零下九十度 零下90摄氏度、稀薄二氧化碳，地球上的“火星研究站”

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11月14日，据媒体报道，中国火星探测任务进行了着陆器悬停避障试验。众所周知，未来的着陆器在着陆火星表面之前，会悬停避开障碍物，以保证着陆任务的成功。然后，细心的人可能会问，地球和火星的环境很不一样。科学家和工程师如何模拟火星在地球上的环境，护送火星探测器？

如何模拟火星引力

火星是一颗大行星，平均直径约为6780公里。它比我们生活的地球小得多，表面重力加速度也低得多。3.72 m/s的加速度大致相当于0.38g，也就是地球表面重力的0.38倍。既然火星表面重力比地球低很多，那么如何模拟火星在地球上的低重力呢？

模拟火星在地球上的微重力和低重力有两种方法:力平衡模拟法和运动模拟法。

力平衡模拟法的原理很简单，就是利用外力抵消一部分重力。空站宇航员地面训练，使用大型水池，利用水的浮力抵消部分重力，模拟近地轨道失重环境。其实失重池并不适合模拟火星，主要是因为它不能完美模拟0.38g的低重力环境，但美国的约翰逊航天中心仍然使用中性浮力实验室的大池为登月和登火提供模拟。

对于那些必须经历“7分钟恐怖”才能在火星表面着陆的着陆器来说，中性池低重力模拟的要求超出了他们的承受能力。这时候悬浮式低重力模拟系统就出来了。

悬挂式的基本原理是提供向上的拉力抵消部分重力，模拟低重力环境，用于我国火星着陆器悬停避障试验。

悬浮法模拟低重力原理简单、灵活、可靠，应用广泛。比如NASA研究小组在2020火星飞行器上搭载了一架直升机，通过连接在直升机顶部系索上的重力卸载系统模拟了火星上0.38g的低重力。对于月球车等需要长期低重力环境试验的系统，我们也采用了悬挂气球和利用浮力抵消部分重力的方法。

对于短时模拟，最适合的方法是使用抛物线型失重飞机，这是最常见的运动模拟方法，而落塔和探索空火箭只适合小载荷的短时低重力模拟。

失重飞机还有一个比较出名的名字，ZeroG飞行器，它也可以通过精心设计飞行路径来模拟火星表面的0.38g重力。2016年，滑板运动员托尼·霍克乘坐ZeroG飞机，在模拟火星的低重力环境中滑板。虽然他的技能和技巧都很优秀，但是在低重力状态下就变成了“低能”，所以似乎不太容易适应低重力环境。

如何模拟火星表面

火星的环境与地球的环境不同，不仅在重力加速度上不同，在火星表面的地形上也不同。如果着陆器测试仅仅模拟低重力是不够的，它必须逼真地模拟火星表面的地形。对于在火星表面运动的火星车/火星车，需要模拟火星表面的地形。

虽然地球和火星的环境差别很大，但是放宽条件，只部分模拟火星的环境，并不是太难。

美国火星协会在地球上建立了两个火星研究站。这两个研究站建在似乎是火星环境的一部分的地区，为巡逻甚至载人火星任务提供了足够的测试场地。火星协会在美国犹他州建立了著名的火星沙漠研究站。虽然这里的温度、气压和大气成分与火星大不相同，但石头的地形与火星非常相似，经常吹到那里的风可以部分模拟火星的沙尘暴环境。火星协会还在加拿大北极的德文岛建立了另一个名为“闪光线”的火星研究站，那里有类似火星环境的低温和大风。

2013年，NASA在夏威夷活火山莫纳罗亚北坡正式建立火星模拟基地。那里的地形和干燥的气候与火星非常相似。宇航员在模拟火星基地的穹顶建筑中长期生活在一起，在孤独和极端的环境中工作和生活，经受过考验。

在这些火星模拟研究站生活和工作的测试人员的主要目的是模拟和验证人类在类似火星的环境中对长期孤立生活的适应性，为未来的火星载人任务积累经验和教训。例如，在夏威夷模拟基地，有一个实验者被怀疑触电受伤的案例，为未来的火星载人任务发出了警报。未来的火星任务极其复杂，需要做好各方面的应急预案，确保人类安全返回。

如何模拟火星大气

火星在重力和表面上与地球非常不同。由于它是一颗直径较小、引力较低的大行星，我们可以从常识推断，它的大气环境肯定是大不相同的。火星的大气密度只有地球的1%左右，大部分是二氧化碳，不仅影响飞船在火星上的着陆，对火星的表面考察也有很大影响。

目前，火星着陆器使用热屏蔽来防止热减速和降落伞减速。火星大气密度低，降落过程与地球环境有很大不同。比如火星降落伞都是超音速打开，冲击过载高，降落伞阻力效率低，对降落伞设计提出了不同的要求。

美国宇航局多次使用探测器/k0火箭发射降落伞来测试火星着陆器。近年来，他们还使用大型氦气球对带有圆形帆的超音速降落伞进行实验。

在2014年的降落伞模拟实验中，NASA用氦气球将测试仪抬空飞到离海面36 km的高度，然后火箭将其推到55 km 空的高度，利用地球高度的稀薄大气空模拟火星的大气环境，然后降落伞充气膨胀至直径33。

由于2020年的漫游者还将配备直升机，它不能只通过探测器空火箭或气球进行测试。NASA使用了一个7.62米宽的大型真空舱，里面充满了稀薄的二氧化碳来模拟火星大气。真实空舱也模拟了零下90摄氏度的火星大气低温环境。幸运的是，火星直升机已经在喷气推进实验室的模拟环境中成功飞行了几次，证明它可以在火星大气中正常工作。