紅色的星球，熾熱的夢想
——天問一號(hào)探測器火星探測前瞻

文/ 趙聰

天問一號(hào)火星探測器效果圖

紅色星球接待過數(shù)名地球訪客。它們有的剛到達(dá)火星，便一頭扎進(jìn)肆虐的沙塵粉身碎骨，有的遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)壽命，在礫石遍布的火星表面摸爬滾打，為人類勤懇工作數(shù)年。

跋涉數(shù)億公里，穿過火星大氣層，行駛在火星表面，中國火星車這位紅色星球的新訪客，渴望留下一段值得書寫的歷史。在火星車上空，環(huán)繞器已就位，它們將聯(lián)手展開中國首次對(duì)火星的巡視探測。

肩負(fù)五大科學(xué)使命

在我國的月球探測工程中，是通過“嫦娥一號(hào)”和“嫦娥三號(hào)”兩次發(fā)射，才完成了“繞落巡”的目標(biāo)。“天問一號(hào)”任務(wù)則是通過一次發(fā)射實(shí)現(xiàn)對(duì)火星的“繞著巡”。

設(shè)計(jì)師介紹，這種高效的任務(wù)形式尚屬國際首次。如果任務(wù)成功，我國將成為世界上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)火星車安全著陸和巡視探測的國家。這次任務(wù)也是中國行星探測工程的第一步，后續(xù)還要規(guī)劃實(shí)施小行星探測、木星探測、火星采樣返回等任務(wù)。

為何要進(jìn)行史無前例的一次性火星“繞著巡”？航天科技集團(tuán)科技委副主任于登云介紹，探月工程的實(shí)施使我國在技術(shù)突破、組織管理和人才隊(duì)伍方面積累了較好的基礎(chǔ)。同時(shí)，中國也希望大膽創(chuàng)新，“通過一次機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)利益最大化”。

“天問一號(hào)”要搞清楚5 個(gè)問題，這也是科學(xué)家設(shè)置的五大科學(xué)探測目標(biāo)——火星形貌與地質(zhì)構(gòu)造特征、表面土壤特征和水冰分布、表面物質(zhì)組成、大氣電離層及表面氣候與環(huán)境特征以及火星物理場與內(nèi)部構(gòu)造。

“天問一號(hào)”的兩位“探火者”將分工協(xié)作：環(huán)繞器在火星上空運(yùn)行，伺機(jī)開展針對(duì)火星的全球性和綜合性探測；火星車則在火星表面開展高精度、高分辨的巡視探測，并將探測到的數(shù)據(jù)通過頭頂?shù)沫h(huán)繞器發(fā)回地球。

天問一號(hào)探測器由環(huán)繞器和著陸巡視器組成

著陸巡視器由進(jìn)入艙和火星車組成

要完成上述科學(xué)探測任務(wù)，火星車和環(huán)繞器要借助從地球裝載的各式工具——功能各異的載荷。

載荷共有13 臺(tái)：7 臺(tái)分布在環(huán)繞器上，分別是中分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)、次表層探測雷達(dá)、火星礦物光譜探測儀、火星磁強(qiáng)計(jì)、火星離子與中性粒子分析儀、火星能量粒子分析儀；6臺(tái)分布在火星車上，分別是多光譜相機(jī)、次表層探測雷達(dá)、火星表面成分探測儀、火星表面磁場探測儀、火星氣象測量儀、地形相機(jī)。

其中，與氣象有關(guān)的研究項(xiàng)目將收集有關(guān)溫度、氣壓、風(fēng)速和風(fēng)向的大氣數(shù)據(jù)，并研究火星的磁場和重力場，這些也將解答大眾的好奇——火星究竟是什么樣的氣候。

從這些載荷也能看出這趟問天之旅的科學(xué)使命——通過環(huán)繞探測和巡視探測，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星的表面形貌、土壤特性、物質(zhì)成分、水冰、大氣電離層、磁場等的科學(xué)探測。

