星辰大海:天问一号的奔向火星之路

孙泽洲:航天科技集团第五研究院研究员。作为我国深空探测航天器设计领域专家和学术带头人,长期致力于深空探测领域研究和工程实践,历任嫦娥一号卫星副总设计师,嫦娥三号探测器总设计师,现任嫦娥四号探测器总设计师、火星探测器总设计师。

星辰大海:天问一号的奔向火星之路

内容整理自墨子沙龙“中国登陆火星!——天问之路”活动。

非常高兴能来到墨子沙龙,有机会跟大家一起分享我们国家首次火星探测任务——“天问一号”任务。一提到火星,我们总会感到既熟悉又陌生,大家也许会有一些问题:我们人类为什么要去探测火星?为什么热衷于火星的探测?

火星——行星探测第一站

首先我们要对火星本身有一个简单的了解。火星是距离我们“很近”的一个星球,我们在地球上肉眼可以清晰地看到这个红色的星球。“近”是相对于浩瀚的宇宙而言,相对于地月距离,它又很远。每大概26个月就会出现一次火星冲日,这个时候火星和地球运行到太阳的同一侧。在晴朗夜晚的天空,随着太阳的下山,火星会从地球的东方升起,所以人类很早就对火星进行了观测。

古代中国把火星称为荧惑,西方把火星比作战神Mars。由于古代人类对宇宙认知程度和科技水平的限制,火星往往与战争和灾祸相联系,这其实对火星很不公平。随着科技的发展和认知水平的提升,我们发现火星这个近邻很可能会成为人类的第二个家园。因而,之后的人们对火星就不再有恐惧,更多的是一种向往。大家看到近现代的一些科幻小说、电影都含有火星元素,如《火星救援》等。

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火星与地球有很大的相似性,太阳系内的行星从内往外依次是:水星、金星、地球、火星……火星距离地球最近的时候(即刚才提到的火星冲日)大概是5500万公里;最远时距离4亿公里,但如此遥远的距离相比宇宙的尺度也是很小。

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从它的自然特性来讲,其公转周期687天接近地球的两年,同时因为它的自转轴与轨道周期面夹角大约为25度,与地球的23.5度接近,所以它也有四季的变化。它的自转周期跟地球十分相近,是24小时37分钟,所以昼夜变化与地球上基本一致。而且火星有一层稀薄的二氧化碳大气,导致火星上有一定的温室效应,所以它的昼夜温差虽然比地球大,但相比月球却小很多。由于这些特性,火星在我们现在认知的天体中更接近地球。因此从事行星科学研究的科学家们认为,火星的演化与地球有很多的相似之处;但由于它的质量比较小,所以内部能量消耗得较快,更接近一个行星的晚期。火星的今天很可能就是地球的明天,所以从行星学研究的角度考虑,对火星有充分的认识可以帮助我们更好地了解地球的未来。

此外,因为火星跟地球很相似,大家就会想到火星是不是有可以为人类所利用的资源,例如水。现在的探测结果说明火星上有水存在的迹象,但水是否大量存在还有待我们继续探索,这也是现在对火星探测的一个重点和热点。

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火星还有另外一些重要的整体特征。如因为它比地球小,所以呈现低重力的特点,只有地球重力的3/8左右。因为它比地球离太阳更远,因此有弱光照、偏低温等特点。但其四季和昼夜的变化跟地球很相似。

我们现阶段对于火星的探测主要基于两个目标,一是从行星学的角度认识火星,以认识地球的未来;二是对火星资源进行探测,以期能对这些资源有一些新发现,未来能为我们所利用。比如未来人类是否能去火星并把火星做星际航行的一个中转站,是否存在能为我们所利用的资源?因此,我们要把航天器送到火星轨道、火星表面进行探测。

火星之旅,人类蹒跚起步

2020年可以说是火星探测的一个高潮年,我们国家的“天问一号”成功发射飞向火星,并在今年成功着陆火星。那么,我们人类对火星的探测经历了怎样的历程?

