1、引言

火星是当前国际深空探测的热点,也是除月球之外,最有望实现载人探测、建立外星基地的类地星体。不同于月球近乎真空、缺水的环境,火星拥有稀薄的大气层,两极及地表之下存在大量的水冰,火星壳中存在包括蒸发盐类矿物、粘土矿物在内的多种矿物类型[1]。由此可见,火星拥有丰富的可利用资源,为人类在其表面开展活动提供了重要的物质基础。

所有的深空探测任务都需要有可靠的能源保障,而能源供给更是影响载人火星探测和火星基地建设的重要因素。James等[2]对火星任务中的能源需求进行了评估,认为保障小型火星基地正常运行一个火星年所需的总能量约为6.3×105kW·h,如此庞大的能源需求需要多种能量来源提供稳定的供给。太阳能是行星表面重要的能量来源,但是在火星表面,太阳能会受到沙尘暴等因素的严重影响。因此,为了保证能源供给的稳定性、经济性,对风力资源利用的研究应运而生[3]。风力资源是火星原位资源利用的重要目标,本文对国内外火星风力资源的研究现状进行总结和分析,提出当前研究中存在的问题,探索火星风力资源利用的新方向,将为未来火星探测中科学目标的确定、火星基地的设计与规划提供参考。

2、火星大气与风的探测历史

天文学家在18世纪已经观测到火星上的云,这表明了火星大气的存在。地基反射光谱的观测进而表明火星大气主要由CO2组成[4]。后来NASA发射的水手4号、水手6号和水手7号确认了火星大气以CO2为主要成分,但与地球大气相比非常稀薄[5]。1975年发射的海盗1号和海盗2号轨道器和着陆器对火星大气成分和火星表面的风速变化进行了测定[6]。

20世纪90年代以来,火星探测迎来了新的高潮,一系列火星轨道器和着陆器成功的对火星开展了探测。1996年发射的火星全球勘探者号(MarsGlobalSurveyor)对火星大气和挥发分变化开展了长期的监测。其携带的火星轨道器激光高度计(MarsOrbiterLaserAltimeter,MOLA)获得了火星云的高度信息和变化情况[7]。1997年在火星着陆的火星探路者号(MarsPathfinder)携带了大气和气象传感器(AtmosphericStructureInvestigation/MeteorologyExperiment,ASI/MET),在探测器下降过程中测量了火星的大气,并在着陆点对温度、风和大气压开展了约850万次测量,对火星尘暴和水冰云进行了观测[8]。2004年,火星快车(MarsExpress)上的行星傅立叶光谱仪(PlanetaryFourierSpectrometer,PFS)探测到火星大气中有大约10ppb的甲烷存在[9,10]。此外,臭氧在火星的低层和中层大气中也有发现[11]。2005年发射的火星勘测轨道飞行器(MarsReconnaissanceOrbiter)搭载的火星气候测深仪(MarsClimateSounder,MCS)对火星全球大气的垂直变化开展了观测,并记录了火星温度、气压、湿度和尘埃密度等基本大气数据的变化情况[12]。2007年在火星北极附近着陆的凤凰号(Phoenix)也对火星的大气数据进行了测量[13],其风速计得到着陆点处的风速在11～58km/h,同时,其使用激光雷达对大气中尘埃、冰、雾和云的垂直分布进行了测量[14,15]。

2008年发射的火星大气与挥发分演化(MarsAtmosphereandVolatileEvolutioN,MAVEN)探测器对火星大气开展了全面的探测,揭示了火星的大气结构和成分[16,17,18,19]。2012年着陆的好奇号(Curiosity)搭载了火星车环境监测站(RoverEnvironmentalMonitoringStation,REMS),提供了关于火星大气环流、微尺度天气系统、局部大气循环、紫外线辐射破坏潜力以及地面-大气相互作用的信息[20,21,22]。此外,印度空间研究组织发射的火星轨道探测器任务(MarsOrbiterMission,MOM)、欧洲空间局发射的微量气体探测器(TraceGasOrbiter)以及NASA的洞察号(InSight)火星着陆器也对火星大气开展了探测。上述探测任务中与大气和风力探测相关的载荷信息如表1所示。