陌生星球荒野求生

火星環(huán)境惡劣，要想完成使命，先得“活”下來，這需要環(huán)繞器和火星車足夠強(qiáng)大。

中國數(shù)次探訪月球，雖有經(jīng)驗(yàn)可借鑒，但兩個(gè)天體環(huán)境差異顯著。最顯而易見的一點(diǎn)是，月球表面近似真空，火星則有大氣層，這會(huì)大大增加火星探測的難度。

第一個(gè)“攔路虎”——火星表面會(huì)刮起大風(fēng)，并伴有沙塵，若沙塵覆蓋火星車，將影響其能源獲取、熱量傳導(dǎo)，讓活動(dòng)“關(guān)節(jié)”不再靈活，讓光學(xué)載荷“蒙塵”。設(shè)計(jì)師想了多種辦法：吹氣，將附著的灰塵吹走；或者貼膜，膜可以卷起，將灰塵掀掉。最終，設(shè)計(jì)師選擇了一種更好的解決方案，在火星車上使用了一種新材料，這種材料的表面不易沾染灰塵，即便沾上了灰塵，也可通過振動(dòng)將其抖落。

致命的考驗(yàn)來自沙塵暴。歷史上，蘇聯(lián)的“火星—3”探測器剛著陸火星表面，便湮沒在了漫天的沙塵中。“如果遇到沙塵暴，只能讓火星車休眠，別無他法。”中國空間技術(shù)研究院探測器副總設(shè)計(jì)師賈陽說。

地球和月球距太陽的平均距離約為1.5 億公里，火星距太陽的平均距離約為2.3 億公里，火星距離太陽遠(yuǎn)且受大氣的影響，輻照強(qiáng)度約為月球表面的20%，沙塵天氣將進(jìn)一步降低輻照，導(dǎo)致火星車的發(fā)電功率很低。此外，由于火星塵的影響，太陽電池發(fā)電量會(huì)每日衰減。這些都給火星車的能源供給帶來極大的挑戰(zhàn)。

在這種情況下，火星車只有增強(qiáng)能源獲取能力，才能續(xù)命。與此同時(shí)，火星的平均氣溫在零下60 攝氏度左右，最低可達(dá)零下125 攝氏度，且由于存在大氣，對(duì)流散熱，給火星車保持溫度帶來了更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為此，聰明的設(shè)計(jì)師想出了辦法，進(jìn)行了火星光譜匹配太陽電池、太陽電池防塵設(shè)計(jì)、火星大氣環(huán)境隔熱技術(shù)、直接利用太陽能供熱集熱器等攻關(guān)，以期解決能源問題。

火星車蟄伏在紅色星球上，像一只碩大的黑色蝴蝶。秘訣，就在“蝶翼”上。“蝶翼”其實(shí)是4 塊太陽能電池板，針對(duì)火星專門定制，能適應(yīng)火星上的光譜，達(dá)到極高的轉(zhuǎn)化效率。在“蝶翼”的幫助下，能源輸送給火星車，幫助它完成荒野求生。

太陽電池研制人員創(chuàng)新性地使用了最大功率跟蹤技術(shù)，這也是該技術(shù)在國內(nèi)航天領(lǐng)域首次在軌應(yīng)用。“跟蹤精度高達(dá)98%，相比傳統(tǒng)電路，提高了太陽電池20%的利用效率，既解決了火星車能源緊張問題，也在減少太陽電池陣面積的同時(shí)減輕了電源產(chǎn)品的重量。”上海航天技術(shù)研究院811 所電源控制器主管設(shè)計(jì)師陳達(dá)興說。

在火星表面行走也不容易。火星表面石塊等障礙分布密集，火星車以自主行駛為主，被石塊卡滯的風(fēng)險(xiǎn)較大，而且火星表面多石塊環(huán)境對(duì)車輪輪緣的強(qiáng)度、耐磨性提出了更高要求。

