6.7.3 火星探测
在火星探测器的防护任务中，在传统绕地轨道航天器防护任务设计基础之上，还需要考虑行星际空间及火星附近特有的环境特点。行星际空间环境的特征主要有：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；不再遭遇地球辐射带环境；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；约8个月内，可能会遭遇1次特大太阳质子事件；持续处于高真空环境。因此，在火星探测器的研制中，需要对以下特点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，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所面临的环境相比，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，最远到达3亿～4亿千米，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，将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；如果发生故障的是与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。
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。在地球周围约1 AU处，太阳辐射能约为1 366 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。见表6-1。
表6-1 典型火星任务的地火转移过程太阳辐射衰减情况
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10-14 Pa。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。
火星附近空间环境的特点如下：
1.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；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。
2.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。
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。
【注释】
[1]Marchal Ph.2018 Space debris activities in France：H ighlights[R].37 th IADC Meeting，2019.
[2]袁俊刚，曲广吉，闫军.空间碎片防护结构设计技术研究进展[C].2007全国结构动力学学术研讨会.
[3]Eric Christiansen，Martin Schimmerohn.IADC 37 WG3 Protection Status[R].37 th IADC Meeting，2019.
[4]Eric Christiansen，Martin Schimmerohn.IADC 37 WG3 Protection Status[R].Rome：37 th IADC Meeting，2019.
[5]http：//www.esa.int/Our_Activities/Space_Safety/Space_Debris/Hypervelocity_impacts_and_protecting_spacecraft.