火星探测的历史还是很长的,早在1960年,在人类的第一颗人造卫星发射后不到三年的时间,人类就开始了奔往火星的征程。第一个吃螃蟹的是苏联的“火星1A号”,但很可惜由于当时技术水平的限制,它最终并没有到达火星。但毋庸置疑,它开启了人类对火星探测的序幕。

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人类首颗火星探测器——苏联“火星1A”(1960年10月10日)

接下来可以把从1960年开始到现在的火星探测任务,不太严格地分为三个阶段:第一个阶段是火星探测的初期,这个阶段虽然没有取得很多成果但也非常重要;第二个阶段是相对沉寂的时期;第三个阶段,又一个高潮期。

我简单介绍下这三个阶段的基本情况。

第一个阶段是1960年到1976年,这个阶段里实施了23次任务,到目前为止一半左右的火星探测任务是在这个阶段实现的。首先是1964年美国的“水手四号”发射,1965年掠飞火星,与火星擦肩而过,近距离拍摄了火星的第一张照片。这在火星探测史上是一个很重要的节点。到了1971年,“水手九号”成功实现了火星的环绕探测,并进行了更全面的遥感探测,绘制了85%火星区域的影像。“水手九号”在火星探测史上也是很重要的一个航天器,让人类对火星有了更进一步的认识。之后1976年的“海盗号”则更加出名,是人类在火星表面着陆的第一个航天器。即在1976年,它实现了火星的环绕和着陆,更真切地看到了火星的形貌。到此为止火星探测的第一个阶段就告一段落了。

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水手九号(1971年,美国)传回了7329张火星照片,绘制了火星85%的地图,分辨率为1–2千米

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海盗号(1976年,美国)以探寻火星表面生命为目标,完成了环绕+着陆火星探测

第一阶段为什么要告一段落?因为此阶段的火星探测主要有两个国家参加:美国和苏联。他们围绕着谁第一个到达火星、谁第一个着陆进行竞赛,这种竞赛成为了第一阶段火星探测的主要动力。但随着竞赛的第一名归属确定之后,接下来自然进入了一个没有驱动力的沉寂期。所以,1977年到1990年间基本没有火星探测的任务。仅苏联有两次对火星的“福波斯”(Phobos)探测任务,但最终也没有成功。

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福波斯二号(1988年,苏联)

从1991年到现在,火星又进入一个新的发展时期,参与的国家变多,发展的驱动力也变了。不以竞赛的第一名作为主要驱动,更多的是以技术的发展和科学的发现作为火星探测的主要目标。这就回到了我们一开始讨论的“为什么要去探测火星”问题上来,回到了真正由技术和科学驱动牵引的道路上来。

在接下来30年的时间里,有了很多著名的火星航天器,如凤凰号、洞察号等;在探测形式上也有了很大的拓展,由过去的仅着陆变成了着陆并在地面开展巡视,以美国的航天器为代表。在火星探测上美国一直走在最前面,是每个探测项目的第一个完成者。如下图所示,1996年的索杰纳号在有限的小范围内实现了区域巡航;2003年发射的机遇号、勇气号,真正意义上实现了火星表面的巡视,巡视距离超过一个马拉松比赛的距离。机遇号的设计寿命虽然只有三个月左右,但取得的成就相当不简单。此外,还有后来发射的好奇号。

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勇气号、机遇号,好奇号

接下来就来到了2020年。火星探测发射窗口的周期是26个月左右,2020年是个难得的探测机会,也是对于火星探测非常重要的一年。这一年有三个国家的航天器同期飞往火星:阿联酋的希望号,美国的毅力号,还有我们国家的天问一号。本来计划还有欧空局的ExoMars2020,但是由于一些原因被调整到2022年,否则2020年更加热闹。

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非常值得庆贺的是,这三国的航天器都很好地完成了预定的目标。阿联酋的希望号成功实现了火星的环绕,美国的毅力号实现了着陆和巡视,我们的天问一号一举同时实现了环绕、着陆和巡视三个目标,把2020年、2021年的火星探测又推向了一个高潮。

