不靠運氣靠自己，三大創(chuàng)新伴“祝融”號探險火星！

出品：科普中國
制作：冰結(jié)向日葵
監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心

前有“天和”核心艙上天，后有“祝融”火星車落火。短短半個月內(nèi)，中國航天迎來了兩個重大新聞。

就在剛剛，“天問一號”的著陸器系統(tǒng)熬過了進入火星大氣層的惡劣條件，穩(wěn)穩(wěn)地落在了火星表面。此后，“祝融”火星車將緩緩駛離著陸器，踏上這片陌生的紅色土地。而這意味著，我國將成為繼美國之后第二個實現(xiàn)火星表面釋放火星車的國家，也將成為世界上第一個成功一次性實現(xiàn)火星表面“繞-落-巡”三重任務(wù)的國家。

一直以來，我國的深空探測任務(wù)都是“工程實踐-科學(xué)研究”雙線并行的，要求在實現(xiàn)工程目標的基礎(chǔ)上，進行科學(xué)拓展研究。等“祝融”號火星車完成“90天預(yù)定時長工作”，我國“天問一號”任務(wù)的工程學(xué)目標將全部實現(xiàn)。

過往的大量經(jīng)驗表明，火星車的實際使用壽命往往長于設(shè)計壽命。美國的第一輛火星車“索杰納”設(shè)計壽命7天，實際工作了3個月；“勇氣號”與“機遇號”火星車雙子星的設(shè)計壽命均為3個月，結(jié)果前者工作了近8年，后者甚至工作了15年，直到2018年一場席卷整個火星的沙塵暴令其斷電。而我國的“玉兔二號”設(shè)計壽命3個月，結(jié)果它在月球上工作了860多天。月球的環(huán)境比火星要惡劣得多，不出意外，“祝融”號實際使用時間也會遠遠長于設(shè)計時間。

有備而來的航天人，為“祝融”使用了相當多的創(chuàng)新設(shè)計，能夠支撐它突破設(shè)計壽命限制，實現(xiàn)在火星表面長期探索的目標。

火星車展開

特殊的電池板，電力有保障

“祝融”有四片電池板，側(cè)端兩片，尾端兩片；而噸位相似的美國“勇氣號”、“機遇號”火星車只有三片電池板，分別是側(cè)端有兩片，尾端有一片。這樣獨特的設(shè)計讓“祝融”既能保持爬坡能力，還能獲得更大面積的太陽能板，從而具有更加豐沛的電力供應(yīng)。

不僅如此，“祝融”的太陽能板也很特殊：它的表面有一層微結(jié)構(gòu)膜。這層膜表面的微觀結(jié)構(gòu)與蓮葉表面的結(jié)構(gòu)類似，能夠令火星的沙塵與太陽能電池板表面之間存在一層空氣，這層空氣恰恰可以極大減小火星塵埃與電池板表面的摩擦力，大大減少火星沙塵附著的可能性。古有蓮葉“出淤泥而不染”，今有祝融“濯沙塵而不沾”。

電池板表面微結(jié)構(gòu) 來源：引用文獻[1]

“祝融”號火星車還能自己清潔太陽能板。雖然這層膜能夠減少火星沙塵附著的可能性，但時間一長，仍然會在太陽能板上累積相當厚度的沙塵。以往，以太陽能板為電力來源的火星表面探測器碰到了這種情況，基本上都是聽天由命，只能等風(fēng)吹?；鹦潜砻娴娘L(fēng)既能帶來沙塵，也能帶走沙塵?！坝職馓枴迸c“機遇號”實際使用時間較長的一個原因就是火星的風(fēng)帶走了一部分電池板表面的塵埃。但全靠運氣終究不是長久之計，自己動手清潔太陽能板才是唯一可持續(xù)的出路。

前面我們講過，太陽能板的微結(jié)構(gòu)膜減小了火星塵埃與電池板表面的摩擦力，這就也意味著，如果能夠?qū)鹦菈m埃施加一個力，那么就能夠?qū)崿F(xiàn)除塵。在火星表面恰恰有這樣的一個力是永遠存在的——那就是重力。

對于“祝融”火星車而言，它的除塵方案只有一步——那就是把太陽能板給豎起來，沙塵便能自由滑落。

防塵測試結(jié)果 來源：引用文獻[1]

為了保險起見，以往的火星著陸器太陽能板都是一次性展開結(jié)構(gòu)，展開了就無法收回。雖然“祝融”火星車的尾端太陽能板也是不可收回的，但側(cè)端的兩個太陽能板具備電機，是可以收回的。這樣的設(shè)計使火星車能自主完成太陽能板的清潔，從而極大提升在火星表面生存的能力。不僅如此，側(cè)端的太陽翼在日常的工作中還可以隨時調(diào)整角度，最大限度接受太陽光照射，提高產(chǎn)電效率。

側(cè)端太陽能板角度變換

自帶兩個“溫室”，熱控有保障

除了太陽能板之外，火星車的車身上有兩個圓形的薄膜，看起來如同溫室一樣。它確實是火星車的“溫室”，不過里面并沒有植物種子，而是相變保溫材料。

月球表面溫差較大，但月球晝夜周期也長，所以月球車在夜晚休眠，白天工作?；鹦堑谋砻鏈夭铍m沒月球大，但火星的晝夜周期與地球相似，如果照搬月球上的控制方案，就算喚醒-休眠過程不會對火星車產(chǎn)生影響，繁瑣的啟動、自檢、調(diào)整程序也會占據(jù)大量時間。因此，火星車在晚上也是在工作的。

