澳科大研究人员在“天问一号”大推力发动机羽流与火星表面相互作用研究中取得重要进展

近期，澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室副主任张小平教授领导的研究团队，基于「天问一号」火星探测任务获得的科学资料，在国际上首次揭示了大推力单喷口反冲发动机（在着陆阶段的工作推力约为3000N）的羽流与火星表面相互作用的演化特征，获取了发动机羽流对表面的冲击效应。这一研究成果于北京时间2023年9月2日以「Plume effects on Martian surface: Revealing evolution characteristics of plume-surface interaction at Tianwen-1 landing site」为题发表在工程地质学领域顶级期刊Engineering Geology上。合作单位包括兰州空间技术物理研究所、北京控制工程研究所、中国空间技术研究院、北京航空航天大学、中国科学技术大学、西安电子科技大学和西安交通大学。

在火星着陆阶段，发动机羽流可能会对火星表面造成严重侵蚀，从而导致着陆区域及其周边地形发生显著变化。此外，大量扬起的尘埃可能会遮挡着陆相机的视野，对着陆器的安全构成严重威胁。深化对发动机羽流与火星表面相互作用的认知，有助于降低火星着陆任务失败的风险。鉴于在火星表面实现人类探测器的软着陆极为困难，目前无人探测任务在这方面的成功率约为50%。美国是在「天问一号」任务前唯一成功实现火星软着陆的国家。为了减小着陆时反冲发动机羽流对火星表面产生的冲击效应，美国的火星着陆器均采用了多个发动机喷口的结构，每个喷口的发动机推力较小。「天问一号」是目前为止唯一采用大推力单喷口反冲发动机软着陆火星，并取得成功的探测任务，其着陆资料为研究这一重要课题提供了宝贵机会。这些资料为未来的大载重火星任务，特别是载人及采样返回任务，提供了重要参考。

在本研究中，研究团队揭示了「天问一号」着陆器发动机羽流与火星表面相互作用的演化特征，以及在着陆过程中羽流对着陆区火星表面产生的冲击效应。研究表明，随着着陆器高度的下降，火星表面的侵蚀和填充是一个非常复杂的过程。具体而言，羽流会严重侵蚀发动机喷口下方的区域，导致残余坑的形成。与此同时，向四周扩散的径向气流趋向于使着陆器周边区域变平，这取决于这些区域土壤的均匀性。为了更好地量化羽流对火星表面的冲击效应，研究团队提取了一些关键参数。测得残余坑的体积、直径和深度分别为0.115 ± 0.019 m³、1.50 m和约0.35 m。团队还评估了羽流造成的总侵蚀面积和体积，分别为4879.4 ± 297.7 m²和376.9 ± 102.2 m³，并对着陆阶段发动机羽流对火星表面土壤的填充/侵蚀深度和速率进行了测量。此外，研究团队还分析了着陆器正下方因羽流侵蚀产生的残余坑所暴露的浅层地层结构，结果显示，该浅层可能由厚度至少约为35 cm的亮红色物质及其之上被灰尘/沙覆盖的黑色岩石构成。这些研究结果为我们深入了解发动机对火星表面的羽流冲击效应，以及「天问一号」着陆点浅层地层结构提供了第一手分析资料，助力未来的火星探测任务。

上述研究的第一作者是澳科大月球与行星科学国家重点实验室罗朋威博士，通讯作者为张小平副主任，博士生刘人瑞为共同第一作者。研究团队还包括实验室的徐懿副教授、Roberto Bugiolacchi助理教授以及博士生张明杰、游击林、许燕燕和雷蕾。

澳科大月球与行星科学国家重点实验室深度参与中国嫦娥探月和行星探测工程的科学资料分析，并不断取得新的科研成果。目前，实验室的科研人员正在深入分析嫦娥五号月球样品以及「天问一号」火星探测任务的资料。与此同时，研究人员积极参与嫦娥工程的后续任务和「天问二号」小行星探测任务中的科学载荷研制工作，为中国深空探测计划提供了有力的科学支持。

上述研究成果得到了澳门科学技术发展基金 (基金编号：0014/2022/A1和0049/2020/A1) 的资助。

论文连结：https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2023.107278

罗朋威博士

张小平副主任

博士生刘人瑞

在拍摄高度为H₃ = 9.161 ± 0.024 m的共同视场区域内，不同拍摄高度下该区域的数位高程模型（DEM）。在每张图像中，大红圈标示了着陆器的轮廓，小红圈表示用于确定拍摄高度的特征点。上部的子图（A至C）展示了双目降落相机在不同拍摄高度下该区域的DEM。而下部的子图（D和E）则呈现了相邻两个拍摄高度下该区域DEM之间的差值。在这些差值图中，正值代表随着着陆器高度下降而被填充的区域，而负值则相反，表示该区域被侵蚀。

使用「祝融号」火星车搭载的导航与地形相机（NaTeCams）拍摄的图像对着陆器下方的残余坑进行数位高程模型（DEM）重建。 (A) 由「祝融号」火星车拍摄的着陆点照片，发动机羽流冲击区域的边界和着陆器下方的残余坑清晰可见。(B) 基于NaTeCams图像重建的残余坑立体模型。(C) 着陆器下方的残余坑正投影DEM，白色六边形代表着陆器的脚垫，红色虚线圆圈的直径表示残余坑的大小。(D) 整个着陆区域的点云资料，用橙色和蓝色分别突出显示受羽流冲击影响的区域和未受影响的区域，对相应区域的点云资料分别进行插值可获得它们对应的扩展表面。 (E)两个扩展表面被贴合以计算被发动机羽流侵蚀的总体积。