【当发动机羽流冲击#火星#大地，我们如何为深空着陆“托举安全”】
深空探测实验室周炳康、朱阳、杨志与黄生洪在国内航天期刊《宇航学报》发表最新研究成果《火星探测器发动机羽流高速冲击下的火壤侵蚀特性》，揭示火星着陆发动机羽流冲击火壤的侵蚀规律，构建了具有工程价值的预测模型。这项研究对提升软着陆与起飞可靠性、规避扬尘污染、保障样品原始性等工程应用具有重要意义。
一、一个被忽视的危险：着陆器触地的那一刻
2021年5月，"天问一号"着陆巡视器在火星乌托邦平原成功着陆。9分钟的"恐怖时刻"，举世瞩目。鲜有人注意到，另一幕正在同步上演——
着陆发动机喷出的高速羽流，以超声速冲向火星地面，在极低大气压的环境中迅速膨胀。羽流与火星土壤剧烈相互作用：地面被冲刷出侵蚀坑，大量火壤颗粒被扬起，以极高速度向四周飞溅，冲击探测器底部；扬起的火尘若附着在太阳电池阵和光学相机表面，将严重影响仪器工作；侵蚀坑的形成还会改变羽流的反射形态，让着陆器受到难以预测的干扰力矩，危及稳定着陆。
更深远的隐患在于未来：当"#天问三号#"实施火星采样返回时，着陆器羽流可能将燃烧产物和污染物扩散至采样区域，污染那份历经数亿公里跋涉才得以采回的火星样品——而这可能令任务的科学使命大打折扣。
着陆器落地的那一刻，究竟发生了什么？火星表面被"刨"出的坑，形状由什么决定？深空探测实验室深空能源动力团队，用一套自主开发的计算方法，给出了答案。
二、一套可以预测"刨坑"的计算方法
以"天问一号"着陆任务为工程背景，深空探测实验室能源动力团队在《火星探测器发动机羽流高速冲击下的火壤侵蚀特性》中聚焦一个具体而关键的科学问题：
着陆器距地面的高度，如何决定羽流在火壤上"刨出的坑"的形状？
这看似简单的问题，背后藏着极为复杂的多物理场耦合过程：发动机出口羽流以超声速喷出，在稀薄火星大气中迅速膨胀，形成马赫盘等复杂波系结构；羽流与固体火壤颗粒构成气固两相流，气体拖曳力、颗粒碰撞、重力、压差……多种力同时作用于火壤颗粒；被扬起的颗粒继续与气流相互作用，再次影响流场，形成强耦合反馈。
团队自主研发的可压缩双流体数值仿真程序，具备高速羽流、气固两相流和固体颗粒沉积三个物理过程的模拟能力，通过与国际已有文献数据对比验证，计算精度较高。
计算结果揭示了清晰的物理图像：随着着陆器高度降低，羽流扩散范围收窄、轴向冲击压力增大，侵蚀坑因此变深、变窄；高度较高时，羽流在抵达火壤前已大幅膨胀扩散，侵蚀坑变宽、变浅。团队进一步提炼出一套侵蚀坑形态的工程预测模型，可直接用于指导探测器软着陆策略设计和火星取样方案规划。
从"天问一号"成功着陆火星，到未来火星样品安全返回地球，人类深空探测事业的每一步前行，都离不开无数这样的基础研究在幕后支撑。深空探测实验室正站在这一赛道上，为中国深空探测事业筑牢安全之基。（供稿/周炳康 李宜然 来源/宇航学报）