混凝土保护层，形成成像区保护层；

16)在c20混凝土保护层上方，沿c20混凝土保护层的外轮廓铺设改性防水卷材层，形成成像区防水层；

17)在改性防水卷材层上方，沿改性防水卷材层的外轮廓铺设一定厚度d4的c30抗渗混凝土层，形成初始成像区地表；

18)通过步骤11)～17)，构建得到用于模拟火星表面形态的基地和火坑分布的基础地形。

在上述地球环境下模拟火星表面形态的方法中，土坑距地面的深度h1为500mm，土坑的长为60m、宽为60m。

在上述地球环境下模拟火星表面形态的方法中，沟渠距地面的深度为h1 h2，宽为500mm；其中，h2＝550mm。

在上述地球环境下模拟火星表面形态的方法中，h1 h2-d1＝650mm，d2＝200mm，d3＝100mm，d4＝200mm。

在上述地球环境下模拟火星表面形态的方法中，d2′的取值根据火坑的最大深度hmax确定。

在上述地球环境下模拟火星表面形态的方法中，排水系统网络包括四条主排水管，四条主排水管的末端连接至外界排水系统；其中，各主排水管上设置有若干个支路排水管。

在上述地球环境下模拟火星表面形态的方法中，改性防水卷材层采用3 3sbs改性防水卷材铺设形成。

在上述地球环境下模拟火星表面形态的方法中，组合钢架的最大投影面积20m×20m，坡度为6°。

在上述地球环境下模拟火星表面形态的方法中，还包括：根据火星表面微波和激光反散射特性，制备得到的所述耐高温且满足火星表面微波和激光反散射特性的涂料。

本发明具有以下优点：

(1)构造简单、施工方便；便于维护保养，表面不积水；能够模拟多种组合地貌；通过涂刷特种涂料可满足火星表面反散射特性要求；火星着陆器上所带的推进剂发生洒落可迅速清理；适用于在地球环境下模拟火星表面形态，进而服务于我国火星探测器悬停着陆试验中较高精度的地形地貌辨识。

(2)成像区有完善的排水系统，可有效避免火坑内部以及成像区表面积水，延长使用寿命。

(3)成像区最上层采用高等级抗渗混凝土，同时附用3 3sbs改性防水卷材层，抗渗性能良好，可有效避免推进剂等有毒有害液体入渗，防止对周边自然环境的污染。

(4)火坑采用特制钢模定型，形状规则美观，易清洁，设计成可恢复模式，即可通过坑唇、盖板实现火坑和平坦区域的地形转换，可以简单快捷的模拟不同形态的模拟火星地表区。

(5)火坡由组合式钢架和相应混凝土铺板共同组成，可以较为简单的组建不同坡度、尺寸和位置的模拟火星地表区。

(6)火石可随机组合成大小、形状各异的土丘、小山以及砂砾石层，灵活多变，应用范围显著增加，且易搬运。

(7)给出的特殊涂料结合混凝土表面粗糙度特性，涂刷在混凝土表面后可以很好地模拟火星表面的光学特性，此外具有耐高温等特性，可以在探测器悬停着陆试验中承受高温影响。

(8)火坡除可供火星着陆器辨识地形地貌外，还可进行着陆缓冲试验，使用范围现状扩大；同时拆卸方便，可短时间内组合成多种地貌单元；

附图说明

图1是本发明实施例中一种地球环境下模拟火星表面形态的方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中一种地球环境下模拟火星表面形态的方法的施工示意图；

图3是本发明实施例中一种排水系统网络的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种火坑的形态特性示意图；

图5是本发明实施例中一种坑唇的模拟示意图；

图6是本发明实施例中一种坑盖的模拟示意图；

图7是本发明实施例中一种火星边坡的模拟示意图；

图8是本发明实施例中一种火星表面形态的模拟示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

如图1和图2，在本实施例中，该地球环境下模拟火星表面形态的方法，包括：

步骤101，构建得到用于模拟火星表面形态的基地和火坑分布的基础地形。

在本实施例中，基础地形的具体构建过程如下：

(11)从地面向下开挖一定深度h1的土坑。

在本实施例中，土坑的尺寸可以根据实际情况设置，例如，土坑距地面的深度h1为500mm，土坑的长为60m、宽为60m。

(12)在土坑下方开挖一定深度h2的沟渠，在沟渠内铺设排水系统网络。

在本实施例中，排水系统网络如图3所示，主要用于收集并及时排出试验后冲洗试验场地的污染水。该排水系统网络可以包括四条主排水管，四条主排水管的末端连接至外界排水系统(如，污水井)；其中，各主排水管上设置有若干个支路排水管。进一步的，沟渠距地面的深度为h1 h2，h2的大小应满足排水系统网络的铺设要求。例如，沟渠的宽可以为500mm，沟渠自身的深度h2为550mm。

(13)确定排水系统网络各管路的分布，在排水系统网络的各管路外侧浇筑一定厚度d1的混凝土，以保护并固定排水系统网络；然后，采用初始基地填土填平沟渠至土坑的初始深度。

在本实施例中，混凝土主要浇筑在主排水管和支路排水管外侧，浇筑完成后形成一定宽度和厚度d1的混凝土土堆。其中，d1满足如下条件：h1 h2-d1＝650mm。

(14)确定火坑的分布；根据火坑的分布，在土坑底层铺设一定厚度的碎石土，形成碎石土垫层。

在本实施例中，火坑是随机、无规则分布的。火坑所在位置处下方的碎石土垫层的厚度为d2′，没有火坑的地方的下方的碎石土垫层的厚度为d2，d2′＜d2，即，通过在土坑底层铺设不同厚度的碎石土，形成具有一定凹坑的碎石土垫层，凹坑的数量和位置则是根据火坑的分布及火坑的深度尺寸确定。

