不靠运气靠自己三大创新伴祝融号探险火星

放大字体  缩小字体 2021-05-15 10:26:33 来源:新浪科技综合
不靠运气靠自己三大创新伴祝融号探险火星

  出品:科普中国

  前有“天和”核心舱上天,后有“祝融”火星车落火。短短半个月内,中国航天迎来了两个重大新闻。

  就在刚刚,“天问一号”的着陆器系统熬过了进入火星大气层的恶劣条件,稳稳地落在了火星表面。此后,“祝融”火星车将缓缓驶离着陆器,踏上这片陌生的红色土地。而这意味着,我国将成为继美国之后第二个实现火星表面释放火星车的国家,也将成为世界上第一个成功一次性实现火星表面“绕-落-巡”三重任务的国家。

  一直以来,我国的深空探测任务都是“工程实践-科学研究”双线并行的,要求在实现工程目标的基础上,进行科学拓展研究。等“祝融”号火星车完成“90天预定时长工作”,我国“天问一号”任务的工程学目标将全部实现。

  过往的大量经验表明,火星车的实际使用寿命往往长于设计寿命。美国的第一辆火星车“索杰纳”设计寿命7天,实际工作了3个月;“勇气号”与“机遇号”火星车双子星的设计寿命均为3个月,结果前者工作了近8年,后者甚至工作了15年,直到2018年一场席卷整个火星的沙尘暴令其断电。而我国的“玉兔二号”设计寿命3个月,结果它在月球上工作了860多天。月球的环境比火星要恶劣得多,不出意外,“祝融”号实际使用时间也会远远长于设计时间。

  有备而来的航天人,为“祝融”使用了相当多的创新设计,能够支撑它突破设计寿命限制,实现在火星表面长期探索的目标。

  火星车展开

  Part.1

  特殊的电池板,电力有保障

  “祝融”有四片电池板,侧端两片,尾端两片;而吨位相似的美国“勇气号”、“机遇号”火星车只有三片电池板,分别是侧端有两片,尾端有一片。这样独特的设计让“祝融”既能保持爬坡能力,还能获得更大面积的太阳能板,从而具有更加丰沛的电力供应。

  不仅如此,“祝融”的太阳能板也很特殊:它的表面有一层微结构膜。这层膜表面的微观结构与莲叶表面的结构类似,能够令火星的沙尘与太阳能电池板表面之间存在一层空气,这层空气恰恰可以极大减小火星尘埃与电池板表面的摩擦力,大大减少火星沙尘附着的可能性。古有莲叶“出淤泥而不染”,今有祝融“濯沙尘而不沾”。

  电池板表面微结构来源:引用文献[1]

  “祝融”号火星车还能自己清洁太阳能板。虽然这层膜能够减少火星沙尘附着的可能性,但时间一长,仍然会在太阳能板上累积相当厚度的沙尘。以往,以太阳能板为电力来源的火星表面探测器碰到了这种情况,基本上都是听天由命,只能等风吹。火星表面的风既能带来沙尘,也能带走沙尘。“勇气号”与“机遇号”实际使用时间较长的一个原因就是火星的风带走了一部分电池板表面的尘埃。但全靠运气终究不是长久之计,自己动手清洁太阳能板才是唯一可持续的出路。

  前面我们讲过,太阳能板的微结构膜减小了火星尘埃与电池板表面的摩擦力,这就也意味着,如果能够对火星尘埃施加一个力,那么就能够实现除尘。在火星表面恰恰有这样的一个力是永远存在的——那就是重力。

  对于“祝融”火星车而言,它的除尘方案只有一步——那就是把太阳能板给竖起来,沙尘便能自由滑落。

  防尘测试结果来源:引用文献[1]

  为了保险起见,以往的火星着陆器太阳能板都是一次性展开结构,展开了就无法收回。虽然“祝融”火星车的尾端太阳能板也是不可收回的,但侧端的两个太阳能板具备电机,是可以收回的。这样的设计使火星车能自主完成太阳能板的清洁,从而极大提升在火星表面生存的能力。不仅如此,侧端的太阳翼在日常的工作中还可以随时调整角度,最大限度接受太阳光照射,提高产电效率。

  侧端太阳能板角度变换

  Part.2

  自带两个“温室”,热控有保障

  除了太阳能板之外,火星车的车身上有两个圆形的薄膜,看起来如同温室一样。它确实是火星车的“温室”,不过里面并没有植物种子,而是相变保温材料。

  月球表面温差较大,但月球昼夜周期也长,所以月球车在夜晚休眠,白天工作。火星的表面温差虽没月球大,但火星的昼夜周期与地球相似,如果照搬月球上的控制方案,就算唤醒-休眠过程不会对火星车产生影响,繁琐的启动、自检、调整程序也会占据大量时间。因此,火星车在晚上也是在工作的。

