火星探測是人類探索宇宙秘密的又一序幕，我國繼探月工程取得重大突破后，也計劃2020發射首顆登陸火星表面的探測器。飛行器熱環境預測及熱防護系統設計是保證飛行任務成功極其重要的一環。在火星飛行器氣動熱環境的預測研究中，由于對于該熱化學反應機理認知不足以及化學反應模型選取的不確定性，導致熱環境計算誤差較大，飛行器熱防護系統普遍采用保守設計，極大的增加其比重并降低飛行器有效載荷。研究表明，二氧化碳離解反應是火星進入流場熱化學反應機理研究的關鍵，其離解反應直接影響整個火星進入流場熱化學反應的進程；其離解產物在飛行器熱防護層表面催化復合釋放的催化反應熱是飛行器熱防護系統所承受熱載荷的重要來源。因此，開展火星進入流場二氧化碳離解反應機理研究，對于火星飛行器熱環境準確預測及熱防護系統設計具有重要的指導意義。

中科院力學所高溫氣體動力學國家重點實驗室余西龍研究團隊針對這一關鍵科學問題取得重要進展。研究人員使用高焓激波管模擬火星進入流場，針對這種極高溫非平衡條件下的氣體輻射特性，采用分子發射光譜測溫技術及激光吸收光譜技術實現了強激波波后非平衡溫度及關鍵離解組分一氧化碳濃度的定量測量，這是國際首次將吸收光譜應用于火星進入流場氣體組分濃度測量；同時發展了能夠反映火星進入非平衡流場的化學反應動力學模型，結合實驗數據對該模型及化學反應速率常數進行了修正。此外，該工作對高溫（>6000K，目前國際通用數據庫僅到3000K）吸收光譜數據庫補充和驗證也極有意義。

鑒于測量方法創新性及工程應用重要性，這項工作的前期研究方案和結果被NASA Progress in Aero.& Astro.系列專刊《Molecular-Based Optical Diagnostics for Hypersonic NonequilibriumFlows》大篇幅引用，最新的研究結果發表于AIAA系列Journal of Thermophysicsand Heat Transfer（X. lin, L. Z. Chen, J. P. Li, and X. L., Yu. Experimental andNumerical Study of Carbon-Dioxide Dissociation for Mars Atmospheric Entry,2018, 32(2): 503-513）。研究工作得到國家自然科學基金項目支持。

圖1 激波波后非平衡溫度變化歷程

圖2 激光吸收光譜應用于激波波后CO密度測量 

圖3 化學動力學模型計算與光譜診斷相互印證（激波速度：7.09km/s）

來源：中科院力學所