我们来回顾一下世界各国火星探测的整体历程。日本实现了掠飞,欧空局、俄罗斯、印度、阿联酋实现了环绕,到目前为止成功实现着陆和巡视的国家只有中国和美国。在深空探测领域(包括月球和火星),我们国家起步很晚,到本世纪初才开始从月球的深空探测——嫦娥系列起步,到2014年真正开始天问的技术工程研制。因为起步较晚,如果一步一步对美国追赶则显得太慢;而且随着现在的技术积累和发展,我们有相应的条件一举实现环绕和着陆、巡视。

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从1964年一直到2003年,美国从第一次掠飞到真正意义上的巡视用了39年。我们的这一步迈的还是比较大的,探测形式上达到了目前人类航天器对火星探测的最高水平。

天问长歌

点燃中国星际探测火种

对火星和火星探测有了基础的了解后,就来到今天的主题:我国的天问一号火星探测。首先简单的来了解一下我们的天问一号。

天问一号工程任务包含五个系统:探测系统或卫星系统,是飞行的主体;运载系统,要把卫星探测器送到预定轨道,即奔往火星的入口处;发射场,一个支持发射的地面设施,比如海南文昌发射场、四川西昌发射场,以及甘肃酒泉发射场等等;测控系统,航天器在轨飞行时需要与地面建立联系并对其轨道、位置进行测量,因此需要一个地面测控站通过传输无线电信号,完成信息的交互和速度、距离的测量等;应用系统,即对采得的科学数据进行接收、分析反演等。我主要负责探测器系统。

天问的探测器由环绕器和着陆巡视器两部分组成。下图是探测器的分解图,下面是一个环绕器,上面是一个着陆巡视器,整个探测器重达五吨,在我们发射的所有航天器中算是一个大块头。它总共携带13台载荷,目前全部在轨运行良好,获得了大量的科学数据。但这些数据还需要不断积累,希望能从中得到一些科学发现。这就是我们探测任务的基本情况。

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我们的目标是什么?从工程角度来讲,要完成环绕、着陆和巡视,此外还要在地面建立起一套能支持我们未来深空探测发展的工程体系,其中包括地面实验设施的建造,计算方法、计算能力的提升,人才的引进,等等。所以一个航天任务工程,除了要把探测器打上天,也要在这个过程中积累、沉淀下来一些经验。

从科学的角度来讲,一共有五个主要任务。刚才提到13类载荷中,最热点的一个是对火星表面土壤特征和水冰分布进行调查。我们的火星车和环绕器都携带雷达,可以对浅层结构进行探测,观测浅层地下是否存在地下水。这是当今火星探测在科学上的重点,如果有了大量水的存在,就会把火星探测和利用又推向一个新的高潮。

接下来给大家简单介绍一下天问的研制过程。早在2007年,嫦娥一号成功环绕月球,我们就考虑能不能在嫦娥一号的基础上,用比较短的时间实现火星的环绕探测。但出于两方面的限制,后来这个任务并没有启动实施:一是当时地面测控设备有限,二是飞行器上的通讯、测控设备尚在使用模拟信号,因而通讯带宽难以做得很窄,灵敏度也不高,而地面又没有大天线、高功放,很难实现四亿公里的测控通信。

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到2010年,嫦娥一号任务结束,嫦娥三号、嫦娥四号任务已经开展一段时间,此时大家得出共识,我们不能仅把目光停留在月球上,还要向更远的行星迈进。所以2010年把火星探测提到日程上来,又开始了新一轮的论证,但这个时候进展还是较慢。到了2014年,嫦娥三号成功着陆月球表面,我们的地外天体着陆技术又往前迈了一步,所以在2014年再次提出要去火星。这也是论证的转折点:在2014年之前,我们连月球都没着陆,不可能直接提及火星的着陆;2014年着陆月球之后,便开始了对火星的论证,由环绕变成了环绕、着陆加巡视,往前又跨一步。2014年开始,我们进入了准工程阶段,不仅做些纸面文章,还要做一些先期的关键技术攻关。所以我们工程真正的起点在2014年,直到2016年正式立项。

