科学大家|星辰大海:天问一号的奔向火星之路

科技 8个月前 社科兔
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科学大家|星辰大海:天问一号的奔向火星之路

  演讲者:孙泽洲

  出品:新浪科技《科学大家》 墨子沙龙

  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V N 2 4 _ O r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\ P p I M X器总设计师、火星探测器总设计师。

  内容整理自墨子沙龙“4 W R R }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1 w { F . 7 } I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F - ` D,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w p y f ] V去探测火星?为( q b Y @ T s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T @ ( E \ z & O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U l h J ^ L于地月距离,它又很远。每大概26个月就会出现一次火星f j r [ u h C ( \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# Z O U l A z 6G w p E 6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, 8 3 T Z D l 1 N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\ h : A E u o ]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U 4 v q J Q Z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57 8 0 ?500万公里;最远时距离4亿公里,但如此遥远的距离相比宇宙K i N 4 f * j E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h h T . P 6季的变| r _ e化。它的自转周期跟地球S P | 2十分相近,是24小时37分钟,所以昼夜变化与3 u ^ j N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? / D B @ C星在我们现在认知的天体中更接近地球。因此_ @ V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P 3 1 3 ! { , ^ P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,J b Y Q @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0 q o \ - !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\ & N 0一个中转站,是否存在能为我们所利; S { & Z T T用的资源?因此,我们要把航天器送到p l q j Q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@ i 5 \ M M 9 u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\ E y。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W P [ R { { 9的“火星1A号”,但很可U 1 V p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J P - I ` }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1964L \ T年美国的“水手四号”发射,[ L u p ^ Y1965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$ | w / : h @ w L节点。到了1971年,“水手九p W z , : - T `号”成功实现了火星的环绕$ f T Q m z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q ; j 0识。之后1976年的“海盗号”则更加Z U 1 \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一5 , R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A 1 9 5 i ; J G星、谁第一个着陆进行竞赛,这种K $ e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R W H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9 | S l y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& m z i火星探测X M U o ! & % U ,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8 0 X y f d的火星航天器,如凤凰号、洞察V C #号等;在探测形式上也有了很大的拓展,由过去a / [ \ y x的仅着陆变成了着陆并在地面开展b g b w 5n p 6 X - = 9 $视,以美国的航天器为代表。在火星探测上美国一直走在最前面,是每个探测项q 7 W S b m b目的第一个完成者。如下图所示,1996年的索杰纳号在有限的小范围内o \ E实现了区域巡航;2003年发射的机遇号、勇气号,真正意义上实现了火星表面的巡视,巡视距离超过一个马拉松i z 6比赛的距离。机遇号的设计寿命虽x t X , q然只有三个月左右,但取$ w ! m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B - , K H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X { # B火星:阿联酋的希望号,美国的毅力号,还有我们国家0 * O Y d U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u { e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w y ] 3 r历程。日本实现了掠飞2 . \ s u,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C M = ; 7 | o f。在深空探测领域(包括月球和火星),我们国1 { 4 B A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= z # & B A 6 4一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! ` = % I ? 6陆、巡视* x 7 I # h 2 J

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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) 9 n 7 ^ f 0 +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Q v V T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{ s 7:探测系统或s J 6 i I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% B z * p / | | h施,比如海m j B南文昌发射场、四$ # y } :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A B ; d b F / v ^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Y M e测控站通过传输无线电信号,完1 U y ,成信息的交互和速度、距离的测量等;应用系l : y ) G h , b统,即对采得的科学数m q I P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X C Q 9 t p。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[ Z R c U w R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d Y 1 J C况。

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  我们的目标是什么?从工程角度来讲,要完成环R 2 5 6 % ?绕、着陆和巡视,此外还要X e Q K C , ! ^ D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2 \ S & i G2007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f r 4$ / @ c f D $ /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t 8 t z { 9、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( ( 7次提出要去火星。这也o W + }是论证的转折点:在2014年: 2 ( c u之前,我们连月球* _ 5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。2# V C 8 v F + B014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S } : A n / x我们工程真正的起点在2014年,O ! % y直到i | ^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] 1 { _ N %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U % m ^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T E s f ? @ p &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,| 8 o } J E !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} U } q p C L _ &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f K 1 Z , v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r z u } ? z阳,里圈轨道运行的是地球,外圈轨道运行的是火? p E m H 2 ; A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f o |一个轨迹。这[ \ K e b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5 h P _ T gp G , Y 3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U ) q 8 9 Q杂,修正和调整就n A N . t k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H p K | G 8九分钟。

  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$ 1 5 p w伞系减速,在h 3 K L P这个过程中配平翼展开,然后弹伞A 2 # h n 3 i =,气动外形大底抛开。大底抛开后,h T i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T W p 5 r Jd e _ { . 5机进行工作。动力减速过程中需要对障碍进行识h | f + ` I & $别和规避,最Q [ B ; = $ L _ T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O ~ g 8 ^ X L后面也会提到。

