摘要
中国火星探测工程的重要科学任务之一就是水冰探测，水冰探测研究对于了解火星气候变化和开展资源原位利用都具有重要意义。当前的火星土壤水冰传热传质模型由于未考虑季节性变化的大气条件，因而难以明确低中纬度区域季节性地下水冰赋存状态，也不利于高效的水冰原位升华开采。火星条件下土壤水冰传热传质模型的发展及其应用研究可为我国火星水冰探测与未来开采利用提供坚实的理论基础和技术支撑。 本文考虑季节性变化的大气条件，建立了土壤水冰传热传质耦合模型，并应用于预测低中纬度地区季节性地下水冰赋存状态，以及开展水冰原位加热升华开采模拟。首先针对影响水冰赋存的重要参数热惯量反演时间成本较高的问题，基于机器学习算法，建立了火星热惯量智能预测模型;其次，针对土壤水冰模型未考虑变化大气辐射的问题，建立了季节性太阳和红外辐射条件下的土壤水冰传热传质耦合模型;再次，针对季节性地下水冰赋存状态尚未明确的问题，考虑变化大气条件，开展了北半球低中纬度地区季节性地下水冰形成模拟研究;最后，针对如何有效原位升华开采水冰的问题，结合火星水冰升华特征，建立了基于导热棒加热的水冰原位开采的产量预测模型，开展了水冰原位热开采模拟研究，形成了水冰升华开采方案的优化方法。 研究结果表明:火星热惯量智能预测模型可提供快速、高准确度的热惯量预测，对于细颗粒、沙粒等不同类型热惯量的预测准确率可达96％。季节性地下水冰受到热惯量、尘埃光学深度等土壤或大气参数影响，热惯量越小，表层土壤越容易降温，越有利于水冰积累;尘埃光学深度越大使大气尘埃主要起保温作用时，越不利于地下水冰积累。随着表征火星季节的太阳经度Ls变化，北半球低中纬度地区的季节性地下水冰主要赋存于220°-360°之间，极大值约在300°，其含量变化主要源于土壤水的吸附和解吸。在水冰原位加热升华开采中，对于多个导热棒加热方案，冰层中水冰含量与导热棒分布距离存在最优匹配关系，即冰层中水冰含量越高，冰层热惯量越大，不利于加热升温，水冰平均升华速率越小，需要加密导热棒相互之间距离，达到最优的水冰平均升华速率。
NETL