航天器的研制一般分为三个阶段:一是方案阶段,主要做设计,即论证它应该是个什么样子,应该有怎样的指标。接下来初样阶段就是要把图纸变成现实,并对设计进行验证,考核其电磁性能和在各种环境的工作状态等,从力、热、空间环境等各个方面进行综合考核。最后是正样阶段,通过初样验证后正式确定了状态,到正样阶段就把它生产出来,进行测试、考核,最终送到太空,完成既定任务。

2014到2016年是方案阶段, 2016年到2018年是初样阶段,2018年到2020年是正样阶段,每个阶段都是两年左右的时间。研制过程中还遇到了很多困难,虽然有月球探测的基础和经验,但火星探测的一些新特点还是给我们带来不少新的挑战。

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到了2020年4月,我们进入海南文昌发射场,2020年7月23日,长征五号运载火箭把天问一号送到地火转移轨道。接下来就是一个漫长的旅程,从发射到真正着陆用了293天,其中去往火星的路上用了200天。2021年2月10号,即农历的腊月廿九,天问一号成功到达火星并被捕获,成为我们国家第一个火星的人造卫星,在火星轨道又飞行了三个月的时间,共走了4.74亿公里的路程。293天的魂牵梦萦,四亿公里的一路追寻,最终在5月15日、5月22日着陆和开始巡视。

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天问一号的整个飞行轨迹如何?下图是俯瞰太阳系的视角,中间是太阳,里圈轨道运行的是地球,外圈轨道运行的是火星。由于地球运转的角速度和火星的角速度有差别,公转周期不同,所以在从地球到火星,要走的路线是浅蓝色的路线,而不是一条直线,类似于霍曼转移,这是在转移过程中能量消耗最小的一个轨迹。这就决定了发射时地球和火星固定的相对相位,而每26个月才会出现这样一个相对相位关系,所以每26个月才有一次发射的机会。

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接下来转移的过程,中间进行了多次的轨道调整,飞行过程很长且非常复杂,修正和调整就为了它跟火星能够准确地交汇。

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虽然卫星从发射到火星环绕历经四亿多公里,但这并不是任务中风险指数最高的环节,时间最短的火星进入过程反而是风险指数最高的环节。经过了将近300天的飞行,探测器开始进入着陆环节,着陆过程用时大概只有九分钟,却是所有过程中最惊心动魄的九分钟。

火星大气的影响范围是125公里。进入后首先靠气动外形进行减速,之后是伞系减速,在这个过程中配平翼展开,然后弹伞,气动外形大底抛开。大底抛开后,相关仪器可以测量相对火星表面的距离、速度等信息。在这个过程中有一个参考系的转换,之前的惯性导航将火星当成一个理想球,而此时可以直接相对表面测量飞行器的距离和速度,并得到绝对高度,而非相对理想球体的速度和高度。

在最后一到两公里时,把背罩抛掉,伞与飞行器分离。平台接下来只能依靠自身的发动机进行工作。动力减速过程中需要对障碍进行识别和规避,最后着陆到火星的表面。这个过程风险指数最高,后面会提到其中的难点和解决的问题。着陆到火星表面之后旋梯展开(如下左图所示),祝融号驶离,右图是祝融号桅杆上的导航相机对自己的一个自拍。祝融号上面有一个太阳能集热器,这个车上另开有两个天窗,其作用在后面也会提到。

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下图是着陆后火星车和平台的合影实拍。火星车释放了一个小的无线照相机,拍摄之后照相机把信息传到火星车上,火星车再把信息传到环绕器上,最终传回地面。

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祝融号在火星表面的探测分为三大任务。第一个任务是感知,在启动之前会对周围进行扫描,把周围的地形地貌通过相机的拍摄传到地面,地面可以根据这些信息建立起周围的三维影像结构,并规划车行走的路线。第二个任务是移动,车根据地面的指令进行移动。第三个任务是探测,既在移动中进行科学探测,也在停止的时候进行。