航天器发射时间与大气和风力探测相关的有效载荷载荷简介与功能

海盗1号1975年8月20日压力、温度和风速传感器测量大气温压与风速变化

海盗2号1975年9月9日压力、温度和风速传感器测量大气温压与风速变化

火星探路者1996年12月4日大气结构仪器/气象包(ASI/MET)收集有关压力、温度和风的数据

火星快车2003年6月2日

紫外和红外大气光谱仪(SPICAM)评估大气的元素组成

行星傅立叶光谱仪(PFS)对大气温度和压力进行观测

空间等离子体和能量原子分析仪研究高层大气与太阳风之间的相互作用

火星勘测轨道飞行器2005年8月12日火星气候测深仪(MCS)量化全球大气层的垂直变化;显示火星天气的基本变量如温度、压力、湿度和尘埃密度等

凤凰号2007年8月4日气象站(MET)配备了风向指示器及压力和温度传感器LIDAR(激光检测和测距)设备可对空气中的灰尘颗粒数进行采样

好奇号2011年11月26日火星车环境监测站(REMS)测量湿度、压力、温度、风速和紫外线辐射

洞察号2018年5月5日洞察号气象仪(TemperatureandWindsforInSight,TWINS)监测着陆点的天气

3、火星大气与风力资源概况

3.1 火星大气概况

火星具有稀薄的大气,其表面平均大气压力约为700Pa,不及地球的百分之一,表面平均气温约为240K[23]。火星大气可分为低层大气、中层大气和高层大气[24]。火星低层大气(图1)是指由火星地表直到45km高度之间的大气层,受地面热交换影响较大,气温随高度升高而降低,也称为对流层。低层大气的成分可以看作几近均质的混合物,二氧化碳占95%,氮气为2.7%,还有少量的Ar等气体[25](表2)。中层为45～110km的大气,气温随高度变化较小,也称为恒温层。在距地面80km处的最低气温为92K,在该区域二氧化碳能凝结形成高空云。而在距地面10km和16.5km处的高空存在水冰云[23]。距火星表面110km以上的大气为高层大气,又称为电离层。电离层的主要成分为二氧化碳,并因太阳辐射而产生离子。离子的运动导致了该区域大气不同程度的升温。

图1火星的大气结构及表面风的作用(修改自NASA)

3.2 火星的大气环流

火星的大气环流复杂多变,但火星的自转和地球相似,因此火星和地球的大气环流也有一定的相似性。例如,低纬度地区有沿经线方向的哈德莱环流;在中纬度地区出现季节性斜压旋涡;在地势高程差大的地区出现驻波等(图2)。但是火星底层大气环流也与地球存在差别,由于火星大气稀疏且云量少,没有海洋,故而表面受热较多。

气体种类体积分数/%气体种类含量/ppm

火星夏季最热的地方不是赤道区,而是在热带或亚热带,这导致单一层次的哈德莱环流从最热处上升,向南北分开2个支流(其中一支跨过赤道),到高纬度地区再进行沉降。冬季半球高纬区温度变化大,会出现周期性的斜压波来向上转移能量,维持季节性CO2极冠云边缘的东西强急流。冬季北纬区,CO2凝结,气压降低,从而产生流向极区的凝聚流,向极区转移物质。火星上层气流从太阳直射的照热区上升,流向周围别处,而底层气流又流向照热区,形成热潮汐风[6]。

图2火星大气环流示意图(修改自NASA)

大气环流可以用大气环流模型(GeneralCirculationModel,GCM)进行模拟,GCM主要用来模拟火星低层大气环流,其中有一些也可以拓展至中高层大气。然而,研究发现45km以上的火星中层大气运动对模型非常敏感,因此很难在没有足够的观测数据的情况下进行精确模拟。

3.3 火星的风与尘暴

火星大气中CO2和H2O含量随季节变化,表面大气压的局部变化可达20%。火星稀薄的大气在受到太阳光照射时,根本无法起到保温作用,因此火星昼半球的温度可达27℃,而夜半球的温度低至-133℃。巨大的温差导致火星上大气运动十分剧烈。

火星表面的风速主要是由海盗号、火星探路者号、好奇号等多个火星着陆器测得。这些着陆点地表风的行为很规则,一般在2～7m/s,但也记录到40m/s的狂风。海盗一号着陆器记录了其着陆点(北纬22.3°)秋季的风速日变化情况:该地区上午经向风速较高,下午纬向风速增大。由于火星极冠边缘在秋冬季的平均温度梯度大,因此风的大小跟季节有很大关系。在冬季,高纬度地区会形成约100m/s的东向强急流(JetStream)[6]。

