张磊等Geophysics洞察号火星着陆器自振特征分析

　　火星＂洞察号＂地震仪SEIS首次实现了连续高质量观测，获得了火星内部结构研究领域的系列重大突破。继续认识和挖掘这些第一手观测资料有望在未来获得更多的成果产出。由于SEIS与着陆器距离很近1.8～3.6米，风力作用导致的着陆器自振影响难以避免，形成潜在干扰。虽然洞察号团队已经在任务发射之前基于经验模型分析了着陆器的自振特征，但至今尚未见到基于三维模型和着陆区实测温度开展的着陆器精细自振特征分析工作。洞察号的温度测量结果表明，着陆区的昼夜温度变化剧烈，高达100度的温差势必会导致着陆器发生明显的热力学性质变化，但其对着陆器自振频率的影响仍缺乏深入研究，导致相关内在机理不清楚，着陆器自振与火星地震信号难以区分，将干扰后续数据挖掘。
　　中国科学院地质与地球物理所院深地资源装备技术工程实验室的张磊副研究员和张金海研究员联合北京工业大学等单位，对洞察号着陆器开展了三维数值模拟研究，详细分析了着陆器自振频率随温度变化的特征。他们首先对SEIS数据进行了分析：着陆器的固有频率主要在10Hz以内被发现；无论是日变化（图1c、图1d）还是年变化（图2）的时间尺度，着陆器的固有频率变化趋势与温度变化均呈负相关关系。然后，他们建立简化的着陆器三维有限元模型（图1a、图1b），基于有限元法进行了模态分析（图3）；对比观测到的SEIS数据和基于数值模拟的结果，确认了着陆器的3个自振模态；分析了着陆器自振频率的温度依赖性（图4），发现着陆器两侧的太阳能板弹性模量降低35%可以很好地模拟约100度昼夜温差带来的3阶、4阶和5阶固有频率降低这一现象（图4）。这表明，太阳能电池板的热胀冷缩效应会引起着陆器振型和自振频率的昼夜变化，这一现象符合通常情况下材料被加热后，弹性模量降低导致结构自振频率减小这一物理规律。
　　图1 ＂洞察号＂模型及其记录的地面振动。（a）本文建立的着陆器有限元模型，由中间的着陆器主体和两块太阳能电池板组成；（b）着陆器的部分放大；（c）Sol 521记录的地面运动及其归一化的频谱图；（d）功率谱密度中可以识别出三个与气温变化相关的频带
　　图2 整个火星年内记录的地面运动与气温的相关性。（a）频段1：3.1–3.4Hz；（b）频段2：3.9–4.3Hz；（c）频段3：5.8–7.0Hz；（d）地表气温。仅绘制记录良好的任务日。图中的不连续性白带是由机器故障或地-日-火三星共线（solar conjunction）引起的
　　图3 模拟的前8阶振型及自振频率。图c-e是三个接近SEIS记录的振型（3.5Hz、4.4Hz和6.9Hz）。图中颜色代表归一化后的振幅
　　图4 考虑到太阳能电池板弹性模量的降低后的自振频率变化。图中的线表示弹性模量E降低时模拟的自振频率。例如，E×(100%－35%) 表示弹性模量降低35%。圆点表示从记录数据中辨别出的频率极值（绿色表示夜间，红色表示白天）
　　本研究开展了定量化的有限元模型建模和仿真分析，从 SEIS 记录中精准识别了着陆器的多个自振频率，发现了着陆器自振频率随温度变化的物理机制，为分析着陆器固有频率随环境变化提供了有效方法。该研究成果提供了区分着陆器自振和火星地震的参考依据，对未来火震数据挖掘和内部结构成像具有重要意义。
　　成果发表于国际学术期刊Geophysics （Zhang L, Gao F, Liu Z, Cao P*, Zhang J H*. Temperature-dependent modal analysis of the InSight lander on Mars[J]. Geophysics, 2023, 88(2). DOI: 10.1190/geo2022-0272.1)。研究受国家自然科学基金（42204178和41941002）、中国博士后科学基金面上项目（2021M703193）和中科院重点部署项目（ZDBS-SSWTLC001）资助。
　　美编：陈菲菲
　　校对：万鹏（地质地球所）