不靠運氣靠自己：三大創新伴“祝融”號探險火星

前有“天和”核心艙上天，後有“祝融”火星車落火。短短半個月內，中國航天迎來了兩個重大新聞。就在剛剛，“天問一號”的着陸器系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面。此後，“祝融”火星車將緩緩駛離着陸器，踏上這片陌生的紅色土地。而這意味着，我國將成為繼美國之後第二個實現火星表面釋放火星車的國家，也將成為世界上第一個成功一次性實現火星表面“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”雙線并行的，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個月；“勇氣號”與“機遇號”火星車雙子星的設計壽命均為3個月，結果前者工作了近8年，後者甚至工作了15年，直到2018年一場席捲整個火星的沙塵暴令其斷電。而我國的“玉兔二號”設計壽命3個月，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遠遠長於設計時間。

有備而來的航天人，為“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制，實現在火星表面長期探索的目標。

火星車展開

Part.1

特殊的電池板，電力有保障

“祝融”有四片電池板，側端兩片，尾端兩片；而噸位相似的美國“勇氣號”、“機遇號”火星車只有三片電池板，分別是側端有兩片，尾端有一片。這樣獨特的設計讓“祝融”既能保持爬坡能力，還能獲得更大面積的太陽能板，從而具有更加豐沛的電力供應。

不僅如此，“祝融”的太陽能板也很特殊：它的表面有一層微結構膜。這層膜表面的微觀結構與蓮葉表面的結構類似，能夠令火星的沙塵與太陽能電池板表面之間存在一層空氣，這層空氣恰恰可以極大減小火星塵埃與電池板表面的摩擦力，大大減少火星沙塵附着的可能性。古有蓮葉“出淤泥而不染”，今有祝融“濯沙塵而不沾”。

電池板表面微結構來源：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着的可能性，但時間一長，仍然會在太陽能板上累積相當厚度的沙塵。以往，以太陽能板為電力來源的火星表面探測器碰到了這種情況，基本上都是聽天由命，只能等風吹。火星表面的風既能帶來沙塵，也能帶走沙塵。“勇氣號”與“機遇號”實際使用時間較長的一個原因就是火星的風帶走了一部分電池板表面的塵埃。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。

前面我們講過，太陽能板的微結構膜減小了火星塵埃與電池板表面的摩擦力，這就也意味着，如果能夠對火星塵埃施加一個力，那麼就能夠實現除塵。在火星表面恰恰有這樣的一個力是永遠存在的——那就是重力。

對於“祝融”火星車而言，它的除塵方案只有一步——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]

為了保險起見，以往的火星着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，但側端的兩個太陽能板具備電機，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，從而極大提升在火星表面生存的能力。不僅如此，側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，提高產電效率。

側端太陽能板角度變換

Part.2

自帶兩個“溫室”，熱控有保障

除了太陽能板之外，火星車的車身上有兩個圓形的薄膜，看起來如同溫室一樣。它確實是火星車的“溫室”，不過裡面並沒有植物種子，而是相變保溫材料。

月球表面溫差較大，但月球晝夜周期也長，所以月球車在夜晚休眠，白天工作。火星的表面溫差雖沒月球大，但火星的晝夜周期與地球相似，如果照搬月球上的控制方案，就算喚醒-休眠過程不會對火星車產生影響，繁瑣的啟動、自檢、調整程序也會佔據大量時間。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。為了解決這個問題，美國的火星車基本採用氣凝膠被動隔熱+同位素電池主動產熱的組合。這個組合的問題在於，電池不間斷放熱，當環境溫度較高時，會導致火星車溫度過高。同時，同位素電池對火星着陸可靠性要求很高，一旦失敗就會污染火星表面環境。

“祝融”所使用的相變保溫材料，不會造成火星表面核污染，不僅如此，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，從而保證火星車處於穩定的溫度範圍。

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，仍然能夠保持體溫的恆定，讓自身攜帶的各個組件能夠更穩定、更長久地工作。

Part.3

多重解救方案，遇事有保障

火星車能在火星表面移動，活動範圍更廣，獲取的科研數據也更多，這是着陸探測器所無法比擬的。火星車的懸挂系統正是保障火星車能夠在火星表面行動的核心，如果火星車的懸挂系統發生了故障，那麼它就無法行動，只能變成固定式的火星表面探測平台。

2009年，“勇氣號”因為車輪陷入了沙地，不得已結束了漫遊使命；中國的“玉兔號”月球車也曾因為行駛過程中電纜被月岩扯出，隨後在月球表面極端環境的作用下斷裂，最終失去行動能力。儘管這兩輛漫遊車在這之後仍然繼續工作了兩年，但獲得的科研成果比預期少了不少，這是非常遺憾的。

為了避免遇到類似的問題，一方面，“祝融”火星車充分修改了布線，最大限度將纜線布置於車身內部，減少事故的發生可能；

另一方面，“祝融”獨特的懸挂系統使得它有多種行動能力。火星車的每個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車輪打滑，但如果直接把幾個車輪鎖定，通過懸挂系統主動將整輛車提起來，從輪行模式進入“蠕行”模式，就可以完全避免這個問題：“蠕行”狀態下的火星車能夠以自己的輪子作為錨點，一步一步脫困。

火星車橫行

火星車原地轉向

當然，解決被困問題的最好辦法是，不要被困住。為了防止被困住，“祝融”的正面安裝有與兩輛月球車同款的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面，向下俯視的相機。它們將能夠拍攝近在咫尺的火星地表環境，為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陷進去？是否有大石頭需要繞過去？路上是否有亂石堆會損壞車輪？倒車的時候會不會有危險……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制火星車。基於火星車的路徑規劃與實地拍攝的火星地表環境都將為控制大廳的工作人員提供參考。他們會將分析、確定的行走指令上傳至在軌服務的“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，接收地面上傳的指令。只有做到控制火星車，才能保障火星車在火星探險的安全。