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    完美着陆 | 火星车设计师独家解读祝融号火星车

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      北京时间2021年5月15日上午7点18分,我国天问一号着陆器确认成功降落火星,着陆地点位于火星北半球的乌托邦平原,着陆器上搭载我国“祝融”号首辆火星车。我国首次实施火星着陆任务圆满成功。

      完美着陆 | 火星车设计师独家解读祝融号火星车

      天问一号着陆器降落火星(艺术图)。

       

      天问一号火星探测器2020年7月23日发射升空,历经200多天的飞行,于2021年2月10日成功进入火星轨道。在此后的这几个月的时间里,又经过多次轨道调整,对着陆区域进行了高分辨率成像,以等待最佳着陆窗口,避免遇上大的沙尘暴等恶劣天气,保证探测器能够安全稳定着陆。

      完美着陆 | 火星车设计师独家解读祝融号火星车

      “天问一号”绕火星运行轨迹 / 网络

       

      一次性完成环绕、着陆、巡视三大目标任务,天问一号在航天史上绝无仅有!虽然在之前的探月任务中,我国探测器已经多次成功软着陆月球表面甚至带回了月壤,但火星表面存在大气,环境更加复杂,着陆条件也更为严苛。

       

      火星探测器着陆的过程常常被NASA称为“黑色七分钟”甚至是“死亡七分钟”。由于体重较大,“天问一号”采用的是“支腿式”,在降落过程中,它会伸出一个弹性缓冲支架,保证着陆器平稳落地,然后火星车“祝融号”从着陆器上滑下,正式踏上这片红色土地。

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      天问一号探测器由轨道器(环绕器)、着陆器和巡视器(火星车)组成。

       

      面对祝融号在火星工作期间将遇到的“距离远、温度低、地面沙尘、地形复杂”四大困境,工程师为它设计了哪些神奇技能,它又将如何过关斩将呢?请听火星车副总师独家专业解读——


       

      火星与地球一样,都是绕太阳公转的行星,按照从里向外的次序,分别处于第四位和第三位,也就是说,火星算是地球的邻居,但是到邻居家串门并不是件容易的事情,地球与火星之间的距离,最近的时候大约是5500万千米,最远的时候达到4亿千米以上。从火星发来的信息,按照光速传播,最近的时候需要接近3分钟才能传到地球,在地火距离最远的时候,更是需要20分钟以上。

      完美着陆 | 火星车设计师独家解读祝融号火星车

      乌托邦平原在火星上的位置和天问一号着陆地区。该地区地势平坦,陨石坑较少,地质年龄较轻,地壳较薄,对着陆器着陆和后续的科学探测非常有利。降落在此的另一个原因是科学家认为乌托邦平原很可能在远古火星是海洋覆盖的地区。

       

      和月球车不同,火星车不能依靠地面指挥,主要靠自己。比如出现危险征兆,如果等地面处理,信号一去一回,40分钟过去了,很可能危险已经发生。火星车的设计师为火星车配备了“超强大脑”,判断石块是否能够越过,当前电能是否充足,什么时间向哪个方向发送数据,等等,都是火星车自己分析、计算后决定的。

       

      比如,工作的过程中,发现温度有点低,它会自己启动加热器;如果发现能源不足,可以取消今天的工作;如果发现能量不足以支撑即将来临的火星夜晚,还会自己决定开始休眠,等到温度、能源合适的时候,再重新开始工作。

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      祝融号火星车位于着陆器上方(艺术图)。

       

      “超强大脑”堪称火星车的第一大法宝,主要解决的就是“远”的问题。当然,也不是所有的问题,它都能处理。如果遇到特别棘手的问题,无法自己解决,火星车可以取消当前工作计划,关闭不必要的设备以节省能源,进入安全模式,等待地面进一步分析后处理。

       

      对陌生环境进行探索,图像信息无疑是最直观的信息。由于图像信息中含有相当多的时间和空间冗余,导致了图像信息的数据量非常大。距离遥远导致从火星到地球的通信链路带宽受到很大限制,在深空数据源端对图像进行压缩无疑是提高信息回传效率的必由之路。另一方面,深空探测器资源宝贵而有限,火星车的处理能力不会像地面计算机这样强大。因此,需要根据火星探测任务的应用需求,统一考虑图像数据的压缩。

       

      火星车采用了一种自适应“首1游程”编码算法(一种针对宇航应用领域图像压缩要求的算法——编者注),实现图像数据的压缩处理,具有压缩比可灵活调整,图像渐进式传输,感兴趣的重点区域优先下传,图像开窗下传,生成小幅缩略图等功能,以适应任务执行过程中的各种可能需求。这种图像压缩算法是为火星车专门量身订做的,算是火星车的第二个法宝

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      祝融号火星车示意图


       

      由于火星距离太阳更远,表面温度也更低。在白天温度最高的时候,火星车工作的地方能够达到0摄氏度上下,但是在寒冷的火星夜晚,温度会接近-100摄氏度,这时火星大气中的二氧化碳分子甚至都不愿意继续在空中飞舞,变成了干冰凝结在火星表面。

       

      火星车设计过程中,为了解决保暖问题,主要想了两个办法:开源和节流。

       

      为了避免热量散走,设计师为火星车穿上了防寒服,这层衣服必须保暖效果好,还要特别轻,特别是在火星低气压的环境中保暖效果不能变差。为一般航天器准备的真空多层防寒服效果不好,必须开发一种用气凝胶材料制作的新型防寒服。这种材料特别轻,甚至可以放在一支鲜花上,保温隔热的效果特别好,即使一侧用火焰烧,另外一侧的鲜花也不会枯萎。用来保温的气凝胶材料是火星车的第三个法宝

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      2021年3月16日,天问一号轨道器拍摄的火星南半球影像。

       

      在开源方面,主要是研究如何利用太阳能。如果是利用传统的办法,光伏发电,那么效率只能达到30%左右,设计师们想到了一种效率更高的方法,直接把光能转换成热能,效率可以达到80%以上。白天的时候,阳光透过火星车顶面的两个类似双筒望远镜的窗口薄膜,能量被储存在相变材料中;等到夜晚来临,相变材料逐渐凝固,把热量释放出来,保证火星车在夜晚的时候温度也不会降得很低。火星车的集热窗,尽可能高效利用太阳光的能量,是火星车的第四个法宝


      作者简介/ 

      南山,中国空间技术研究院研究员,主要从事深空探测任务分析与系统设计工作。

      编辑 / 紫晓  怀尘 

      总部候考群:https://jq.qq.com/?_wv=1027&k=Gxm8DflR 

      科普平台:https://jq.qq.com/?_wv=1027&k=BCtwKu2W

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      恭喜天问一号!望接下来的“巡”也能圆满成功!

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