其中移动有多种形式,一种是靠地面指定每一步的步长。同时也可以不靠地面指定,只告诉它一个40米之内的目标点,它就可以边走边看边规划,自主移动到目标点。发现路径不合适,就会主动选择合适的路径去到达目标点。类似我们日常用到的导航软件会给你提供多种路线。

祝融号的智能性,可谓是当今地外天体巡视器的最高水平,虽然和地球地面的无人驾驶车辆相比还是有差距。这个差距来自两方面:第一,地球地面的情况和火星上的地形完全不一样,地球上自动驾驶可以利用公路的标志线等信息做辅助;第二,地面的计算机运算能力更强,可以达到更高的智能程度。祝融号受限于各种因素,但也达到了相当高的水平。

这次火星探测,一次就实现了环绕、着陆和巡视三个目标,这样的成功并不是偶然。严肃认真的论证历程,嫦娥探月工程带来的技术支撑等,都是成功的基础,加上团队的不懈努力,以及航天积淀下来的技术、物资、实验,还有精神财富,这些因素共同促成了天问任务的圆满成功。

天问解决了哪些“灵魂之问”

最后给大家介绍这一次任务过程中解决了哪些问题,面临了哪些挑战?一共有六个方面。

第一个还是测控通信的问题。如前文所提,2007年火星探测没有成行的一个很重要的原因是四亿公里的通讯瓶颈。四亿公里虽然在宇宙尺度上是一个很近的距离,但实际却很远。

给大家举一个例子,月球离地球38万公里,而火星最远的距离相当于1000倍的地月距离,因此地面发射的信号,在火星上接收到的强度是在月球的百万分之一,因为无线电传输的能量与距离的平方成反比。但随着近十年航天科技的发展,这件事情如今已不再困难。

具体是怎么来解决这个问题的?第一是地面设施的完备。下图是国家在武清建设的70m直径单口径天线,应该说还是非常壮观的。再有探测器上通信电子设备已经全部数字化,灵敏度较传统模拟设备提高显著。

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另外还有一些我们独创的方案和智慧。火星车与地球地面通信受很多限制,因而其对地通信只能发个短信息,告诉地面我很健康、现在能源充足等,仅包含几个简单的字。所有探测的数据,如对周围环境的感知、科学探测数据等,都要通过环绕器再传到地球地面,因为环绕器有更大口径的天线、更充足的太阳能、更高功率的发射机,可以提供更好的通信。

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这次火星探测既要环绕,又要着陆、巡视,不仅要面对这三个任务单独带来的困难,也要面临这三个任务耦合在一起的困难,通讯就面临这个问题。美国已经有了在轨航天器作为信号中继,毅力号飞到火星直接着陆即可。已有的在轨航天器提前做好相位调整,可以给毅力号提供数据支持,数据传输可以有很多窗口。但我们的天问一号不行,只有同期去的一个环绕器,一天只有一次数据传输机会,怎么办?我们就在频段上做了一些新的方案,除了现在回传采用的UHF天线之外,还把对地X频段复用成2G的中继通信频段,这样就可以把一个节点当成两个节点,甚至三个节点来使用。

解决了通信,接下来的一个问题就是如何安全度过魔鬼九分钟后还能够生存,并成功着陆在火星表面。探测器从进入火星大气到着陆的过程中,由于信号的20分钟时延,不可能靠地球地面上的手动干预来控制它的状态,而是要靠探测器自主完成。这个过程很复杂,要自主控制导航、弹伞、抛大底等一系列过程。此外,还要考虑火星环境对探测器的影响,不管火星刮风、沙尘还是普通晴天,都要保证能够正常完成任务。

整个九分钟的过程大概分为四个阶段:气动减速段,伞系减速段,动力减速段,还有着陆缓冲段。98%的速度靠前两个阶段减速完成,后两个过程跟月球着陆非常接近,在此不做详细叙述。

火星的大气提供了一个很好的减速条件,只要做好气动外形和减速伞,接下来的减速过程就不需要消耗燃料,大气提供天然的减速作用力,而且还是个变减速的过程,速度越快减速效果越好,正好是所需要的性质。但是我们对火星大气并不熟悉,它总在变化,具有很大的不确定性,因此我们需要加强对这个过程的认知。

