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揭秘中国第一辆火星车:形似蓝色闪蝶 寿命曝光(组图)

新闻来源: 中国青年报/澎湃新闻 于2021-05-22 13:03:25  提示:新闻观点不代表本网立场

中国青年报客户端北京5月22日电(庞丹 中青报・中青网记者 邱晨辉)今天,中国第一辆火星车“祝融号”安全驶离着陆平台,到达火星表面,开始巡视探测。“祝融号”火星车长啥样,如何在恶劣的火星环境下开展科学探测?记者就此采访了中国航天科技集团五院专家。


“祝融号”驶向火星表面模拟图,国家航天局供图

“‘祝融号’火星车从外貌上看,就像一只美丽的‘蓝色闪蝶’,四只翅膀是用于能源供给的太阳能电池板。”中国航天科技集团五院火星车总体主任设计师陈百超说,火星车是在火星登陆并用于火星探测的可移动探测器,是人类发射到火星表面并进行巡视探测的一种“特殊车辆”。

据他介绍,“祝融号”火星车重240公斤,长3.3米,宽3.2米,高1.85米,携带6台科学载荷,可以全方位了解火星,并且回传珍贵的数据和照片。

具体来看,“祝融号”火星车配备了先进的主动悬架,具有蠕动、抬轮、车体升降等多种运动模式。陈百超说,配备主动悬架的火星车,不再担心车轮下陷,甚至发生单个车轮故障也不会丧失移动能力。

“‘祝融号’自主移动能力也非常杰出,相对传统巡视器,最大自主导航速度和自主移动距离均有大幅度的提升。”陈百超说。

据中国航天科技集团五院火星探测器副总师贾阳介绍,“祝融号”火星车由结构与机构、移动、天线、热控、供配电等10个分系统组成,具有四大主要功能:一是能够承受整个任务过程中的力学、热、辐射等空间环境;二是落火后火星车与进入舱配合完成释放、分离任务;三是在火昼时完成火面感知、探测、移动等工作,在火夜时进入待机状态,也就是“一夜好梦”;四是能够适应火面环境,具有自主休眠唤醒能力。

他说,火星车还配置了导航地形相机、多光谱相机等6种科学载荷,可以进行科学探测;按任务要求,拥有90个火星日(一个火星日约为一个地球日――记者注)的设计寿命。

“为了确保火星探测一次任务完成环绕、着陆和巡视的工程目标,研制团队针对火星独有的光照、沙尘、大气、温度、土壤等特点,量身打造了‘祝融号’火星车。”贾阳说。

火星距离地球最远距离长达4亿公里远,科研人员无法对登陆火星的火星车进行实时测控,“祝融号”基本以自主工作为主,按照火星日进行工作规划,进行长距离自主移动,并以中继通信作为主要遥控、遥测、数传手段。

贾阳说,火星大气表层光照强度大约是月球表面的三分之一;火星大气吸收太阳光蓝绿光,容易造成光谱红偏;而火星沙尘沉积将影响太阳电池阵发电,为此,研制团队专门针对光照、沙尘等情况,设计了蝶形四展太阳翼,配置了特殊的电池等。

他告诉记者,为了应对火星表面的沙尘暴天气,火星车可根据沙尘天气的轻重程度自主转入到最小工作模式、休眠模式或唤醒模式。

贾阳说,火星表面气压大约是地球大气的1%,火星表面温度白天时最高温度大约27摄氏度,晚上最低温度大约零下130摄氏度,为了应对火面的低气压以及昼夜温差,研制团队为火星车配置了两套集热器,并采用了纳米气凝胶保温;此外,还开展了低气压放电试验。

“火星表面岩石分布密度大约是月球表面的2倍,其土壤的物理、力学特性虽然与月壤类似,但存在侵蚀而导致的表层土壤坚硬、里层土壤松软的情况。”贾阳说,研制团队对此采用了主动悬架设计并开展了内场下陷脱困试验,通过主动悬架构型的变化,“祝融号”可以实现抬轮和蠕动,便于车轮下陷后脱困。

他告诉记者,火星表面弱光照、低温、地火通信严重受限、地面通过性差以及不可预估的沙尘天气是阻碍火星车生存及完成巡视探测的主要困难,为闯过这些难关,研制人员开展了自主及故障容限设计,确保了火星车能够有效应对严酷的环境和任务约束。

“台上一分钟,台下十年功。”中国航天科技集团五院专家表示,为了让“祝融号”火星车能顺利行驶在火星上,火星探测研制团队开展了成千上万次大大小小的分析、试验。如今,“祝融”终于踏上“荧惑”。

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5月22日10时40分,“祝融号”火星车已安全驶离着陆平台,到达火星表面,开始巡视探测。央企高科技大显身手,小新带你一起探访“祝融号”火星车——“祝融号”火星车都有什么功能?