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  B L b 7 U S v i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9 c \ } ) d n s *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i N 9 ;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F b L o Y (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,# : K c + *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( i v l ^ 4 ( 6 M能性,K z g P ^ 9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; } ) e人驾v ; - V @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,o f 7 } 4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# } Z ~ D y X机运算能力更强,t Q B 3 \ m u o e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4 k + $ ; 4 c ` /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I k j [ a A S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i 8 o 8 _ Q b V公里的通讯瓶颈。四亿公里虽然在宇b ; ^ q 5 L e K宙尺度上是一个很近的距离/ 6 A V 6,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f % } B Q L 2 i N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R t l K p ] ; e通信受很多限制,因而其对地通信只能发个短信息,告h T e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+ F ( D p & ( 6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。Y t 3 X d D但我们的天问P j P s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^ C K e [频段上做了一些f W l U 9 \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2Ge ! c 9 ?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h o ? _ &球地面上0 : m q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( 1 q B b杂,要m B ( #自主控制导航、弹伞、抛大底等一系N N n ^ d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x 4 y _ ^ / } K /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s z c C B A .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p H j Y B _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h ^ d S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/ W w ^的研制带来更多的困难,但能够, i . x / ` x ~对火h ; J i W _ {星的不确定性有r | l i t ! I &更好的容忍度。通过自己的努力,把不能把握的风险U % $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c u P @ x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I ~ Z {小可i r #调的升力,并对航迹进行控制。a [ 2 : { ! J M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U ~ & ^是为了对不确e n C ! / G ]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。

 z 2 ( W - 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@ : L b 7 t靠气动& & ^ k d力来产生姿态的改变。

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  国外是怎g L o @ Q N么做的?美国在Z X c 82011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N m Q - `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Y { - O ,进行调整使其能够进行攻角^ } r w ^ q g K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c J N G F Q L ~ S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Z | y ) ] ? M + C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Z t G ? !,就用火箭弹,o a b u % j . K即探空火箭,把伞和探测器的等重模型,发射到33` j v 5 ( % m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- T - S o Q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n # - 2 i @ W入过程中要对着陆巡~ , 2 F B - | j视区进行成像。在高度一公里左右进% W 9 r M . R %行粗避障,即进行超过一9 9 g %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J T + W : ( * z F的实验,在室外建立了地外综合模拟实验场,可\ h h x - R z f S以提供重力的模拟,把探测_ Z X器吊挂在上面,然后探测器自身靠发动机、地形敏感] P , i c e ~ 5、导航来进行控制。

  着陆之5 L y后,在火星表面巡视又遇到哪s * \ N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h + - 6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d ] u x e { o 8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| x & i D _ ; 5 p起来。但这样就有很多的问题,如没有很好的固定支撑. D x y G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) / S *方案不行就做成多折,一边m o ] v )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] A Q 3 / 3 6的是沿车身方向太长,车从平台下降或做爬坡、越障时,M \ 9 I Y & 4 -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f . t Z ,有一种设计就是像扇9 E ! _ ? { g y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h | z ( m p x W,后来都觉得并不理想。

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  四片长方A E Y 6 ( 7 O P ,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s ^ 9 \ v k ( g在可控范围内,不会出现跟平台或者是爬坡t p r & V d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9 @ } : u X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,G 1 , l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[ : e是热传导、热辐射。一般的卫星处于真空中,因而没有对流,主\ * x f F h ( p =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5 ` B到很好的隔热效果。但是在火星上,因为有地s ` &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f ) T ) ( M 2 K,因此阻断了对流! 1 f p I : j ~的热交换。

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  纳米气溶胶隔热材料

  这S d R K Y B ; 4 0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b c C 3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- ` = g & b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n ^ W U / Z ! A,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P i B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3 ^ N $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D . Ow q C (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F V n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7 A \ / q T A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z * q W | , f陆的区域基本类似于地E ^ )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- H + `陷,从车辙的痕迹看出M P _ 7 E X V F L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。

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  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1 7 C ,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C ` W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X j a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Y 0 d f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C # a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,j { n H = s i类似于人爬坡走“之”字,` z u x .叠加上车辙的影响,它爬坡m m b ] a [ t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x R _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W t F { n W T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,& 9 Q ( 4也有很好的, [ ; U移动性能。

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  最后展望一下未来,因为天问只是行星探测的第一步O k q e F8 + s N c I g( B Q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! & d / ] A 5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。

 { 4 E 0 D J U 演讲者:孙泽洲

  整理:梁U 0 P ^ I v @ B政;审读:王佳

  排版:猫撸火锅

  本文转自“墨子沙龙”

版权声明:社科兔 发表于 2021年12月1日 上午12:08。
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