“祝融”踏上“荧惑”

    5月22日10时40分,中国第一辆火星车“祝融号”安全驶离着陆平台,成功“打卡”火星表面。

    所谓火星车,就是在火星着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”。如今,这里第一次迎来了中国的火星车——祝融号。

    当天下午,国家航天局发布“祝融号”火星车携带的前避障相机和后避障相机拍摄的驶离着陆平台过程,这些最新的火星表面影像,让全世界共同见证:“祝融号”终于踏上“荧惑”,开启巡视探测之旅。

    “祝融号”这几天在忙啥,传个图为何那么久?

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

    不过,直到5月19日,国家航天局才对外发布我国首次火星探测天问一号任务探测器着陆过程两器分离和着陆后火星车拍摄的影像。图像中,着陆平台和“祝融号”火星车的驶离坡道、太阳翼、天线等机构展开正常到位。

    那么,“祝融号”这几天到底在忙啥,所摄火星影像图为何4天才传回?国家航天局探月与航天工程中心深空部部长耿言对此进行了解读——

    火星与地球的最远距离约4亿公里,而无线电波是以光速传播,信号能量的衰减与传播距离的平方是成正比的。“祝融号”火星车现在距离地球约3.2亿公里,“实在太远了,即使扯着嗓子一直喊,地球也只能收到很少的数据,慢得不行,只能把最重要的信息传回来。”

    “祝融号”火星车配置了两种通信方式,一是直接与地球通信,二是通过天问一号环绕器中继,与地球通信。5月15日当天一着陆,“祝融号”火星车就直接向家人报告“我已着陆,感觉良好”。

    耿言说,这之后,“祝融号”火星车用随身携带的相机拍了一些照片。不过要是直接发回地球,理论上也需要8个多小时。由于火星的自转,每天“祝融号”火星车能和地球直接通信的时间不到半个小时,所以就舍弃了直接向地球传输图像的功能。

    因此,“祝融号”火星车要等着环绕器的中继,后者块头大,嗓门也大,向地球传输数据比“祝融号”要快得多。5月17日,环绕器进入中继轨道,随后和“祝融号”火星车建立了通信联系。

    耿言表示,环绕器环绕火星一圈是8.2小时,因此它和“祝融号”很多时候都是被火星这个大家伙挡着,所以“祝融号”要在有中继的宝贵时间,先把一些自身状态的重要数据传回来,之后再传图像。

    目前,“祝融号”正在开展驶离着陆平台的准备工作,将择机驶上火星表面,开始巡视探测。后续,它将和环绕器密切配合,不仅要拍下火星的风景,还要用它携带的6台科学载荷,对火星进行深入探测,把更多的数据传回来给科学家研究——这可是比拍照更重要的事。

    设计寿命90个火星日,如何更好地活下去?

    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”具有4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。

    他向记者透露:按任务要求,“祝融号”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。

    “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车进行实时测控,所以‘祝融号’基本以自主工作为主。”贾阳说,按照火星日进行工作规划,“祝融号”将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。

    火星表面的环境极其恶劣。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两倍,其土壤的物理、力学特性虽然与月壤类似,但存在因侵蚀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。

    在火星“爬坡下坎”,都将探测什么?

    火星表面地形复杂,“祝融号”火星车如何准确传递运动指令,进而灵活行走、“爬坡下坎”?

    “这一切离不开火星车移动分系统核心传动部件——悬架减速自锁装置的支持。没有它,火星车就如断线的风筝。”中国航天科工集团所属航天江南群建精密公司项目技术负责人贺志斌说。

    这次为“祝融号”保驾护航的火星车悬架减速自锁装置,由贺志斌所在的项目团队承担研制。

    他打了一个比方:如果将“祝融号”火星车比作一辆“马车”,那么悬架减速自锁装置就是这架“马车”忠诚的“马车夫”。

    具体来看,“祝融号”火星车左右两侧的悬架上分别装备了两种结构精密的悬架减速自锁装置,其中夹角调节用减速装置、离合器机构用减速装置各两台。

    这一装置不仅体型小,而且重量轻,每台约重250克。整套传动装置相互配合,使火星车6个行走车轮独立实现抬升和降落,实现车体姿态和高低调节,以适应火星表面地形地貌,保证爬坡下坎行动自如。

    贺志斌说,在天问一号探测器飞往火星7个多月的漫长旅途中,“祝融号”火星车悬架减速自锁装置要在空间和体积的严格控制下,满足高强度冲压、极寒高温等多方面的苛刻要求。这对产品的材料和性能提出了考验。

    贺志斌说,攻关团队累计组织3次大型论证研讨会、内部技术研讨会10余次,开展台架跑合试验60余台次,开展热处理工艺验证32炉次,开展低温环境模拟试验18炉次,验证润滑方案5种……终于在项目模样转初样阶段前探索出了合理的技术实施方案。

    他告诉记者,在攻关团队看来,只有每一道工序都通过有效验证,产品的精度和性能才能做到万无一失。在热处理方面,技术人员通过反复多次试验,找出变形规律,找到变形最小参数。为使产品性能达到要求,一个产品要进行几十次甚至上百次的试验,最终确定工艺方案。

    “认识一个新的事物就是试错的过程,航天却不给你很多机会去试错。”贺志斌说,火星探测任务的重头戏之一就是火星表面巡视,这个过程必须万无一失。

    那么,“祝融号”到火星表面去探测什么?

    长期以来,人们最关心的是火星上是否存在生命,这成为当前火星探测的热门问题。专家分析,乌托邦平原很可能是火星远古海洋的所在地,而“祝融号”的着陆地点,位于古海洋和古陆地的交界处。1976年9月,美国“海盗二号”火星探测器也曾降落于此,并发回了霜冻现象的照片。

    最新的科学探测发现,在火星乌托邦平原距离地面1到10米的浅表底层下方有大量地下水冰存在,储水量相当于地球面积最大的淡水湖——苏必利尔湖。火星地下有水,是否意味着火星存在或存在过生命?是否意味着火星是地球人的未来?这些问题都有待“祝融号”在乌托邦平原这片神奇之地做进一步解答。

    贾阳说,“祝融号”火星车身上的科学载荷有五大使命,主要涉及火星空间环境、地表形貌特征、土壤表层结构等研究,将给我国带来火星的第一手资料。其中,与气象有关的研究项目将收集有关温度、气压、风速和风向的大气数据,并研究火星的磁场和重力场,这些也将解答大众对火星的好奇。

    现在,“祝融号”火星车正在火星表面“爬坡下坎”,期待它给人类带来新的发现。

中青报·中青网记者 邱晨辉 来源:中国青年报

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2021年05月25日 12 版