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视频来了:“祝融号”火星车成功驶上火星表面

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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。

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。

中国航天科技集团八院811所承担了火星车电源产品的研制任务,同样作为月球车电源产品的研制单位,针对火星和月球两种截然不同的环境,火星车和月球车电源产品有哪些区别呢?

怎样把控更复杂的休眠唤醒?

不同于月球,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。

同时,考虑到火星气候的复杂性,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,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。如何及时并准确地判断锂离子蓄电池的剩余容量就显得至关重要。

锂离子蓄电池设计师王晓锐介绍,目前航天器在轨的锂离子蓄电池容量判读方法一般有两种,安时计和查表法,“但由于火星光强不足导致蓄电池火昼时不能充满电,安时计无法进行满充校准,累积误差会越来越大;且地火来回通信至少需要30分钟,导致查表法不能及时准确判断蓄电池剩余容量。为此,我们采用了将安时计和查表法结合使用的方式。”

电源控制器设计师陈达兴介绍,“与月球车不同的是,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,我们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。

深空探测任务中,航天器唯一的能量来源,就是太阳的能量。在火星车上,有四块“特别订制”的太阳能电池阵,为了顺利完成此次火星车的预定任务,它们经历了一段不平凡的研制历程。

如果说月球巨大的昼夜温差是研制人员面临的最大难题,那火星上的未知光谱更让811所研制人员头疼。

通过查阅大量的文献资料、对火星光谱仿真、与国际的相关资料比对分析,研制人员确定了火星光谱条件,奠定了研制工作的基础。

火星表面的光谱与地球轨道、月球轨道的光谱不同,这就意味着火星车太阳电池的“与众不同”。研制人员对太阳电池进行了重新设计,根据火星的光谱作了相应的调整和优化。但受火星车自身体积重量限制,以及火星表面光照条件、火星尘埃等自然环境条件影响,太阳电池阵的发电能力被大大削弱,该如何解决这一问题?

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,陈达兴告知:“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。”

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,“表面处理在于降低火星尘埃和太阳电池的相互吸引力,结构设计在于减少两者的接触面积,这些都通过了验证,满足了要求。”王文强如是说。

揭秘中国第一辆火星车

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”。为顺利完成火星探测任务,航天科技集团五院抓总研制了我国第一辆火星车“祝融”,下面就让我们来认识一下它吧。

“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。“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。据航天科技集团五院火星车总体主任设计师陈百超介绍,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。

“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。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个火星日的设计寿命。

据航天科技集团五院火星探测器副总师贾阳介绍,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。众所周知,火星距离地球最远距离长达4亿公里远,所以我们无法对登录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。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。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。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,航天科技集团五院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,对此,研制团队精心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”可以实现抬轮和蠕动,便于车轮下陷后脱困。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”。为了让火星车威风凛凛地行驶在火星上,航天科技集团五院火星探测研制团队呕心沥血,开展了成千上万次大大小小的分析、试验,无数夜以继日的拼搏奉献和辛勤劳动最终浇灌出绽放的花朵。祝福中国火星车一路平安!工作顺利!

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