太陽風(fēng)與火星高層大氣電流分布

要爬坡過坎，就需要有強(qiáng)大的越障能力。設(shè)計(jì)師為其設(shè)計(jì)了主動(dòng)懸架功能，車體可以在0～600 毫米的高度區(qū)間內(nèi)自主升降，好比越野車的底盤升降功能，這在全世界所有的火星車中是獨(dú)一份。此外，設(shè)計(jì)師還進(jìn)行了高韌性、耐磨性的一體化結(jié)構(gòu)輪緣設(shè)計(jì)，并為緩解火星車震動(dòng)設(shè)計(jì)了彈性輪輻。

火星上活躍的沙丘

環(huán)繞器在火星上空運(yùn)行，也并非安全無虞。環(huán)繞器周圍，最低溫度達(dá)零下140 攝氏度，為了確保火星環(huán)繞器在低溫下正常工作，它的“著裝”要求非常嚴(yán)格。這件低溫下所穿的“衣服”被稱為熱控隔熱組件，業(yè)內(nèi)稱作低溫多層，均采用自動(dòng)縫紉機(jī)床及裁割機(jī)完成。火星環(huán)繞器的艙體結(jié)構(gòu)大，它的“衣服”面積達(dá)到了30 平方米，而一般衛(wèi)星的“衣服”面積僅約15 平方米。

具備了荒野求生能力，兩器便可安心開展火星探測。

智能自主的“探火者”

火星表面石塊等障礙物分布密集

火星車主體結(jié)構(gòu)為銀白色，搭配黑色的太陽翼，整體外形科技感十足。它重達(dá)240 千克，高度達(dá)到1.85 米，設(shè)計(jì)工作壽命是90 個(gè)火星日。在紅色星球上，它會(huì)走走停停，對(duì)巖石和礦物等火星表面物質(zhì)進(jìn)行探測。火星車的行進(jìn)速度大約是每小時(shí)200 米，這個(gè)速度與玉兔號(hào)月球車的速度相當(dāng)。

天問一號(hào)探測器研制現(xiàn)場

如何讓火星車每一步都走得更加穩(wěn)妥？在地球上，有一個(gè)和火星上一模一樣的火星車，當(dāng)火星上遇到復(fù)雜行駛路況時(shí)，地球上的火星車將根據(jù)火星路況進(jìn)行模擬行走，確保無誤后，再對(duì)火星發(fā)出指令。這樣，火星車就能穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)爻霭l(fā)了，在這個(gè)陌生的星球上進(jìn)行既定的探測任務(wù)。

火星車的探測成果，如何傳給遙遠(yuǎn)的地球？這需要借助天上待命的環(huán)繞器。此時(shí)，環(huán)繞器在火星車的頭頂上方，兩者最近相距265 公里，最遠(yuǎn)相距數(shù)千甚至上萬公里。此時(shí)，環(huán)繞器就相當(dāng)于一顆中繼衛(wèi)星。它在中繼通信軌道上為火星車提供通信中轉(zhuǎn)服務(wù)，幫助火星車與數(shù)億公里外的地球取得聯(lián)系。

環(huán)繞器驅(qū)動(dòng)太陽電池陣對(duì)準(zhǔn)太陽方向，以保證自身電能的供應(yīng)，同時(shí)兩條天線一條跟蹤地球，另一條指向火星車，以建立數(shù)據(jù)“鵲橋”。“此時(shí)，環(huán)繞器需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)火星車、地球、太陽3 個(gè)目標(biāo)的高精度同步指向控制，絕對(duì)可以稱得上是‘八面玲瓏’了。”上海航天技術(shù)研究院803 所GNC 系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師聶欽博說。

環(huán)繞器在距離地球2.93 億公里的軌道上準(zhǔn)確指向地球，相當(dāng)于要在2 米開外瞄準(zhǔn)繡花針孔，而且要在環(huán)繞器自身還在不斷飛行運(yùn)動(dòng)的情況下，時(shí)刻保持住瞄準(zhǔn)狀態(tài)。難度可想而知。

