火星飞行器热环境预测及热防护系统设计取得突破

近日获悉，中科院力学所高温气体动力学国家重点实验室余西龙研究团队在国际上首次将吸收光谱应用于火星进入流场气体组分浓度测量。鉴于测量方法创新性及工程应用重要性，这项工作的前期研究方案和结果被美国国家航空和航天局在航空和天文领域研究的专刊大篇幅引用，最新的研究结果发表于《热物理学与传热学报》。

火星探测是人类探索宇宙秘密的又一序幕，我国继探月工程取得重大突破后，也计划于2020年发射首颗登陆火星表面的探测器。飞行器热环境预测及热防护系统设计是保证飞行任务成功极其重要的一环。

在火星飞行器气动热环境的预测研究中，由于对该热化学反应机理认知不足以及化学反应模型选取具有不确定性，导致热环境计算误差较大，飞行器热防护系统普遍采用保守设计，极大增加了其比重并降低了飞行器有效载荷。

研究表明，二氧化碳离解反应是火星进入流场热化学反应机理研究的关键，其离解反应直接影响整个火星进入流场热化学反应的进程；其离解产物在飞行器热防护层表面催化复合释放的催化反应热是飞行器热防护系统所承受热载荷的重要来源。

因此，开展火星进入流场二氧化碳离解反应机理研究，对于火星飞行器热环境准确预测及热防护系统设计具有重要的指导意义。

余西龙团队针对这一关键科学问题取得重要进展。研究人员使用高焓激波管模拟火星进入流场，针对这种极高温非平衡条件下的气体辐射特性，采用分子发射光谱测温技术及激光吸收光谱技术实现了强激波波后非平衡温度及关键离解组分一氧化碳浓度的定量测量，同时发展了能够反映火星进入非平衡流场的化学反应动力学模型，结合实验数据对该模型及化学反应速率常数进行了修正。