火星車是指在火星登陸用於火星探測的可移動探測器,是人類發射的在火星表面行駛並進行考察的一種車輛。20世紀末到21世紀初,美國相繼發射了4輛火星車,即“索傑納”號、“勇氣”號、“機遇”號和“好奇”號。探測車的質量從11.5千克的微型探測車,發展到約900千克的中型探測車,最遠的行駛距離已經超過馬拉松比賽的長度。目前,美國國家航空航天局和歐洲航天局都有火星車發射計劃。
火星車設計時,首先需要考慮風的影響。通常情況火星表面的風速夜間時為2米/秒,白天為6~8米/秒,雖然火星表面氣體密度只有地球表面的1/120,但是火星風仍然可以導致塵埃飛揚。發生塵暴時,風速更可以達到50米/秒以上。
火星車工作在火星表面,不可避免地會受到火星塵的影響。火星塵主要是由4個因素導致的:發動機羽流噴射、著陸衝擊、火星車移動攜帶和自然激揚。對火星車而言,影響最大的因素是火星塵暴引起的火星塵自然激揚。
火星塵的影響主要包括:吸附在光學裝置表面,導致其成像效能的降低;進入機構內部,影響其正常運動;吸附在太陽電池陣表面,影響太陽電池陣的輸出功率;熱控塗層表面黏附火星塵後會導致其效能下降,改變探測器的溫度分佈;火星車釋放過程中如轉移機構上附有火星塵,則影響車輪與轉移機構間的接觸狀態,影響釋放過程的安全性。最直接的影響就是導致太陽能中肋輸出功率下降,
基於“索傑娜”號火星車獲得的資料,塵埃覆蓋率為0.28%/天,太陽能電池發電效率衰減率為0.29%/天。基於“勇氣”號火星車獲得的資料,前150天衰減率為0.2%/天,之後衰減率為0.06%/天。
為了降低火星塵沉積對火星車太陽能電池輸出功率的影響,各國會採用以下幾種除塵方法。
(1)自然除塵。利用火星風進行塵埃清除。在低氣壓的火星環境下,除塵所需要的風速比在地球大氣壓下的要高,當在火星風速大於35米/秒時,才能清除大部分微塵。而從“海盜號”探測器對風速100多天的探測結果表明:其著陸點的最大風速僅為25米/秒,因此透過風除塵的方案可靠性差。
(2)機械除塵。利用擦拭、噴吹、搖動、振動或超聲波等方式除塵。擦拭除塵類似汽車雨刮,但在擦拭過程中,火星塵顆粒可能會劃傷太陽能電池表面。噴吹除塵是採用壓縮氣體直接噴吹太陽翼上的微塵。搖動、振動除塵則需增加搖動、振動機構,或利用太陽翼自身驅動機構實現太陽翼的抖動。還可以增加超聲波發生器,利用超聲波除塵。機械除塵方法均需要付出較大的代價。
(3)靜電除塵。火星塵在射線作用下以及在與大氣摩擦中會產生電荷,利用電荷同性相斥的原理,實現除塵。
(4)隔離除塵。可以選用滾軸更換薄膜方案或者充氣脫膜方案。滾軸更換薄膜方案中,薄膜位於太陽翼上部,阻擋灰塵,當薄膜變髒時,透過滾動滾軸,更換乾淨的薄膜。充氣脫膜方案將帶有囊體的透明薄膜覆蓋在火星車太陽翼上,灰塵直接落在透明薄膜上,當薄膜落塵較多時,透過充氣膨脹薄膜囊體,實現薄膜與太陽翼脫離。
但這兩種方案均無法長期保證除塵效果。
(5)表面工程技術除塵。利用表面工程技術實現太陽翼除塵,具有代價小,效能穩定等特點,具有較大的發展前途。目前,這一技術的典型代表就是超疏基結構。構建超疏基表面的結構通常需要兩個步驟,一是在材料表面構建微觀結構,如脊狀結構、
柱狀結構、球狀結構等;二是在粗糙的表面修飾低表面能物質。由於降低表面能在技術上容易實現,因此超疏基表面製備技術的關鍵在於根據材料特性採取合適的技術構建合適的微觀結構。