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幔游”课题组

"Rocking Mantle" Group





祝融踏上火星表面,中国火神如何巡视火星?

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原创:太空精酿

2021年5月22日,根据遥测数据判断,“祝融号”火星车已安全驶离着陆平台,到达火星表面!火星车开始巡视探测火星表面,通过配置的地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪等6台载荷,对巡视区开展详细探测。

这是一个历史性成就,意味着我国首次火星探测任务天问一号就挑战“绕、着、巡”三大工程目标,基本取得了成功。随着研究数据和成果不断积累,五大科学研究目标也正在进展中。


一、突破“巡”的意义极大

人类探索火星60年,主要包括四大任务类型,天问一号的任务是复杂度最高的一次。


人类目前有四种火星探测任务示意图


四大火星探索任务类型主要包括飞掠、环绕、着陆和巡视。


飞掠:火星远处飞掠,“一晃而过”。航天技术尚不成熟时没办法,不能刹车入轨。


环绕:环绕器通过制动减速进入环绕火星轨道。能长期环绕火星进行观测,为着陆任务中继信号,连接地球和火星的“灯塔”。


着陆:直达火星表面,去详细研究火星表面情况,但是无法自由移动始终是一个的硬伤。


巡视:会动,探测不同的地方,就是最大的优势。但显然它不能独立实现,必须依托于环绕器和着陆器/着陆系统的帮助才能抵达火星表面顺利工作。


可以说,巡视任务需要大量的火星研究基础,工程方面和科学方面要求都极高,也代表着火星探测最高难度。


着陆器和巡视器要降落效果模拟图(图片来源:国家航天局)

在实际情况下,会分开执行环绕、着陆、巡视任务,一步一个脚印,前一步为后一步积累基础。即使这样,人类探测火星的成功率仅一半左右。


而天问一号,一次同时实现了“环绕”、“着陆”和“巡视”3项任务,“绕着巡”一步到位!非常了不起!困难程度不言而喻。且祝融号重达240千克,这可不是一个小家伙。可以说天问一号是人类探测火星工程技术复杂度之最。


在我个人看来:本来天问一号能实现“绕”就已经是了不起的成就,能实现“着”就已经赚大了,而能实现“巡”就着实是极其了不起的成就!血赚!


二、怎么才能“巡”起来?


毫无疑问,会动是祝融号最大的优势,携带着科研仪器动起来!但这并不容易,需要解决一系列能源、动力、科研设备使用等问题。


抵达火星表面后,着陆器放出导轨,祝融号开机,在经历数天能量积累后,最终走出“温室”、依靠自身能力独立生存。这就是今天的成就。


祝融号的外观结构

祝融号依靠太阳能进行工作,但火星的太阳能远不如地球,它使用了4片三结砷化镓“蝴蝶型”太阳能电池阵列,确保能量。通过防尘涂层技术,祝融号可以通过抬起太阳能帆板的方式让沙尘下落,抗沙尘能力大幅提高。


对于火星剧烈的昼夜温差和夜间没有太阳能问题,只能是白天工作,夜晚休眠,利用蓄电池、仅保持通信等核心功能。祝融号采用了纳米级气凝胶和正十一烷集热窗等技术,做好夜间保温。


火星地形地貌复杂,砂石沙尘很多,是火星车行驶过程中的巨大挑战。“勇气号”火星车就由于陷入沙坑、轮子故障,最终被困到寿命结束。逐渐残破的轮子,也是威胁“好奇号”火星车任务随时结束的重大原因。


好奇号破损的轮子显示出火星表面“路况复杂”(图源:NASA)

由于技术后发优势和玉兔/玉兔二号的技术积累,祝融号的机动能力经过了非常复杂的设计。首先,它采用可升降的主动悬架结构,多维度能够自由转向。每个轮子独立驱动,数个轮子悬空时还能移动。极端情况下祝融号还能“蠕动”、“蟹行”和“踮脚”等操作,仿佛智能机器人。


任务使命也决定了它没必要“飙车”,而会缓慢行驶,在工程相机等保障下以厘米/秒级速度运行,确保任务一切顺利。


着陆火星后的祝融号艺术效果图(图源:国家航天局)


三、“巡”什么?


祝融号不是上去玩的,这个中国火神,需要详细研究火星的科学课题。它共有6个科学仪器。


第一,导航地形相机。再多数据都不如拍照“斗图”有说服力,无数网友也都在等待各种图片。它的导航地形相机已经给出了火星“华丽的荒凉”照片。

国家航天局公布的祝融号拍摄照片


第二,多光谱相机,可以详细分析岩石土壤光谱数据,助力科学家研究它们演化的历史和未来。


工作状态的火星车艺术效果图(图源:中国航天局)


第三,“黑科技”表面成分探测仪。尤其是激光诱导击穿光谱仪,可以用激光将岩石烧蚀成等离子体,用短波红外光谱显微成像仪远程分析,实在太酷了。


第四,次表层探测雷达,探测火星浅层地下的结构。


第五,表面磁场仪,揭示火星表面破碎磁场的奥秘。


第六,气象测量仪,研究火星表面的风云变幻。


综合下来,火星车要完成的科学探测任务有:火星巡视区形貌和地质构造探测,火星巡视区土壤结构(剖面)探测和水冰探查,火星巡视区表面元素、矿物和岩石类型探查,以及火星巡视区大气物理特征与表面环境探测。


人类每个火星车都会去不同的地点,它们的研究数据放在一起,才是我们对这个行星邻居绘制的一幅全方位立体肖像画,它们每个都了不起。


现在,一切大幕已经开始,我们期待火神在火星开始表演!