火星车是在火星登陆并用于火星探测的可移动探测器,是人类发射到火星表面并进行巡视探测的一种“特殊车辆”。

天问一号任务的科学目标是研究火星形貌与地质构造特征、火星表面土壤特征与水冰分布、火星表面物质组成、火星大气电离层及表面气候与环境特征、火星物理场与内部结构等。▲ 火星车(模拟动画)

“祝融号”火星车由结构与机构、移动、天线、热控、供配电等10个分系统组成,具有四大主要功能:

能够承受整个任务过程中的力学、热、辐射等空间环境;

落火后火星车与进入舱配合完成释放、分离任务;

在火昼时完成火面感知、探测、移动等工作,在火夜时进入待机状态;

能够适应火面环境,具有自主休眠唤醒能力。

“祝融号”如何探测、通信和拍照?

5月15日,天问一号任务着陆巡视器成功软着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区后,火星车建立了对地通信。

5月17日,环绕器实施第四次近火制动,进入中继通信轨道,为火星车建立稳定的中继通信链路,陆续传回图像数据。



▲ 火星车驶离平台(模拟动画)

探测器自2020年7月23日发射以来,在地火转移飞行、环火轨道运行期间,环绕器配置的中分辨率相机、高分辨率相机、矿物光谱分析仪、磁强计等7台科学载荷陆续开机探测,获取科学数据。

火面工作期间,火星车将按计划开展巡视区环境感知、火面移动和科学探测,通过配置的地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪等6台载荷,对巡视区开展详细探测。同时,环绕器将运行在中继轨道,为火星车巡视探测提供稳定的中继通信,兼顾开展环绕探测。

“祝融号”如何适应火星环境运动自如?

先进的主动悬架,火星车自如爬坡下坎

火星表面地貌复杂,如何让火星车在能够自如地爬坡下坎,科研团队为火星车设计研制了“定制化”的悬架减速自锁装置。“祝融号”火星车配备了先进的主动悬架,具有蠕动,抬轮,车体升降等多种运动模式。配备主动悬架的火星车,不再担心车轮下陷,甚至发生单个车轮故障也不会丧失移动能力。“祝融号”火星车自主移动能力也非常杰出,相对传统巡视器,最大自主导航速度和自主移动距离均有大幅度的提升。

加速度计为GNC提供测量信息,火星车精准“感知”速度和位置

安装在火星车上的加速度计随时为GNC提供测量信息,确保火星车移动的过程中能够随时精准“感知”速度、位置,为火星车安全平稳地开展工作保驾护航。

“祝融号”如何实现能源供给?

“祝融号”火星车看上去像一只美丽的“蓝色闪蝶”,四只翅膀是用于能源供给的太阳能电池板。火星距离地球最远距离长达4亿公里远,科研人员无法对登陆火星的火星车进行实时测控,“祝融”号基本以自主工作为主,按照火星日进行工作规划,进行长距离自主移动,并以中继通信作为主要遥控、遥测、数传手段。

蝶形四展太阳翼

火星大气表层光照强度大约是月球表面的三分之一;火星大气吸收太阳光蓝绿光,容易造成光谱红偏;而火星沙尘沉积将影响太阳电池阵发电,为此,研制团队专门针对光照、沙尘等情况,设计了蝶形四展太阳翼,配置了特殊的电池。

太阳电池玻璃盖片上的特殊涂层

火星尘埃在太阳电池表面的堆积也会极大影响火星车的能量获取效率。研制人员为此开展了关键技术攻关,通过表面处理和结构设计在太阳电池玻璃盖片表面做了特殊涂层。

最大功率跟踪技术

研制人员创新性地在火星探测任务上首次使用了最大功率跟踪技术,这也是该技术在国内航天领域的首次在轨应用,跟踪精度高达98%,相比传统电路,提高了太阳电池20%的利用效率,既解决了火星车能源紧张问题,也在减少太阳电池阵面积的同时减轻了电源产品的重量。

“祝融号”如何自主休眠唤醒?

火星上有大气,当大气运动引起的巨大沙尘暴让火星车受到沙尘的遮盖时,接收到的太阳光能量急剧下降,这时就必须为火星车设计一个“休眠”模式,耐心等待沙尘暴过去。其次,火星上有明显的四季变化,当进入火星深秋后,光照强度会持续减弱,而火星太阳辐照强度仅为月球表面的20%,这时,火星车需要进入长期的“冬眠”,直至第二年的春季到来。



判断蓄电池电量,火星车自动转入休眠状态

火星气候具有复杂性,火昼时锂离子蓄电池可能会面临联合供电进而导致充电量不足的情况。为了确保万无一失,研制人员也为火夜制定了一份休眠唤醒“备份”计划,在火昼转火夜前,对锂离子蓄电池的剩余电量进行判读,当蓄电池的剩余电量不足以支撑火星车度过火夜时,火星车转入休眠状态。

优先给锂离子蓄电池加热,唤醒火星车

火星车锂离子蓄电池不具备保温设备,若没有从-90℃的最低温度恢复到-15℃的工作温度,即使唤醒了,也无法正常开展工作。休眠的时候整器会断电,至于什么时候再唤醒,需要先参考锂离子蓄电池的温度。

研制人员给锂离子蓄电池增加了温度继电器,用来判断锂离子蓄电池的温度。当太阳电池重新开始工作后,优先给锂离子蓄电池加热,待加到-15℃左右,温度继电器自动闭合,火星车真正唤醒。
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