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祝融号:靠什么巡视探测火星 有哪些技术特色?

2021-08-20 12:12:31来源:解放军报

祝融号:靠什么巡视探测火星

■贾 阳

2020年发射窗口,中国的祝融号和美国的毅力号火星车同时出发,目前均在火星表面开展探测活动。我国由此成为第二个在火星上开展巡视探测的国家,也是唯一一个同时开展月球和火星巡视探测的国家。

祝融号火星车到达火星表面后,有关部门发布了火星车拍摄的照片,引起人们广泛关注。特别是看到利用WiFi分离探头从第三方视角拍摄的火星车与着陆平台的合影时,大家纷纷点赞祝融号火星车,并把这张图片称作“融融拍了拍陆陆”。

截至今年7月30日,祝融号火星车在火星表面已工作75个火星日,当天完成了对第二处沙丘地貌的科学探测。后续,它会利用表面成分探测仪和多光谱相机等科学载荷,对更多目标开展详细探测。

可以说,人们已了解到“融融”的可爱与敬业。那么,它有哪些技术特色呢?让我们一探究竟。

我们的设计定位为“二代半”

设计火星车之初,有国外专家问起中国第一辆火星车的设计定位。对于这个问题,我们给出的答复是:美国利用25年先后发展了三代火星车,单从重量的角度看,分别为第一代的10千克级别、第二代的100千克级别和第三代的1000千克级别,各方面的能力也随之不断提升。我们的祝融号火星车重量为240千克,仅从重量看,它属于第二代。

随着技术发展,我们的祝融号火星车设计定位是“二代半”。这个多出的“半代”,主要体现在火面移动、生存、自主技术等方面的先进性上。

主动悬架啥地形都不怕

火星表面地形复杂,既有陡坡、大石块,也有松软的沙地。美国火星车在工作过程中,曾遇到难以翻越的沙土质陡坡,也曾陷入沙土中无法移动。祝融号火星车采用了主动悬架移动系统,其目的就是使火星车在复杂地形条件下,具备较强的通过能力。

在平坦的硬路面上运动时,火星车保持主动悬架机构的主动关节锁定,此时悬架退化为被动悬架。遇到石块障碍比较高的情况,可利用主动悬架将车体抬高。在难以通过的软土沙地,特别是车轮发生较大沉陷无法顺利通过时,可采用尺蠖运动方式脱困。

首先,两个前轮向前运动,中轮和后轮不动,车体高度随之逐渐降低。然后,前轮不动,中轮、后轮前进,这个过程中车体高度逐渐抬高。接着,再持续重复上述过程。这样的尺蠖运动方式,运动效率虽然比较低,但沙地脱困效果非常好。

靠集热窗实现“保暖”

火星表面温度偏低,在火星车顶部,安装的像双筒望远镜一样的设备,叫作集热窗。窗口有一层薄膜,可见光能顺利透过,车体发出的远红外线却无法透出,从而起到保温效果。

阳光透过集热窗后,能量被一种叫作正十一烷的物质通过相变方式储存。火星白天温度升高,这种物质吸热融化;到了晚上温度下降时,这种物质会在凝固的过程中释放热能。能量的转换方式变成了“光能-热能-相变能-热能”,效率可达到80%以上。

当前,火星上正值盛夏,祝融号火星车会“感觉”稍稍有点热。不过,等火星到了秋季之后,收集热能的这个本领就会显示出效用了。

太阳能电池片像荷叶疏水一样除尘

在火星表面工作,不可避免地会受到火星尘的影响。最直接的影响,就是导致太阳能电池输出功率下降。因为火星车工作所需要的电能都来自太阳能,如果电能不足,火星车只能在火星表面“睡觉”。

在夏季,我们观察荷叶上的水珠,可以发现,荷叶与水间并没发生浸润,荷叶随风摇曳的过程中,水珠很容易滚落。借鉴自然界荷叶的疏水原理,科研人员在电池盖片上增加了超疏基微观结构。这些结构的尺寸比火星尘颗粒的特征尺寸还要小,当火星尘与之接触时,就相当于与一个纳米级的“针床”接触,而不是与一个平面接触。这大大减小了火星尘颗粒与电池片之间的接触面积,从而减弱了它们之间的附着力,使火星尘不易沉积,即便沉积后也更容易移除。

火星车采用了超疏基电池盖片,其中两个太阳翼还可调整到竖直状态,便于火星尘滑落。

超疏基微观结构的制备方法有很多种,火星车上采用的是湿化学腐蚀法。测试发现,改进后的太阳能电池片,除尘效果达到了80%以上,特别是对粒径75~125微米范围内的尘埃颗粒,除尘效果可达95%。

由自己决定何时“睡觉”何时“起床”

火星表面也会有局部沙尘天气,严重时甚至蔓延到火星的大部分地区,成为全球性沙尘暴。美国的机遇号火星车在火星表面工作了15年,就是因为一次严重的沙尘天气而中断了工作。

祝融号火星车如何应对这样的沙尘天气呢?研制者们为其设计了自主休眠唤醒功能。就是说,火星车会根据环境变化,自己决定何时“睡觉”何时“起床”。

在火星表面,当风速逐渐升高,出现沙尘天气时,火星车首先感觉到的是太阳能电池板输出的电能有些不够。每当黄昏时,电池电量都应该是满满的,“今天怎么这么少?”火星车赶紧计算明天工作需要多少电能。如果结论是“差一点”,那么火星车就会减少工作的设备,通过“过紧日子”的方式等到第二天;如果结论是“差很多,不够今天晚上用的”,那么火星车就会立即休眠,全系统断电。

这时,就需要祝融号火星车“过点苦日子”。设备的温度越来越低,最低可达-100℃以下。即便如此也没办法,火星车只能在寒冷中“睡觉”。

唤醒有两个必备条件:一个是等到沙尘天气过去,阳光越来越强,大气变得澄净、透明,火星车太阳翼的发电量可维持正常工作;另一个是火星车关键设备的温度符合工作要求,比如蓄电池可正常充电了。

等条件都满足了,不需要地面控制,火星车会自己“苏醒”,继续工作。

图像压缩算法一展强大功能

对陌生环境进行探索,图像信息无疑是最直观也是最核心的信息。图像信息中含有相当多的时间和空间冗余,因此图像信息的数据量非常大。

火星车执行任务的前3个月,火星与地球之间距离为3.2~3.8亿千米,从火星到地球的通信链路带宽受到很大限制,在深空数据源端对图像进行压缩,无疑是提高信息回传效率的必由之路。深空探测器资源宝贵而有限,火星车的数据处理能力不会像地面计算机这样强大。因此,需要根据火星探测任务的应用需求,统一考虑图像数据的压缩及传输两个环节,设计最优的图像数据压缩及传输方案。

针对火星探测任务中图像压缩处理需求,科研人员专门为祝融号火星车设计了图像压缩算法,实现了多种相机数据存储管理、图像压缩比灵活控制、质量渐进性传输、感兴趣区域优先编码、抗误码扩散和图像缩略图生成下传等功能,满足了火星车可靠、高效、灵活的图像应用需求。

(作者系中国空间技术研究院研究员)