扫一扫 解码火星车。


焦维新
授课专家：焦维新

航天专家，北京大学地球与空间科学学院教授。

主要研究方向是空间探测技术、行星科学与空间天气学。

据航天科技集团五院专家介绍，天问一号探测器自2020年7月23日成功发射，精确入轨后，已按预定飞行程序在轨飞行了约295天；近期，天问一号即将在火星停泊轨道上进入着陆窗口，随后探测器实施降轨，环绕器与着陆巡视器开始器器分离，继而环绕器升轨返回停泊轨道，着陆巡视器运行到距离火星表面125千米高度的进入点，开始进入火星大气，最终软着陆在火星表面。

目前，人类火星探测任务成功率仅有五成左右，大部分都是折戟在“进入、下降、着陆（简称EDL）”阶段。我国的第一辆火星车祝融号将用何种方式着陆？面临哪些凶险？将完成哪些工作使命？相比起美国的火星车“勇气号”以及“机遇号”，它在设计上有哪些优势、亮点？

近日，广州日报全媒体记者采访了北京大学地球与空间科学学院教授焦维新，请他对祝融号降落火星的难点、亮点及工作任务进行了解读。

文/图 广州日报全媒体记者程依伦（手绘除外）

在经历了三个月的环火飞行之后，由航天科技集团五院抓总研制的天问一号火星探测器即将降落在首选点——火星北部的乌托邦平原，这标志着我国成为世界上第三个登陆火星的国家。初探火星就一次性实现“绕、落、巡”三个目标，这是其他国家前所未有的，面临的挑战也是前所未有。

天问一号，5吨重的火星探测器

半个多世纪以来，人类探测火星已达40多次，多半折戟在“进入、下降、着陆”阶段。仅2020年窗口期，人类就向火星发射了希望号、天问一号、毅力号三个探测器：其中希望号执行环绕探测任务，已于2021年2月9日开始环火；2月19日凌晨，美国毅力号探测器成功着陆，执行着陆巡视探测任务；2月10日，天问一号探测器顺利进入大椭圆环火轨道，环绕火星获得成功；2月15日，天问一号将轨道调整为经火星两极的环火轨道，进入火星停泊轨道，开展预选着陆区探测，择期实施火星表面软着陆。

为什么“天问一号”要在火星轨道环绕三个月后再着陆呢？焦维新说，这是因为我国首次火星探测任务就要完成“绕、落、巡”三步，这在世界上前所未有。

“大多数火星探测都是一次发射一个设备，轨道器（环绕器）或火星车（着陆、巡视设备）分开发射。”焦维新说：“正因为使命特殊，我国的火星探测器由环绕器和着陆巡视器两部分组成，天问一号探测器也成为人类向火星发射的最重的探测器之一（将近5吨重）。而美国的毅力号火星探测器只包含一辆火星车，重量仅为1043千克。”这也意味着祝融号着陆时更要避免因高速下落而“摔伤”。

恐怖9分钟，每一秒都生死攸关

“火星探测器在奔火途中一直处于高速飞行状态，需要在9分钟里，逐步将速度从每秒4.8千米降至0，才能最终使探测器平稳到达火星表面。这9分钟是整个任务的关键，可以说是起着承上启下的重要作用。”

首当其冲的问题就是减速。“超音速降落伞是减速技术中难度最大的一个环节，天问一号在使用降落伞时要保证在超音速、低密度、低动压下打开，而这个过程存在开伞困难、开伞不稳定等问题。”航天科技集团五院天问一号探测器总体主任设计师王闯介绍：“此外，由于火星大气非常稀薄，进入火星时要求探测器的气动外形具备高效的减速性能，同时需要更轻量化的防热材料。”

除了减速设计，火星进入方案的选择也至关重要，甚至可以说决定“生死”。因为，从开始踏上进入点的那一刻起，天问一号就迎来了此次探火旅程中最凶险、最惊心动魄的“恐怖9分钟”。“这个过程需要融合气动外形、降落伞、发动机、多级减速和着陆反冲等多项技术才能实施软着陆。每个环节都必须精准无误，差一秒都可能造成整个任务的失败。”航天科技集团五院天问一号探测器总设计师孙泽洲说。为此，天问一号在火星停泊轨道上就对着陆区进行了详查预探测，获取了大量的着陆区地形地貌的数据，并对火星尘暴发生的概率进行了评估；同时，火星探测器继承了嫦娥三号、四号、五号成熟的悬停、避障技术，以确保安全着陆。在上述这些措施的基础上，我们还在国际上首次采用了基于配平翼的弹道-升力式进入方案，以降低火星大气参数不确定性带来的风险。

机动超强，超越勇气号好奇号

着陆巡视器与地球距离超过1亿公里，通信时延将达到20分钟左右，因此最终软着陆过程只能依赖火星车自主操作。

祝融号具备高强自主能力，为规避火星极端天气的影响，被设置为自主休眠和自主唤醒功能，可工作3个火星月，相当于地球上的92天。在这90个火星日里，火星车将在火星地表开展巡视探测、火星地貌特征研究等多项任务。面对火星上的地表石块障碍，沙尘暴等问题，“祝融号”是如何破解的呢？

首先来看第一个难题——火星表面行走。“主动悬架可以说是祝融号的一大亮点。”焦维新强调：“从目前来看，祝融号非常先进，它在很多性能上甚至超越了勇气号。例如两者拥有相同的30°最大爬坡角度、40米/小时的巡视速度及200米/小时的最大速度。还有一个亮点，即主动悬架功能，祝融号能够根据行驶条件自动调节系统刚度和阻尼特性。无论火星表面‘路况’如何变化，主动悬架始终处于最佳减震状态，使火星车具有极佳的通过性、平顺性与操纵稳定性。比如车体在碰到障碍物过不去时，主动悬架可以自主升高，相当于越野车的底盘。这种设计在全世界都很独特。

