前有“天和”核心艙上天，後有“祝融”火星車落火。短短半個(ge) 月內(nei) ，中國航天迎來了兩(liang) 個(ge) 重大新聞。

　　就在剛剛，“天問一號”的著陸器係統熬過了進入火星大氣層的惡劣條件，穩穩地落在了火星表麵。此後，“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(wei) 繼美國之後第二個(ge) 實現火星表麵釋放火星車的國家，也將成為(wei) 世界上第一個(ge) 成功一次性實現火星表麵“繞-落-巡”三重任務的國家。

　　一直以來，我國的深空探測任務都是“工程實踐-科學研究”雙線並行的，要求在實現工程目標的基礎上，進行科學拓展研究。等“祝融”號火星車完成“90天預定時長工作”，我國“天問一號”任務的工程學目標將全部實現。

　　過往的大量經驗表明，火星車的實際使用壽命往往長於(yu) 設計壽命。美國的第一輛火星車“索傑納”設計壽命7天，實際工作了3個(ge) 月；“勇氣號”與(yu) “機遇號”火星車雙子星的設計壽命均為(wei) 3個(ge) 月，結果前者工作了近8年，後者甚至工作了15年，直到2018年一場席卷整個(ge) 火星的沙塵暴令其斷電。而我國的“玉兔二號”設計壽命3個(ge) 月，結果它在月球上工作了860多天。月球的環境比火星要惡劣得多，不出意外，“祝融”號實際使用時間也會(hui) 遠遠長於(yu) 設計時間。

　　有備而來的航天人，為(wei) “祝融”使用了相當多的創新設計，能夠支撐它突破設計壽命限製，實現在火星表麵長期探索的目標。

　　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(ce) 端兩(liang) 片，尾端兩(liang) 片；而噸位相似的美國“勇氣號”、“機遇號”火星車隻有三片電池板，分別是側(ce) 端有兩(liang) 片，尾端有一片。這樣獨特的設計讓“祝融”既能保持爬坡能力，還能獲得更大麵積的太陽能板，從(cong) 而具有更加豐(feng) 沛的電力供應。

　　不僅(jin) 如此，“祝融”的太陽能板也很特殊：它的表麵有一層微結構膜。這層膜表麵的微觀結構與(yu) 蓮葉表麵的結構類似，能夠令火星的沙塵與(yu) 太陽能電池板表麵之間存在一層空氣，這層空氣恰恰可以極大減小火星塵埃與(yu) 電池板表麵的摩擦力，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”。

　　電池板表麵微結構 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(hui) 在太陽能板上累積相當厚度的沙塵。以往，以太陽能板為(wei) 電力來源的火星表麵探測器碰到了這種情況，基本上都是聽天由命，隻能等風吹。火星表麵的風既能帶來沙塵，也能帶走沙塵。“勇氣號”與(yu) “機遇號”實際使用時間較長的一個(ge) 原因就是火星的風帶走了一部分電池板表麵的塵埃。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的出路。

　　前麵我們(men) 講過，太陽能板的微結構膜減小了火星塵埃與(yu) 電池板表麵的摩擦力，這就也意味著，如果能夠對火星塵埃施加一個(ge) 力，那麽(me) 就能夠實現除塵。在火星表麵恰恰有這樣的一個(ge) 力是永遠存在的——那就是重力。

　　對於(yu) “祝融”火星車而言，它的除塵方案隻有一步——那就是把太陽能板給豎起來，沙塵便能自由滑落。　

　　防塵測試結果  來源：引用文獻[1]

　　為(wei) 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構，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(ce) 端的兩(liang) 個(ge) 太陽能板具備電機，是可以收回的。這樣的設計使火星車能自主完成太陽能板的清潔，從(cong) 而極大提升在火星表麵生存的能力。不僅(jin) 如此，側(ce) 端的太陽翼在日常的工作中還可以隨時調整角度，最大限度接受太陽光照射，提高產(chan) 電效率。

　　側(ce) 端太陽能板角度變換

　　自帶兩(liang) 個(ge) “溫室”，熱控有保障

　　除了太陽能板之外，火星車的車身上有兩(liang) 個(ge) 圓形的薄膜，看起來如同溫室一樣。它確實是火星車的“溫室”，不過裏麵並沒有植物種子，而是相變保溫材料。

　　月球表麵溫差較大，但月球晝夜周期也長，所以月球車在夜晚休眠，白天工作。火星的表麵溫差雖沒月球大，但火星的晝夜周期與(yu) 地球相似，如果照搬月球上的控製方案，就算喚醒-休眠過程不會(hui) 對火星車產(chan) 生影響，繁瑣的啟動、自檢、調整程序也會(hui) 占據大量時間。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(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 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(chan) 熱的組合。這個(ge) 組合的問題在於(yu) ，電池不間斷放熱，當環境溫度較高時，會(hui) 導致火星車溫度過高。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(hui) 汙染火星表麵環境。