  而火星昼夜温差达到几十摄氏度,对火星车的器件提出极大的考验。为了解决这个问题,美国的火星车基本采用气凝胶被动隔热+同位素电池主动产热的组合。这个组合的问题在于,电池不间断放热,当环境温度较高时,会导致火星车温度过高。同时,同位素电池对火星着陆可靠性要求很高,一旦失败就会污染火星表面环境。

  “祝融”所使用的相变保温材料,不会造成火星表面核污染,不仅如此,相变保温材料较高的相变潜热可以在相变期间吸收/释放大量的热能,从而保证火星车处于稳定的温度范围。

  在白天,“祝融”的保温材料液化吸收热量,在夜间则固化释放热量。这样的特殊性质让“祝融”能够在剧烈变化的外界环境温度下,仍然能够保持体温的恒定,让自身携带的各个组件能够更稳定、更长久地工作。

  Part.3

  多重解救方案,遇事有保障

  火星车能在火星表面移动,活动范围更广,获取的科研数据也更多,这是着陆探测器所无法比拟的。火星车的悬挂系统正是保障火星车能够在火星表面行动的核心,如果火星车的悬挂系统发生了故障,那么它就无法行动,只能变成固定式的火星表面探测平台。

  2009年,“勇气号”因为车轮陷入了沙地,不得已结束了漫游使命;中国的“玉兔号”月球车也曾因为行驶过程中电缆被月岩扯出,随后在月球表面极端环境的作用下断裂,最终失去行动能力。尽管这两辆漫游车在这之后仍然继续工作了两年,但获得的科研成果比预期少了不少,这是非常遗憾的。

  为了避免遇到类似的问题,一方面,“祝融”火星车充分修改了布线,最大限度将缆线布置于车身内部,减少事故的发生可能;

  另一方面,“祝融”独特的悬挂系统使得它有多种行动能力。火星车的每个车轮都可以独立转向,让其获得了原位转向能力。即便在直线前进过程中前轮受阻,也可以通过原位横向运动的方式脱困。不仅如此,车轮上的支撑梁也可以主动运动,换句话说,火星车可以自己“抬起腿”。一般火星车陷入沙坑是因为车轮打滑,但如果直接把几个车轮锁定,通过悬挂系统主动将整辆车提起来,从轮行模式进入“蠕行”模式,就可以完全避免这个问题:“蠕行”状态下的火星车能够以自己的轮子作为锚点,一步一步脱困。

  火星车横行

  火星车原地转向

  当然,解决被困问题的最好办法是,不要被困住。为了防止被困住,“祝融”的正面安装有与两辆月球车同款的3D双目避障相机——不是头上的桅杆相机,而是安装在车身正反两面,向下俯视的相机。它们将能够拍摄近在咫尺的火星地表环境,为火星车自主规划行走路径提供重要参考。比如,前进路上是否有坑会陷进去?是否有大石头需要绕过去?路上是否有乱石堆会损坏车轮?倒车的时候会不会有危险……这些细节都展现得一清二楚。

  火星车标记

  最后,最好的保障是在地上能控制火星车。基于火星车的路径规划与实地拍摄的火星地表环境都将为控制大厅的工作人员提供参考。他们会将分析、确定的行走指令上传至在轨服务的“天问一号”,再由“天问一号”转发给火星车。即便“天问一号”不在服务范围,火星车尾端的定向天线也能指向地球,接收地面上传的指令。只有做到控制火星车,才能保障火星车在火星探险的安全。

  桅杆相机与尾端天线展开

  “祝融”火星车是中国探测火星的使者,是我们发现火星、探索火星、认识火星的重要一环。小小的火星车背后,是无数个航天人的艰苦攻关,是无数个新技术的自主研发,是无数个零部件的测试实验。从北京到上海,从长春到兰州,从喀什到佳木斯,来自全国上百家单位的人们已经为之奋斗了太久太久。

  不久之后,这辆承载了全国人民期望的火星车将轻轻展开折叠的四片太阳能板,化蝶后的它轻盈地沿着着陆器导轨驶向这片土地,并将留下了一道浅浅的车辙。

  车辙上镌刻着的,是中国航天的印记。

  参考文献:

  [1]张佳威,周树学。火星车太阳能电池防尘涂层的制备与性能研究[J]。复旦学报(自然科学版),2019,58(06):740-746+755。

  [2]郑军强。 六轮摇臂式火星车轮-步复合移动系统及蠕动爬行策略研究[D]。哈尔滨工业大学,2019。

  本文的火星车3D动图均授权自星智科创。

  出品:科普中国

  制作:冰结向日葵

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

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原标题:不靠运气靠自己三大创新伴祝融号探险火星

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