火星在经度方向上的大气压力和温度差异可造成火星表面巨大的尘暴。在火星南半球的早春到早秋,旋风活动非常常见,大气条件决定了火星尘暴的范围(局部性的、区域性的或者全球性的)。火星全球性尘暴通常发生在南半球处于夏季时,此时火星处于近日点,太阳对大气的强烈加热形成了强烈的风和旋风,这是全球性尘暴的初始阶段。尘暴下部表面的冷却进一步加大了温度梯度和风的强度,这引起了尘暴的扩大。在适当的条件下,这一机制将继续进行,直至火星形成全球性尘暴。此后火星表面温度不再变化,风速开始下降,最后尘暴消失[26]。

火星表面的扬尘及尘暴可对火星探测及能源利用造成严重的影响。火星尘暴曾导致机遇号火星车的太阳能板被沙尘覆盖,降低太阳能转换效率,同时沙尘遮蔽阳光,致使火星车难以充电,无法继续工作。火星尘具有较强的粘附性,易于沉积在探测器及太阳能、风能利用装置的表面,甚至进入仪器设备的结构间隙,造成设备损坏。火星尘暴中的强风也可导致设备的倾倒、破坏[27]。

3.4 火星风力资源的储量与分布

开展火星风力资源的利用,需要对火星风力资源的储量及其分布进行分析。对火星风能总储量的估计可以采用前人对可利用风能极限的推算方法[28]:风能从根本上说是来源于太阳能,因此可以通过估算到达火星表面的太阳辐射有多少能够转变为风能,来得知可利用的风能的总量。Gustavson[8]总结出到达地球表面的太阳能辐射流转变为风能的转化率η=0.02,这一转化率与大气湍流的能量及大气与地表摩擦所消耗的能量呈正相关。由于火星大气密度不及地球的1%,因此对于火星,这一转化率应小于0.02。但是,目前尚未有针对火星的转化率研究结果,故在此依然使用η=0.02进行火星风能的估算,可为火星风能储量提供上限约束。据此,到达火星表面的太阳能辐射流是7.8×1013kW,即538W/m2,其中可以获得的风功率为1.56×1012W,即10.76W/m2。前人通过对观测数据的模拟得到火星边界层最高可达4km[14,29],假设同地球一样,在整个火星大气层中边界层占有35%[30],也就是边界层中能获得的风功率为5.45×1011W,即3.77W/m2。较稳妥地估计,在近地层中的风能提取极限是它的1/10,即0.37W/m2,则全球的可利用风功率总量就是5.45×1010W。

火星风力资源的分布与大气密度和风速的分布密切相关。正常情况下,火星表面的大气密度主要受到高程的影响,Chamitoff等[12]指出火星表面高程低于-2km的区域具有足够的大气密度可供风力资源的开发利用。依据MOLA激光高程数据,可以得到火星表面满足要求的区域分布图(图3,图中黑色区域为高程大于-2km)。另一方面,火星表面的坡度对于风速有重要的影响,较长的缓坡区域通常存在较高的风能[31]。例如,1km以上的斜坡,温度变化超过15℃,风速可以达到25m/s[32]。斜坡区域的分布如图4中白色区域所示[33]。此外,局部地形对于风速也有巨大的影响。在某些环形山周围可能存在马蹄形大气涡旋,导致较高的风速;盾状火山或大型盆地的低角度斜坡上可能在地表以上25m处产生25～33m/s的风速;丘陵沟谷的风道,风力更为可观。

图3火星表面具有较高大气密度的区域(高程小于-2km)[12]

图4具有较高风能开发潜力的区域(白色区域)[33]

4、火星风力资源的利用

火星风力资源的利用,主要是通过风能转换系统将部分移动大气粒子的动能转化为电能、热能或机械能。一方面利用空气动力升力,一方面利用空气阻力,实现风能向机械能或动能的转换,进而可通过风电机组实现机械能向电能的转换[3]。

4.1 风能转换为电能

从19世纪人类就尝试利用风力进行发电,时至今日,风力发电的理论研究日趋完善,风力发电技术也获得了巨大的发展。风能是可再生能源,它占用土地较少,成本相对较低,不产生温室气体,是探索太阳系所需能源的一种选择。从风能中获得的电能可表示为式(1)。