与好奇号火星车相比，我们还具有独创的蟹行能力和蠕动能力，顾名思义，就是它能够像螃蟹一样进行避障和横行，可以灵活适应复杂多变的火星地表。”除此之外，主动悬架还能帮助火星车通过车体侧倾角的调整，辅助进行热控制。也因此，祝融号有“人类火表机动能力最强火星车”美誉。

蝶翼电池,使用最大功率跟踪技术

为了扛住夜晚低至-130℃的低温，祝融号还进行了火星光谱匹配太阳能电池、太阳能电池防尘设计、火星大气环境隔热技术，直接利用太阳能供热集热器解决能源问题。“你可以看到整个火星车就像一只蝴蝶，那个蝴蝶翅膀就是四块太阳能电池板，能适应火星上的光谱，达到极高转化率，从而将能源输送给火星车。”焦维新说。

据811所电源控制器主管设计师陈达兴介绍，太阳能电池研制人员创新性地使用最大功率跟踪技术，这是该技术在国内航天领域首次在轨应用。“跟踪精度高达98%。相比传统电路，提高了20%的效率。”

“祝融号上一共有六种载荷，从地形导航相机、多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪，到环绕器上的中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪，可以看出我们在‘问’什么。”焦维新说：“我们收集火星上的大气数据，来了解火星上的气候；通过火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气电离层、磁场等的科学探测，来了解火星的演变和历史。这就是火星车的使命。”

天问之1

为何选择降落乌托邦平原？

乌托邦平原可以说是火星最大的平原，直径达到3000多公里，它低洼平坦，像个大海，也有学者认为，乌托邦平原是古代火星极区的海。选择乌托邦平原降落主要有两方面原因。

一，考虑安全性。我们预想的着陆点在北纬24.7度、经度100度左右相对平坦的区域，乌托邦平原正符合要求。当然这里也谈不上一马平川，依旧存在沟壑。最终我们能否着陆到平坦区域，取决于火星车着陆前的避障动作。

二，考虑科学价值。这是我们首次踏上火星，目前可以得知，在乌托邦平原地区，有相当大可能是含有地下“水冰”，这不是纯粹的冰，而是含有沙土的冰，且含冰量相当大。值得关注的是，我国火星车有设置地表下探测雷达，可以对火星地下一定深度进行探测，科学价值很大。

天问之2

祝融号有哪几种工作模式？

按照预定计划，火星车将在成功着陆后3个火星日内依次展开桅杆、太阳翼和定向天线并与环绕器建立UHF器间通信链路，9个火星日内完成驶离着陆器至火星表面，15个火星日内完成初期数据下传。

在晴朗的天气，火星车正常工作，工作模式包括待机/充电、环境感知、移动、探测、通信和火夜6种；当遇到沙尘天气时，火星车进入最小工作模式；当遇到重度沙尘天气时，火星车自主断电休眠，以保护自身仪器设备免受恶劣天气的损害。

天问之3

自动休眠自动唤醒怎么切换？

我们的火星车相当于一个“移动智能体”，可以实行自主管理、自主故障诊断与自主处置。比如，如果它的“眼睛”看到外界灰蒙蒙，可以自主判断将会面临长时间尘暴等极端天气，火星车能源状况不佳，且预期在短时间内无法得到改善，就会全系统断电，进入休眠模式，直到光照条件得到改善，才会重新进入充电模式。

天问之4

火星车振动翅膀对付火星尘？

在火星上，还有一大“拦路虎”——火星尘。由于火星光照强度小，加上火星大气对阳光的削减作用，火星车能源供给较为困难，如若遇上沙尘覆盖火星车，则更会导致热量传导不足，让光学载荷“蒙尘”。此前，美国的激励号便是“栽”在了沙尘暴上。

“但是我们的祝融号采取的是不容易沾染灰尘的车体材料，并且这种材料可以通过振动将灰尘抖落掉，从而不会影响发电效率。”焦维新教授表示。

1

降落步骤1：

进入火星大气层

2

降落步骤2：

降落伞展开

3

降落步骤3：

抛掉大底和背罩，

反推发动机点火减速

4

降落步骤4：

着陆缓冲，悬停避障

9分钟内将秒速从4.8千米降到零。

火星车质量240kg

设计环境温度：

白天30摄氏度，夜晚零下130摄氏度。

工作内容：

围绕巡视区形貌、巡视区土壤结构、水冰分布、巡视区表面元素、矿物和岩石类型等课题展开探测。

太阳能供热集热器：通过车身中部像双筒望远镜一样的集热窗吸收太阳能，将其储存在一种叫正十一烷的物质中。白天温度升高，正十一烷吸热融化，晚上温度下降，正十一烷在凝固过程中释放能量，供火星车使用。

尾部定向天线

多光谱相机：

用于研究火星表面形貌特征与物质类型分布。

地形导航相机：

可获取3D立体影像数据，

拍摄高清彩色照片。

火星表面磁场探测仪:

观测火星磁场。

“火”字篆文：

取自南宋官印

气象探测仪：

还可通过桅杆顶部类似麦克风的装置拾取火星声音。

次表层探测雷达（低频）

长2米

太阳能电池翼（4片）

UHF天线（超高频天线）

可自由旋转的车轮（6个）

次表层探测雷达（高频）：

探查地面100米内的地层结构寻找水冰。

火星表面成分探测仪:

可以对目标发射百万瓦高能激光脉冲，然后通过显微相机观测记录数据。

宽1.65米

高1.85米

避障相机：车前方2台，后方2台，用于5米范围内探测障碍物。