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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公里的通讯瓶颈。四亿公里虽然在宇宙尺度上是一个很近的距离，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。






另外还有一些我们独创的方案和智慧。火星车与地球地面通信受很多限制，因而其对地通信只能发个短信息，告诉地面我很健康、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，可以提供更好的通信。





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。



但我们的天问一号不行，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？我们就在频段上做了一些新的方案，除了现在回传采用的UHF天线之外，还把对地X频段复用成2G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，不可能靠地球地面上的手动干预来控制它的状态，而是要靠探测器自主完成。这个过程很复杂，要自主控制导航、弹伞、抛大底等一系列过程。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。尽管这会给我们的研制带来更多的困难，但能够对火星的不确定性有更好的容忍度。通过自己的努力，把不能把握的风险降到最低，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，使它产生一定大小可调的升力，并对航迹进行控制。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，就是为了对不确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。



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，因为它更多是靠气动力来产生姿态的改变。





国外是怎么做的？美国在2011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进行调整使其能够进行攻角调整的方案，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，就用火箭弹，即探空火箭，把伞和探测器的等重模型，发射到33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，伞的整个的状态也非常好。





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，在进入过程中要对着陆巡视区进行成像。在高度一公里左右进行粗避障，即进行超过一米的大障碍的识别，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的实验，在室外建立了地外综合模拟实验场，可以提供重力的模拟，把探测器吊挂在上面，然后探测器自身靠发动机、地形敏感、导航来进行控制。



着陆之后，在火星表面巡视又遇到哪些困难？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漂亮的，四片太阳翼展开之后非常像一只蝴蝶。





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，把太阳翼的两片架起来。但这样就有很多的问题，如没有很好的固定支撑点、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。这种方案不行就做成多折，一边两片，沿着两个方向展开，但这个方案也有问题，一是太丑了，更关键的是沿车身方向太长，车从平台下降或做爬坡、越障时，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。



再有一种设计就是像扇子一样展开，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，后来都觉得并不理想。



两片式太阳翼方案 四片长方形太阳翼 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，后体方向的长度也在可控范围内，不会出现跟平台或者是爬坡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很好看，最终确定了这个方案。



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，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；另外两个是热传导、热辐射。一般的卫星处于真空中，因而没有对流，主要是传导、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到很好的隔热效果。



但是在火星上，因为有地球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，因此阻断了对流的热交换。




纳米气溶胶隔热材料
这是保温上的尝试，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，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。



太阳能集热器



另外，火星表面有沙尘的问题，火星上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？储存的电能、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，探测器着陆的区域基本类似于地球的戈壁，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陷，从车辙的痕迹看出有很明显的滑移，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。



火星车的沉陷火星车车轮破损
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，类似于人爬坡走“之”字，叠加上车辙的影响，它爬坡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，也有很好的移动性能。





最后展望一下未来，因为天问只是行星探测的第一步，未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。