其中,P为风机产生的功率,A为风机扫过的面积,v为风速,ρ为大气密度,c为功率系数(可以转化为电能的功率量,一般为0.2～0.6)[34]。

可以看出,可提取的电能为风速的立方函数,当其它值一定时,与密度成正比。假设火星的大气密度为0.1665kg/m3,火星上30m/s的风将提供与地球上6m/s的风相同的功率。由此可见,在火星表面开展风力发电,需要高风速或者较大的风电涡轮机直径才能提供足够的风能。高风速条件较易满足,但火星上每天和每个季节的可用风能很难准确预测,因此如果发电装置输出功率随季节和日变化较大,就需要风能发电系统有大量储能的能力。

在火星表面进行风力发电,需要对风电机进行特殊设计。当前的风力涡轮机主要分为水平轴和垂直轴涡轮机两类。水平轴(螺旋桨式)涡轮机(HAWT)的叶片通常可以在大范围的风速范围内倾斜以获取能量。Ferrell等[35]设计了可用于火星风力发电的HAWT,采用18m直径风机可在风速为13m/s的情况下产生2.5kW的功率;采用直径30m的风机可在25m/s的风速下产生28kW的功率。该风机的叶片弦长是地球上类似涡轮机的3倍,叶片厚度为地面涡轮的1.5倍。垂直轴风力涡轮机(VAWT)可以接受任何方向的风,这类风机可以改变叶片的螺距来捕捉低速风。Haslach[18]提出了火星VAWT的设计概念,可在21.5m的登陆艇上安装一个17.25m高的风机,估计重量为175kg。在功率系数c为0.47的条件下,这种风机可在25m/s的风速下产生12kW的功率。此外,James等[2]还设计了多种带有浮力装置如由气球拖曳的VAWT,以保证风机所处的位置具有较高的风速。

4.2 风能转换为机械能

火星风能可通过多种方式转换为机械能,以支持人类未来的火星探测活动。目前已经提出的方案包括地表风滚草(TumbleweedRover)探测器、低空翼型飞行器、高空悬浮气球等[36]。其中,风滚草及火星滑翔机已经开展了多项实验,取得了较大的进展。

4.2.1 风滚草探测器

对火星表面原位资源的长期调查可以很容易地用一组风滚草完成。风滚草探测器是一种利用火星风以最小的功率穿越火星表面的车辆,它们具有在相对较大的地形起伏条件下开展各项探测的能力。这些低成本的探测器填补了轨道勘测和着陆巡视器之间的空白,能够进行区域化的相对精细的研究。

风滚草质量轻、成本低、使用简单。风滚草车队可用于远程随机调查,其功能相当于传统的坐标网格采样。许多潜在挥发分资源(如H2O、CH4等)的梯度也将趋向于遵循风载轨迹,从而使车辆的机动性模式与可能的目标资源良好匹配。风滚草可适当地用于地面和近地面巡视,通过将各种仪器进行小型化设计,风滚草探测器将能够集成多种功能,服务于各种勘测任务。预计几年内,气相色谱质谱仪(GC-MS)和探地雷达(GPR)等仪器将部署在风滚草车上。基于大量的现场测试,目前充气(图5)和可展开结构的风滚草发展最为成熟[37,38,39,40,41]。不同结构的风滚草可以提供在不同地形上运行的能力,并适应各种各样的仪器包,使它们适合于区域性自然资源的自主调查[42]。

图5充气式风滚草内部部件的系统图[6]

4.2.2 火星滑翔机

火星表面具有复杂的地形地貌,如宽而深的峡谷、高大的火山、悬崖等。火星车难以到达这些区域进行探测,因此,Bouskela等[43]提出了“火星充气滑翔机”的设计理念。该滑翔机重5kg,通过一个24kg的立方体卫星进行部署。滑翔机可携带分辨率达0.01m/pixel的相机以11～100m/s的速度对火星表面开展照相勘察。滑翔机本身不具有推进装置,其依靠充气机翼采用动力气流滑翔技术(dynamicsoaring)在火星大气层中长时间高速飞行。滑翔机将探测并飞入具有合适的风速垂直梯度的水平风场以积累额外的动能和势能,结合滑翔机上的自动控制系统,将能够持续飞行数日。这种技术已经在地球上得到了应用,但由于火星大气密度随季节变化较大,需要开展充分的计算机模拟和详尽的任务规划。