优选的，d2可以为200mm；d2′的取值则需根据火坑的最大深度hmax确定，以确保火坑下方的c30抗渗混凝土层的厚度不低于100mm，火坑的最深处距改性防水卷材层的距离不低于100mm。

(15)在碎石土垫层上方，沿碎石土垫层的外轮廓铺设一定厚度d3的c20混凝土保护层，形成成像区保护层。

在本实施例中，通过铺设c20混凝土保护层，可以得到完整性、刚度较好的成像区保护层，具备测试火星探测器地形地貌辨识能力的环境保护要求。优选的，d3可以为100mm。

(16)在c20混凝土保护层上方，沿c20混凝土保护层的外轮廓铺设改性防水卷材层，形成成像区防水层。

在本实施例中，改性防水卷材层采用3 3sbs改性防水卷材铺设形成。由铺设改性防水卷材层所形成的成像区防水层，可有效避免成像区表面试验后有毒污水对周边环境和水源造成污染。

(17)在改性防水卷材层上方，沿改性防水卷材层的外轮廓铺设一定厚度d4的c30抗渗混凝土层，形成初始成像区地表。

在本实施例中，c30抗渗混凝土层的厚度d4可以为200mm。

(18)通过步骤(11)～(17)，即可构建得到用于模拟火星表面形态的基地和火坑分布的基础地形。

步骤102，制备模拟火坑时所需要的坑唇和模拟平坦地形时需要的坑盖，通过调整坑唇和坑盖在基础地形中的分布，构建得到具有不同火坑分布特征的第一模拟火星表面形态。

在本实施例中，可以通过对已有文献统计分析，确定火坑的形态特性(与真实火坑一致)，包括：火坑的数量、分布、直径、深度等，如图4所示。进一步的，根据确定的火坑的形态特性，采用c30抗渗混凝土浇注方式制备得到模拟火坑时所需要的坑唇，如图5所示。或者，根据确定的火坑的形态特性，采用钢筋和水泥压板制备得到模拟平坦地形时所需要的坑盖，如图6所示；其中，坑盖的尺寸与火坑直径匹配，可以覆盖在火坑上，以模拟平坦地形。

步骤103，制备得到模拟火石，通过调整模拟火石在第一模拟火星表面形态上的分布，构建得到具有不同火坑分布特征、火石分布特征的第二模拟火星表面形态。

在本实施例中，可以通过对已有文献统计分析，确定火星表面块石的尺寸、分布规律等信息。然后，根据确定的火星表面块石的尺寸、分布规律等信息，制备得到模拟火石。例如，常用的模拟火石有如下几类：高度0.3m、直径0.6m，高度0.4m、直径0.8m，高度0.5m、直径1.0m。

步骤104，搭建组合钢架，并在组合钢架表面铺设混凝土铺板，得到模拟火星边坡，通过调整模拟火星边坡的尺寸及模拟火星边坡在第二模拟火星表面形态上的分布，构建得到具有不同火坑分布特征、火石分布特征和火坡分布特征的第三火星表面形态。

在本实施例中，可以通过对已有文献统计分析，确定火星表面边坡特征；根据确定的火星表面边坡特征，搭建如图7所示的组合钢架，然后在组合钢架的表铺设混凝土铺板，以模拟火星边坡。

优选的，组合钢架的最大投影面积可以为20m×20m，坡度可以为6°。单块混凝土铺板的尺寸可以为：面积0.5m×0.5m×0.07m。

步骤105，制备得到耐高温且满足火星表面微波和激光反散射特性的涂料，在第三火星表面形态的表面刷涂所述涂料，构建得到具有不同火坑分布特征、火石分布特征、火坡分布特征且能反应火星表面微波和激光反散射特性的第四火星表面形态，即最终的模拟火星表面形态。

在本实施例中，可以通过对已有文献统计分析，确定火星表面微波和激光反散射特性；然后，根据火星表面微波和激光反散射特性，制备得到的所述耐高温且满足火星表面微波和激光反散射特性的涂料；最后，第三火星表面形态的表面刷涂该涂料，构建得到具有不同火坑分布特征、火石分布特征、火坡分布特征且能反应火星表面微波和激光反散射特性的第四火星表面形态，即最终的模拟火星表面形态，如图8所示，实现火星探测器的地形地貌的辨识能力测试。

其中，耐高温且满足火星表面微波和激光反散射特性的涂料满足如下性能要求：a)激光波长在500nm～800nm的激光反射率范围在0.20～0.35之间；b)激光波长在1047nm～1064nm的激光反射率范围在0.28～0.30之间；c)频率16ghz、32.7ghz、33.7ghz、34.7ghz以及35.7ghz的电磁波入射角在0°～70°范围内变化时，后向散射系数为-30db～ 5db。

综上所述，本发明公开了一种地球环境下模拟火星表面形态的方法，通过成像区、坑盖、坑唇等附属结构模拟不同的火坑地貌单元；通过加工块石、钢架和混凝土盖板等模拟不同的火石和火坡特征，火坡既可供着陆器辨识火星表面的边坡地貌，还可进行着陆器的着陆模拟试验；结合成像区、火坑、火坡和火石的模拟装置，可高效快捷地模拟火星表面的各种地形地貌组合；采用满足火星表面光学特性的特殊涂料，涂刷于混凝土表层后可模拟火星地表区的光、电磁波和激光的反射和散射要求。制作完成的模拟火星表面形态服务于我国火星探测器悬停着陆试验，用于火星着陆器着陆过程中较高精度地辨识地形地貌，为我国火星探测工程提供技术支持。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。