　　“祝融”所使用的相變保溫材料，不會(hui) 造成火星表麵核汙染，不僅(jin) 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(cong) 而保證火星車處於(yu) 穩定的溫度範圍。

　　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。這樣的特殊性質讓“祝融”能夠在劇烈變化的外界環境溫度下，仍然能夠保持體(ti) 溫的恒定，讓自身攜帶的各個(ge) 組件能夠更穩定、更長久地工作。

　　多重解救方案，遇事有保障

　　火星車能在火星表麵移動，活動範圍更廣，獲取的科研數據也更多，這是著陸探測器所無法比擬的。火星車的懸掛係統正是保障火星車能夠在火星表麵行動的核心，如果火星車的懸掛係統發生了故障，那麽(me) 它就無法行動，隻能變成固定式的火星表麵探測平台。

　　2009年，“勇氣號”因為(wei) 車輪陷入了沙地，不得已結束了漫遊使命；中國的“玉兔號”月球車也曾因為(wei) 行駛過程中電纜被月岩扯出，隨後在月球表麵極端環境的作用下斷裂，最終失去行動能力。盡管這兩(liang) 輛漫遊車在這之後仍然繼續工作了兩(liang) 年，但獲得的科研成果比預期少了不少，這是非常遺憾的。

　　為(wei) 了避免遇到類似的問題，一方麵，“祝融”火星車充分修改了布線，最大限度將纜線布置於(yu) 車身內(nei) 部，減少事故的發生可能；

　　另一方麵，“祝融”獨特的懸掛係統使得它有多種行動能力。火星車的每個(ge) 車輪都可以獨立轉向，讓其獲得了原位轉向能力。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(jin) 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(wei) 車輪打滑，但如果直接把幾個(ge) 車輪鎖定，通過懸掛係統主動將整輛車提起來，從(cong) 輪行模式進入“蠕行”模式，就可以完全避免這個(ge) 問題：“蠕行”狀態下的火星車能夠以自己的輪子作為(wei) 錨點，一步一步脫困。

　　火星車橫行

　　火星車原地轉向 

　　火星車蠕行示意圖 來源：參考文獻[2]

　　當然，解決(jue) 被困問題的最好辦法是，不要被困住。為(wei) 了防止被困住，“祝融”的正麵安裝有與(yu) 兩(liang) 輛月球車同款的3D雙目避障相機——不是頭上的桅杆相機，而是安裝在車身正反兩(liang) 麵，向下俯視的相機。它們(men) 將能夠拍攝近在咫尺的火星地表環境，為(wei) 火星車自主規劃行走路徑提供重要參考。比如，前進路上是否有坑會(hui) 陷進去？是否有大石頭需要繞過去？路上是否有亂(luan) 石堆會(hui) 損壞車輪？倒車的時候會(hui) 不會(hui) 有危險……這些細節都展現得一清二楚。

　　火星車標記

　　最後，最好的保障是在地上能控製火星車。基於(yu) 火星車的路徑規劃與(yu) 實地拍攝的火星地表環境都將為(wei) 控製大廳的工作人員提供參考。他們(men) 會(hui) 將分析、確定的行走指令上傳(chuan) 至在軌服務的“天問一號”，再由“天問一號”轉發給火星車。即便“天問一號”不在服務範圍，火星車尾端的定向天線也能指向地球，接收地麵上傳(chuan) 的指令。隻有做到控製火星車，才能保障火星車在火星探險的安全。

　　桅杆相機與(yu) 尾端天線展開 

　　“祝融”火星車是中國探測火星的使者，是我們(men) 發現火星、探索火星、認識火星的重要一環。小小的火星車背後，是無數個(ge) 航天人的艱苦攻關(guan) ，是無數個(ge) 新技術的自主研發，是無數個(ge) 零部件的測試實驗。從(cong) 北京到上海，從(cong) 長春到蘭(lan) 州，從(cong) 喀什到佳木斯，來自全國上百家單位的人們(men) 已經為(wei) 之奮鬥了太久太久。

　　不久之後，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，化蝶後的它輕盈地沿著著陸器導軌駛向這片土地，並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.火星車太陽能電池防塵塗層的製備與(yu) 性能研究[J].複旦學報(自然科學版),2019,58(06):740-746+755.

　　[2]鄭軍(jun) 強. 六輪搖臂式火星車輪-步複合移動係統及蠕動爬行策略研究[D].哈爾濱工業(ye) 大學,2019.

　　本文的火星車3D動圖均授權自星智科創。

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