“天問一號”著陸坑形成過程及火壤力學(xué)特性 |陳薪碩等-IJMST

著陸器羽流與行星表層相互作用（PSI），是行星探測器安全著陸的重要研究方向，著陸器羽流噴射工程參數(shù)與行星土壤物理力學(xué)特性共同控制著陸器下降速度、姿態(tài)和著陸坑形貌。著陸坑形貌不僅能揭示行星土壤表層結(jié)構(gòu)，也是行星土壤物理力學(xué)特性的重要約束。

“天問一號”在火星烏托邦平原著陸，形成了約40厘米深的著陸坑，這是人類探測器在火星表面形成的最深著陸坑，揭露了火星土壤表層直至數(shù)十厘米深度的物質(zhì)、結(jié)構(gòu)等重要信息，通過著陸坑形貌特征反演火壤力學(xué)特性，提供了科學(xué)認(rèn)識火壤的另一路徑。

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所李守定和李娟跨學(xué)科研究團隊在前人羽流表面相互作用（PSI）單項耦合研究的基礎(chǔ)上，考慮了著陸器羽流與著陸坑形態(tài)演化的雙向耦合作用，基于計算流體動力學(xué)方法（CFD）和由Roberts理論修正的侵蝕模型，建立了羽流表面相互作用（PSI）和著陸坑演化的數(shù)值模型（圖1），在著陸坑深度較大時，著陸坑形態(tài)變化會影響羽流的形態(tài)，從而改變羽流對著陸坑的應(yīng)力，進而影響著陸坑的侵蝕。

研究團隊探討了不同噴口高度和不同火壤力學(xué)性質(zhì)下著陸坑的演化規(guī)律，通過數(shù)值模擬開展了火壤力學(xué)參數(shù)敏感性研究（圖2）。研究結(jié)果表明：內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的增加，會導(dǎo)致侵蝕速率和著陸坑最大深度的減小，內(nèi)聚力的影響力比內(nèi)摩擦角更大；噴口高度對著陸坑演化的作用沒有明確的規(guī)律，它與“馬赫環(huán)”的空間位置相互作用，二者共同影響侵蝕過程；按照形態(tài)特征，將著陸坑的演化分為分散型和集中型兩種侵蝕模式；根據(jù)“天問一號”著陸坑形貌特征估算了著陸區(qū)火星土壤力學(xué)性質(zhì)的上限（圖3）：內(nèi)摩擦角為25°-41°時，對應(yīng)的內(nèi)聚力范圍為2612-2042 Pa。

圖1 PSI過程著陸坑形貌演化

圖2 不同噴口高度下的著陸坑深度演化曲線及典型著陸坑形態(tài)

圖3 （上）不同侵蝕模式下著陸坑的形態(tài)演化（模擬算例數(shù)據(jù)）(上左：分散型侵蝕模式；上右：集中型侵蝕模式）；（下）基于著陸坑形貌反演的天問一號著陸點火壤力學(xué)參數(shù)范圍

研究成果發(fā)表于IJMST（陳薪碩，張召彬，李娟*，李守定*，徐濤，鄭博，孫修闊，武艷芳，刁一鳴，李曉. Formation of Tianwen-1 landing crater and mechanical properties of Martian soil near the landing site[J].International Journal of Mining Science and Technology, 2024, 34(9): 1293-1303.DOI:?10.1016/j.ijmst.2024.08.010.）。

編輯：萬鵬