“天問一號”著陸坑形成過程及火壤力學特性 |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與行星土壤物理力學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構，也是行星土壤物理力學特性的重要約束。

“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十厘米深度的物質、結構等重要信息，通過著陸坑形貌特征反演火壤力學特性，提供了科學認識火壤的另一路徑。

中國科學院地質與地球物理研究所李守定和李娟跨學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性質下著陸坑的演化規(guī)律，通過數值模擬開展了火壤力學參數敏感性研究（圖2）。研究結果表明：內聚力和內摩擦角的增加，會導致侵蝕速率和著陸坑最大深度的減小，內聚力的影響力比內摩擦角更大；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“天問一號”著陸坑形貌特征估算了著陸區(qū)火星土壤力學性質的上限（圖3）：內摩擦角為25°-41°時，對應的內聚力范圍為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（模擬算例數據）(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參數范圍

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