中國火星探測器在火星表面示意圖

環(huán)繞器與火星車的通信，與一般的地球中繼衛(wèi)星有顯著不同。前者的通信環(huán)境更為復(fù)雜。航天科技集團(tuán)的研制團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)突破了火星環(huán)繞器與火星車多節(jié)點(diǎn)間通信、天線小型化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，提升了火星車、環(huán)繞器之間的互聯(lián)互通和可靠數(shù)據(jù)傳輸能力。

天問一號(hào)任務(wù)火星車與著陸平臺(tái)分離

即便有了這座通信“橋梁”，與地球取得聯(lián)系也并非易事。月球與地球的距離在36 萬公里～40 萬公里之間，信號(hào)傳輸已經(jīng)有延時(shí)，火星距地球在5600 萬公里～4 億公里之間，無線電信號(hào)傳輸時(shí)延更大，而且航天器很可能會(huì)經(jīng)歷日凌，中斷與地球的通信。

如何進(jìn)一步克服通信障礙？

一方面，這就要求火星車和環(huán)繞器更加自主，“求人不如求己”。它們必須自主執(zhí)行預(yù)先注入的指令，并自行判斷指令執(zhí)行的效果，一旦發(fā)現(xiàn)問題，必須在極短時(shí)間內(nèi)根據(jù)自測量信息進(jìn)行自診斷，并完成故障的自恢復(fù)。如此一來，便對(duì)它們的自主導(dǎo)航、管理與控制能力提出了更高的要求。

為了讓火星車和環(huán)繞器能夠從容應(yīng)對(duì)惡劣的火星環(huán)境和突發(fā)情況，設(shè)計(jì)師賦予探測器更多的自主功能，設(shè)計(jì)出自主管理、自主故障診斷與處置能力更高的軟件。

“跟其他火星車相比，我國的火星車自主能力有了巨大的提升。”賈陽表示，假如火星車在火星巡視探測時(shí)出現(xiàn)故障，它的首選求助對(duì)象不是相隔遙遠(yuǎn)的地球人，而是它自己。因此，設(shè)計(jì)師們也將火星車稱為“火星移動(dòng)智能體”。

另一方面，要提升我國的深空探測通信能力。我國對(duì)已有深空測控通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行補(bǔ)充建設(shè)和改造，在多個(gè)地面站建設(shè)了口徑更大的天線，實(shí)現(xiàn)了大口徑天線組陣接收。值得一提的是，這些技術(shù)的突破和能力的形成，將為我國開展更高水平的深空探測奠定技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)將帶動(dòng)我國人工智能、自動(dòng)控制、機(jī)電一體化、遙感科學(xué)等相關(guān)技術(shù)再上臺(tái)階。

據(jù)透露，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還將對(duì)火星車車輪的滑移率進(jìn)行研究。火星車在火星上的行動(dòng)，受火星土壤等因素的限制，假如火星車輪子轉(zhuǎn)動(dòng)了100 米，其行進(jìn)的實(shí)際距離可能只有80 米，此時(shí)，火星車的滑移率就為20%。賈陽說：“對(duì)滑移率進(jìn)行研究，將有助于更準(zhǔn)確地掌握火星車在火星表面的運(yùn)動(dòng)情況，便于開展后續(xù)火星探測的研究。”

按照計(jì)劃，90 個(gè)火星日后，火星車結(jié)束巡視探測工作，環(huán)繞器也將進(jìn)行軌道調(diào)整，離開中繼軌道，進(jìn)入遙感使命軌道，開展環(huán)繞科學(xué)探測。它在環(huán)繞探測的同時(shí)，也兼顧火星車中繼通信。

帶著人類的新使命，此刻，“天問一號(hào)”仍然在奔向火星的漫漫征途上，它渴望早日擁抱紅色星球，擁抱一個(gè)奇妙的、熾熱的、全人類共同締造的火星夢想。