而火星晝夜溫差達到幾十攝氏度，對火星車的器件提出極大的考驗。為了解決這個問題，美國的火星車基本采用氣凝膠被動隔熱+同位素電池主動產(chǎn)熱的組合。這個組合的問題在于，電池不間斷放熱，當環(huán)境溫度較高時，會導(dǎo)致火星車溫度過高。同時，同位素電池對火星著陸可靠性要求很高，一旦失敗就會污染火星表面環(huán)境。

“祝融”所使用的相變保溫材料，不會造成火星表面核污染，不僅如此，相變保溫材料較高的相變潛熱可以在相變期間吸收/釋放大量的熱能，從而保證火星車處于穩(wěn)定的溫度范圍。

在白天，“祝融”的保溫材料液化吸收熱量，在夜間則固化釋放熱量。這樣的特殊性質(zhì)讓“祝融”能夠在劇烈變化的外界環(huán)境溫度下，仍然能夠保持體溫的恒定，讓自身攜帶的各個組件能夠更穩(wěn)定、更長久地工作。

多重解救方案，遇事有保障

火星車能在火星表面移動，活動范圍更廣，獲取的科研數(shù)據(jù)也更多，這是著陸探測器所無法比擬的?；鹦擒嚨膽覓煜到y(tǒng)正是保障火星車能夠在火星表面行動的核心，如果火星車的懸掛系統(tǒng)發(fā)生了故障，那么它就無法行動，只能變成固定式的火星表面探測平臺。

2009年，“勇氣號”因為車輪陷入了沙地，不得已結(jié)束了漫游使命；中國的“玉兔號”月球車也曾因為行駛過程中電纜被月巖扯出，隨后在月球表面極端環(huán)境的作用下斷裂，最終失去行動能力。盡管這兩輛漫游車在這之后仍然繼續(xù)工作了兩年，但獲得的科研成果比預(yù)期少了不少，這是非常遺憾的。

為了避免遇到類似的問題，一方面，“祝融”火星車充分修改了布線，最大限度將纜線布置于車身內(nèi)部，減少事故的發(fā)生可能；

另一方面，“祝融”獨特的懸掛系統(tǒng)使得它有多種行動能力?；鹦擒嚨拿總€車輪都可以獨立轉(zhuǎn)向，讓其獲得了原位轉(zhuǎn)向能力。即便在直線前進過程中前輪受阻，也可以通過原位橫向運動的方式脫困。不僅如此，車輪上的支撐梁也可以主動運動，換句話說，火星車可以自己“抬起腿”。一般火星車陷入沙坑是因為車輪打滑，但如果直接把幾個車輪鎖定，通過懸掛系統(tǒng)主動將整輛車提起來，從輪行模式進入“蠕行”模式，就可以完全避免這個問題：“蠕行”狀態(tài)下的火星車能夠以自己的輪子作為錨點，一步一步脫困。

火星車橫行

火星車原地轉(zhuǎn)向

火星車蠕行示意圖 來源：參考文獻[2]

當然，解決被困問題的最好辦法是，不要被困住。為了防止被困住，“祝融”的正面安裝有與兩輛月球車同款的3D雙目避障相機——不是頭上的桅桿相機，而是安裝在車身正反兩面，向下俯視的相機。它們將能夠拍攝近在咫尺的火星地表環(huán)境，為火星車自主規(guī)劃行走路徑提供重要參考。比如，前進路上是否有坑會陷進去？是否有大石頭需要繞過去？路上是否有亂石堆會損壞車輪？倒車的時候會不會有危險……這些細節(jié)都展現(xiàn)得一清二楚。

火星車標記

最后，最好的保障是在地上能控制火星車?；诨鹦擒嚨穆窂揭?guī)劃與實地拍攝的火星地表環(huán)境都將為控制大廳的工作人員提供參考。他們會將分析、確定的行走指令上傳至在軌服務(wù)的“天問一號”，再由“天問一號”轉(zhuǎn)發(fā)給火星車。即便“天問一號”不在服務(wù)范圍，火星車尾端的定向天線也能指向地球，接收地面上傳的指令。只有做到控制火星車，才能保障火星車在火星探險的安全。

桅桿相機與尾端天線展開

“祝融”火星車是中國探測火星的使者，是我們發(fā)現(xiàn)火星、探索火星、認識火星的重要一環(huán)。小小的火星車背后，是無數(shù)個航天人的艱苦攻關(guān)，是無數(shù)個新技術(shù)的自主研發(fā)，是無數(shù)個零部件的測試實驗。從北京到上海，從長春到蘭州，從喀什到佳木斯，來自全國上百家單位的人們已經(jīng)為之奮斗了太久太久。

不久之后，這輛承載了全國人民期望的火星車將輕輕展開折疊的四片太陽能板，化蝶后的它輕盈地沿著著陸器導(dǎo)軌駛向這片土地，并將留下了一道淺淺的車轍。

車轍上鐫刻著的，是中國航天的印記。

參考文獻：

[1]張佳威,周樹學(xué).火星車太陽能電池防塵涂層的制備與性能研究[J].復(fù)旦學(xué)報(自然科學(xué)版),2019,58(06):740-746+755.

[2]鄭軍強. 六輪搖臂式火星車輪-步復(fù)合移動系統(tǒng)及蠕動爬行策略研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2019.

本文的火星車3D動圖均授權(quán)自星智科創(chuàng)。