解决这个问题的思路是什么?我们决定要用较为先进、复杂的技术。尽管这会给我们的研制带来更多的困难,但能够对火星的不确定性有更好的容忍度。通过自己的努力,把不能把握的风险降到最低,这是我们工作的原则和设计初衷。因此我们采用了弹道-升力式进入火星大气。

进入火星大气的方式有多种,一种是弹道式,这是一种基本不用控制自旋、姿态的方式,像子弹、炮弹一样进入大气;还有一种是弹道-升力式进入,要通过对滚动倾侧角的调整,使它产生一定大小可调的升力,并对航迹进行控制。弹道式进入没有调节能力,适应性差,但它的控制简单;弹道-升力式进入能做调节却控制复杂。把控制、推进系统做复杂,就是为了对不确定性能够有更好的容忍度。但是它还有一个问题,就是在控制升力的阶段,本体的轴线跟来流方向要不一样才行,这就是所谓的需要有一个配平攻角。而到开伞的时候,就希望来流方向跟轴线方向是一样的,即零攻角。而我们既然选择弹道-升力式进入,就要兼顾这两个过程的衔接。

该如何解决它?采用的方式如下图所示,气动外形外壳伸出来的部分就是配平翼,刚进入大气的时候它是收拢的,在气动段减速基本结束之后,把配平翼打开,靠机动力对它的姿态进行调整,把攻角调整回来,这样来流方向跟开伞方向就是一个方向,来减轻尾流对开伞的影响。这个方案只花了大概15公斤质量的代价,因为它更多是靠气动力来产生姿态的改变。

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国外是怎么做的?美国在2011年好奇号时才采用弹道-升力式进入,之前采用的都是弹道式进入。它的弹道式进入也要解决攻角调整的问题,但采用的是抛配重改变质心的方式,在开伞前抛掉100公斤左右的配重,质心调整回来,然后再依靠气动作用,最终轴线跟来流方向保持一致。这套系统花费100多公斤的代价,我们只花了这种方案的约1/10。这是在火星进入过程中,国际上第一次采用对气动外形进行调整使其能够进行攻角调整的方案,为火星进入的气动外形研究贡献了中国的智慧。

除了气动减速之外,还有一个伞系减速阶段。再入地球的飞船、卫星等也有伞,但这些伞基本上都是在亚音速下开展,为什么?因为和火星气动外形不同,它们的气动外形稳定性很好,不需要开伞来维持稳定性,所以不需要超音速开伞。而火星大气稀薄,要提高减速的能力,其外形就要设计成一个大盾体,考虑到这一外形的稳定性因素,就必须要在超音速下开伞。

因此就要用一个新型的伞,跟地球降落伞的形式不同,中间是个盘,并有一个镂空的缝儿,缝的下面有一条带,叫盘缝带伞,盘起阻力的作用,缝和带的配合起稳定作用。在超音速下开伞和伞降的稳定性是需要保证的,所以新研了适用于火星大气的锯齿形盘缝带伞,在两马赫速度下开伞。因为地球地表的大气密度与火星不同,为了能够在地球上验证伞的性能,就用火箭弹,即探空火箭,把伞和探测器的等重模型,发射到33公里的高度,这个高度的大气密度跟火星大气密度基本相同。正因为这样一个地面的验证,使我们对新型的伞有了更准确认识,伞的整个的状态也非常好。

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再有就是着陆的问题。着陆可以说是对于探月避障技术的延续和再应用,只是敏感距离有所区别。为了着陆更安全,在进入过程中要对着陆巡视区进行成像。在高度一公里左右进行粗避障,即进行超过一米的大障碍的识别,目标是避开大的石块、坑等;然后100米高度在着陆区上方悬停,然后进行成像、障碍的识别,在继续下降过程中进行规避。