5、火星风力资源利用中存在的问题

5.1 对火星风力资源的分布缺乏精细化评估

火星表面风力资源的分布与大气密度和风速密切相关,它们又受高程、局部地形、火星大气环流的变化等因素的影响。当前的少量研究仅对火星风能的全球分布开展了整体性分析,提出了火星表面风力资源相对较高的区域,但尚未根据各个区域开展精细化的风力资源模拟与测算,未能将地形地貌与大气环流模型相结合,得到较为准确的风力资源储量估计。此外,风速和风向复杂多变,过短的观测资料不能准确反映火星上某处的风况,必须有较长时间的观测资料积累,而当前的火星风况观测数据积累不足也制约了火星风力资源的精细化评估。

5.2 风电设备的设计与建造技术尚不成熟

火星风电设备的设计需要紧密结合火星的实际条件。火星与地球在大气成分及密度、表面环境、物理场等多个方面存在巨大的差异,因而需要结合火星特殊的环境(表面温差大﹑低温与低重力)对风机的材料、设计进行改进,制作出适合火星的风机模型。

另外,风电机设备是庞大的结构系统。在火星上搭建风力发电系统尚存在诸多困难。风电设备庞大的体积与重量将对人类的运输能力产生巨大的挑战;火星表面的尘埃也会对电子设备、机械设备产生影响甚至破坏风电机的内部结构[44];风力发电设备的系统可靠性、在火星表面的易维护性以及对火星环境的影响也缺乏研究[2,45]。

5.3 风能与其他能源的联合使用有待进一步研究

风能是一种可变资源,风力发电受外界环境如风速变化、天气条件等的影响较大,存在一定的不稳定性。在地球上,风速需要大于5m/s才适宜发电,且风力越大,经济效益越高,但风力又不能超过发电设备的应力极限。从技术应用的角度讲,低风速地区风力资源分散、风况条件复杂,对风能发电设备的要求较高,许多技术难点需要突破。因此,在火星基地的建设中,可以结合具体的能源需求,与太阳能、地热能、核能等多种能源联用,方可为火星基地提供持续的充足的能源供给。

6、结论与展望

本文对火星风能的探测历史、当前的认识及利用途径进行了综合分析,提出了火星风力资源利用中尚存的问题。针对上述问题,未来开展火星风力资源的利用研究存在以下趋势和方向:

1)需要加强对火星大气环境与风力条件的探测。可通过多次火星原位探测,以及利用风滚草等新技术方法,对火星更多区域开展长时间的原位探测,以搜集更多的数据,为精细化评估火星风力资源提供基础数据。

2)需要结合火星环境条件开展风电设备的研究。当前风力涡轮机的总体趋势是加高塔架、加长叶片并增大功率。在火星上建设风电设备,需要尽可能减轻设备质量,采用新材料、新设计使风电系统能够适应低温、尘暴等火星的恶劣气候条件。同时,需要加强对低温低压下的电能存储技术和多种发电方式联用技术的研究。

3)应积极探索新技术在风力资源开发中的应用。目前国内已经开展了先进的模糊控制算法如自适应模糊控制、模糊神经网络控制等在风电领域中应用的研究,针对变速风力发电系统,使用模糊逻辑控制进行电压和功率调节,使用神经网络控制桨距调节及预测风轮气动特性,以达到获取最大能量、保证可靠运行的目标。这些新技术可以尝试应用于火星这种变速风力场系统中[46]。同时,一些非常规的风能收集方法包括无需旋转装置的无叶片风力涡轮机、高空风力涡轮机等也可以尝试应用在火星环境中。

综上,建议对火星风力资源的利用需要在火星探测与开发的不同阶段循序渐进:在火星探测的初步阶段,可利用风滚草探测器、火星滑翔机等对火星表面开展地形地貌、资源环境的调查与勘测;在火星基地建设的早期,宜采用技术相对成熟、材料可从地球运送的小型风机,结合太阳能发电装置,为基地建设提供能源;在火星基地建设完成后,可因地制宜,利用火星表面的矿产资源制造大型风力发电设备,为火星基地的长期运转提供可持续的能源供应。

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基金:载人航天预先研究项目(030202);上海市科委科研计划项目(18DZ2272300);中国博士后科学基金面上项目(2018M630889).