澳科大研究人員在「天問一號」大推力發動機羽流與火星表面相互作用研究中取得重要進展
近期，澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室副主任張小平教授領導的研究團隊，基於「天問一號」火星探測任務獲得的科學資料，在國際上首次揭示了大推力單噴口反沖發動機（在著陸階段的工作推力約為3000N）的羽流與火星表面相互作用的演化特徵，獲取了發動機羽流對表面的衝擊效應。這一研究成果於北京時間2023年9月2日以「Plume effects on Martian surface: Revealing evolution characteristics of plume-surface interaction at Tianwen-1 landing site」為題發表在工程地質學領域頂級期刊Engineering Geology上。合作單位包括蘭州空間技術物理研究所、北京控制工程研究所、中國空間技術研究院、北京航空航天大學、中國科學技術大學、西安電子科技大學和西安交通大學。
在火星著陸階段，發動機羽流可能會對火星表面造成嚴重侵蝕，從而導致著陸區域及其周邊地形發生顯著變化。此外，大量揚起的塵埃可能會遮擋著陸相機的視野，對著陸器的安全構成嚴重威脅。深化對發動機羽流與火星表面相互作用的認知，有助於降低火星著陸任務失敗的風險。鑒於在火星表面實現人類探測器的軟著陸極為困難，目前無人探測任務在這方面的成功率約為50%。美國是在「天問一號」任務前唯一成功實現火星軟著陸的國家。為了減小著陸時反沖發動機羽流對火星表面產生的衝擊效應，美國的火星著陸器均採用了多個發動機噴口的結構，每個噴口的發動機推力較小。「天問一號」是目前為止唯一採用大推力單噴口反沖發動機軟著陸火星，並取得成功的探測任務，其著陸資料為研究這一重要課題提供了寶貴機會。這些資料為未來的大載重火星任務，特別是載人及採樣返回任務，提供了重要參考。
在本研究中，研究團隊揭示了「天問一號」著陸器發動機羽流與火星表面相互作用的演化特徵，以及在著陸過程中羽流對著陸區火星表面產生的衝擊效應。研究表明，隨著著陸器高度的下降，火星表面的侵蝕和填充是一個非常複雜的過程。具體而言，羽流會嚴重侵蝕發動機噴口下方的區域，導致殘餘坑的形成。與此同時，向四周擴散的徑向氣流趨向於使著陸器周邊區域變平，這取決於這些區域土壤的均勻性。為了更好地量化羽流對火星表面的衝擊效應，研究團隊提取了一些關鍵參數。測得殘餘坑的體積、直徑和深度分別為0.115 ± 0.019 m³、1.50 m和約0.35 m。團隊還評估了羽流造成的總侵蝕面積和體積，分別為4879.4 ± 297.7 m²和376.9 ± 102.2 m³，並對著陸階段發動機羽流對火星表面土壤的填充/侵蝕深度和速率進行了測量。此外，研究團隊還分析了著陸器正下方因羽流侵蝕產生的殘餘坑所暴露的淺層地層結構，結果顯示，該淺層可能由厚度至少約為35 cm的亮紅色物質及其之上被灰塵/沙覆蓋的黑色岩石構成。這些研究結果為我們深入瞭解發動機對火星表面的羽流衝擊效應，以及「天問一號」著陸點淺層地層結構提供了第一手分析資料，助力未來的火星探測任務。
上述研究的第一作者是澳科大月球與行星科學國家重點實驗室羅朋威博士，通訊作者為張小平副主任，博士生劉人瑞為共同第一作者。研究團隊還包括實驗室的徐懿副教授、Roberto Bugiolacchi助理教授以及博士生張明傑、遊擊林、許燕燕和雷蕾。
澳科大月球與行星科學國家重點實驗室深度參與中國嫦娥探月和行星探測工程的科學資料分析，並不斷取得新的科研成果。目前，實驗室的科研人員正在深入分析嫦娥五號月球樣品以及「天問一號」火星探測任務的資料。與此同時，研究人員積極參與嫦娥工程的後續任務和「天問二號」小行星探測任務中的科學載荷研製工作，為中國深空探測計畫提供了有力的科學支持。
上述研究成果得到了澳門科學技術發展基金 (基金編號：0014/2022/A1和0049/2020/A1) 的資助。
論文連結：https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2023.107278
羅朋威博士
張小平副主任
博士生劉人瑞
在拍攝高度為H3 = 9.161 ± 0.024 m的共同視場區域內，不同拍攝高度下該區域的數位高程模型（DEM）。在每張圖像中，大紅圈標示了著陸器的輪廓，小紅圈表示用於確定拍攝高度的特徵點。上部的子圖（A至C）展示了雙目降落相機在不同拍攝高度下該區域的DEM。而下部的子圖（D和E）則呈現了相鄰兩個拍攝高度下該區域DEM之間的差值。在這些差值圖中，正值代表隨著著陸器高度下降而被填充的區域，而負值則相反，表示該區域被侵蝕。
使用「祝融號」火星車搭載的導航與地形相機（NaTeCams）拍攝的圖像對著陸器下方的殘餘坑進行數位高程模型（DEM）重建。 (A) 由「祝融號」火星車拍攝的著陸點照片，發動機羽流衝擊區域的邊界和著陸器下方的殘餘坑清晰可見。(B) 基於NaTeCams圖像重建的殘餘坑立體模型。(C) 著陸器下方的殘餘坑正投影DEM，白色六邊形代表著陸器的腳墊，紅色虛線圓圈的直徑表示殘餘坑的大小。(D) 整個著陸區域的點雲資料，用橙色和藍色分別突出顯示受羽流衝擊影響的區域和未受影響的區域，對相應區域的點雲資料分別進行插值可獲得它們對應的擴展表面。 (E)兩個擴展表面被貼合以計算被發動機羽流侵蝕的總體積。