为此也做了很多的安全着陆的实验,在室外建立了地外综合模拟实验场,可以提供重力的模拟,把探测器吊挂在上面,然后探测器自身靠发动机、地形敏感、导航来进行控制。

着陆之后,在火星表面巡视又遇到哪些困难?不知道大家怎么看,我和我的团队都觉得祝融号的设计是很漂亮的,四片太阳翼展开之后非常像一只蝴蝶。

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这只蝴蝶是怎么诞生的?并不是说一开始就要把它设计成一个蝴蝶,其实有任务的内在需求。因为火星距太阳比地球更远,又由于火星大气的衰减,所以在火星表面,太阳能只有月球表面或者地球大气层外光强的20%。靠太阳能作为唯一的能源时,它的弱光照就给我们带来一些困难,这就要求我们考虑怎么能更充分地利用太阳能,蝴蝶就是在这个背景下诞生的。

对于这个问题,做了将近三个月的论证,最终才破茧成蝶,成为现在蝴蝶的样子。直接的想法就是设计更大的太阳翼面积,这样在一定的光转化效率下,就可以固定更多的太阳能。所以一开始的设计很简单、面积很大,但受限于车体,设计就要往高度方向发展,把太阳翼的两片架起来。但这样就有很多的问题,如没有很好的固定支撑点、发射阶段响应很大,而且这个方向的高度给背罩空间的设计带来一些约束和困难。这种方案不行就做成多折,一边两片,沿着两个方向展开,但这个方案也有问题,一是太丑了,更关键的是沿车身方向太长,车从平台下降或做爬坡、越障时,后体的太阳翼很容易跟地面发生擦碰,所以这个方案也有问题。

再有一种设计就是像扇子一样展开,这样可以把空间率提高。但是这里有个问题,展开以后每一片都不规则,而每个太阳能电池片都有一定的尺寸,这样的布片效率很低,虽然面积很大,但真正有效的、能放上去的电池片又很少,所以这个也被否定。这是有代表的三个,当然其他的还有很多,例如平展的扇子设计等,后来都觉得并不理想。

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四片长方形太阳翼

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扇形折叠太阳翼

有个年轻的设计师提出了现在这样的设计方案,即一体的压紧。这四片太阳翼的尺寸完全一样,收拢时就是左图的状态,展开后如中图,而且这个面积相比刚才几种形式大很多,后体方向的长度也在可控范围内,不会出现跟平台或者是爬坡过程中跟地面擦碰的问题。大家一致认为这个方案很实用也很好看,最终确定了这个方案。

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四展太阳翼方案 

总之,现在大家看到的飞行成果、天问外形、技术方案,在整个方案和初样阶段,都经历了反反复复的研讨、验证,希望能够得到一个满足任务要求的整体最优解。

还有火星低温的特点,刚才提到太阳翼面很大,像一只蝴蝶一样可以获得更多的太阳能,在获得这些能量之后足够供设备供电、工作等等,但火星还有夜晚,火星的自转周期跟地球基本一致,24小时多37分钟,到夜晚的时候气温到达零下,不同纬度、不同季节的夜晚气温不同,最冷能达到零下100度。所以夜晚的能量获得、热量保温成为了问题。

我们采用了两种方式,一是保温,采用新型低重量纳米气凝胶隔热材料。热交换有三种方式,一是对流,在地球上的散热主要靠空气的对流;另外两个是热传导、热辐射。一般的卫星处于真空中,因而没有对流,主要是传导、辐射。所以大家看到普通的卫星都是穿着金灿灿的多层隔热材料,这种材料只有在真空下才可以起到很好的隔热效果。但是在火星上,因为有地球1%、不到1000帕的大气,多层隔热材料无法阻止火星大气对流,因而起不到隔热的效果。我们就采用了新型的隔热材料,叫纳米隔热气凝胶。这种材料很轻,轻到可以放到一朵花上(如下图)。它是一种多孔材料,因为孔径很小,空气在里面不会产生对流,因此阻断了对流的热交换。

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纳米气溶胶隔热材料

这是保温上的尝试,但无论怎么保温它还会漏热,还需要补充热能。怎么办?一开始我提到车上带了两个天窗,就是太阳能集热器。它白天把热能收集起来,晚上把热能放出去,转换效率可以达到80%,如果转换成电,电再转换成热,靠光伏发电这种方式,效率只能达到30%到35%。这就高效的利用了太阳能,满足火星车上的能源需求。这也是国际上在地外探测器上第一次采用这种高效利用太阳能的集热器技术。通过有效、轻质的隔热材料保温和天窗的集热,现在祝融号在火星表面工作状态很好,夜晚的温度也很舒适。

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太阳能集热器

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另外,火星表面有沙尘的问题,火星上全球性的沙尘时有发生,一旦出现沙尘,那就是暗无天日。在火星沙尘天气的情况下,太阳变得不可见。针对这样一个可能存在的极端条件,如何解决太阳能利用的问题?有两方面的处理,一是太阳能电池表面做了一些特殊处理,把沙尘的附着力降得很小,不太容易出现沙尘的积累;另外,通过太阳翼的运动抖落浮在表面的沙尘。

第二,如果真正的沙尘到来,好几天都见不到太阳。怎么办?储存的电能、热能不足以支持正常的工作时,可以进行自主休眠,就像动物冬眠一样,等到太阳升起来、天气变好了,再自主地唤醒。这是面对极端的天气,祝融号预留的一些应对手段,我们不期望它能够真正派上用场,但真正出现极端天气以后,还是有办法度过危机。

最后一个是在火星表面巡视。探测器的车轮要跟火星表面的石块儿、土壤接触,接触的地面不像地球上平整的路面,探测器着陆的区域基本类似于地球的戈壁,而且火星表面石块非常坚硬。之前的火星车在火星表面遇见过许多困难,首先是车体出现一些沉陷,从车辙的痕迹看出有很明显的滑移,显示出沉陷度很大。另外还有坚硬的石块在行进过程中导致车轮破损,这都是前车之鉴。

星辰大海:天问一号的奔向火星之路
星辰大海:天问一号的奔向火星之路
星辰大海:天问一号的奔向火星之路

火星车车轮破损

针对祝融号在火星表面进行巡视、探测中可能出现的故障,我们的绝招是什么?大家可以看下面几个小动画,第一个是车体抬升,发射时处于收拢状态可以抬升,在火星表面过一些障碍的时候也可以使车体抬升,通过车体抬升和下降可以实现蠕动。这其实相当于一台装有主动悬架的车,即悬架不是随地形被动改变,而是主动改变。这也是国际上第一个在地外天体巡视器上采用主动悬架移动的系统。它的好处是有更强的通过性和脱困能力,对车轮遇到的一些障碍,通过车体抬升、下沉、再抬升、再下沉,产生蠕动过程脱困。

火星车的六个轮都可以独立转向、独立行进控制,所以它可以蟹行,就是车可以横着走。当进入一个障碍很多的区域时,就不需要转身,因为原地转弯有转弯半径,它可以向任意方向行走。对于松软土壤它可以斜着爬坡,类似于人爬坡走“之”字,叠加上车辙的影响,它爬坡能力会得到很大的提升。这样一个新型的移动系统更适合火星复杂的地形,此外这个车可以进行抬轮儿,增加了可用的探测场景。

针对车轮容易破损的问题,我们采用了新型的铝基碳化硅材料,即使车的所有重量集中在车轮的某个点,它的承压强度都可以满足要求,不会出现破损。所以我们相信祝融号能在路面很复杂、有很尖锐的火星石块的情况下,也有很好的移动性能。

星辰大海:天问一号的奔向火星之路

最后展望一下未来,因为天问只是行星探测的第一步,未来还有小天体的探测、火星的采样返回,以及木星系探测等。火星的采样返回目前人类的航天器还没有成功过,但我相信未来的五到十年,会有人类的航天器实现这样的目标,我也相信我们国家的航天器是其中的一员。

我们的征程是星辰大海,希望未来的征程中能得到大家的支持和帮助,更期望未来的征程中有大家的参与。

演讲者:孙泽洲

整理:梁政;审读:王佳

排版:猫撸火锅

本文转自“墨子沙龙”

演讲者:孙泽洲

出品:新浪科技《科学大家》 墨子沙龙

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