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贾阳 | 如何做一辆漂亮的火星车
10.08
格致论道讲坛

“龙楼镇外紫贝东,不是将军是书生。百尺箭,万钧弓,云霄欲上第五重。”

贾阳

中国空间技术研究院总体部研究员

大家好,我是贾阳,一名航天工程师,也是科普书《月球车与火星车》的作者。今天想和大家聊一聊如何做一辆漂亮的火星车。

实际上我们不是第一个去火星的国家。在更早的时候,就已经有一些国家的航天器在火星的轨道上环绕和在火星的表面上降落,传回来了很多图片。

这张是我最喜欢的。通过把不同谱段的图像处理成伪彩,然后就形成了这样一张火星地貌的图片。

到了冬季,火星上的二氧化碳也觉得冷,不愿意在空中飞舞,就会凝结到火星的表面上。我的老家在东北吉林,那里有一种景致叫做雾凇,我们当地人称为树挂。火星上没有树,所以干冰就只能挂在地上。

火星上有时会有比较严重的沙尘暴,那么就会形成各种各样的风蚀地貌。

火星也是有四季的。陨石坑里的温度有时候高一些,有时候低一些,这就会导致陨石坑里二氧化碳和水冰的冷凝物时大时小,反映出火星季节的变化。

在火星的表面上,还有疑似过去的河谷。我在想,如果有一天我们能够改造火星,是不是可以把这里规划为一个景点,用来做漂流。

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做一辆漂亮的火星车

火星这么美,那我们也要做一辆漂亮的火星车才能和它匹配。

实现了火星环绕的国家有很多,包括苏联、美国、日本、印度等国家,所以下图所展示的围绕火星的外圈相对来说就比较大。中国的“天问一号”环绕器就在图片上方偏左一点的位置上。

火星大家庭

图片中火星的表面上有若干个探测器,有些是落到表面之后静止不动的,也有些是能够在火星表面上行驶的火星车。这些都是美国的,只有正上方的“祝融号”是例外。

我们是第二个实现在火星表面巡视探测的国家。“祝融号”火星车行驶的时候还有一个意义,也就是我们现在是世界上唯一一个同时开展月球和火星巡视探测的国家,我们亲历和见证了中国航天快速发展的历程。

那么,这个探测器包括火星车是怎么设计的,设计成什么样子了呢?

“天问一号”探测器

“天问一号”探测器分为上下两层楼。下层叫做环绕探测器,只在火星的轨道上飞,不会落到火星的表面上去;像飞碟一样的上层才会真正进入到火星的大气层,然后着陆到火星的表面上。

在降落的过程中,探测器下方呈弧形的大底和上方的背罩都被抛掉了。到了火星表面上,真正稳稳落下来的就是中间的着陆平台和火星车。

2020年7月,长征五号系列运载火箭,又称“胖五”,从海南文昌出发,把“天问一号”送入了奔火的轨道。

探测器的运动轨道——霍曼转移轨道

飞行的过程实际上就是绕着太阳转,探测器的运行轨道是一个椭圆的轨道,与地球和火星都有相交的对应点。这个轨道有个很著名的名字,叫做霍曼转移轨道,它是最省能量的轨道。

到了火星附近,探测器又绕着火星飞了三个月。这是在做什么呢?我们有两个目的:一是看看我们要去的地方选的对不对,做进一步的确认;二是要等一下时间。如果马上降落,落完之后恰好接近黄昏,我们来不及给火星车充电就进入火星的夜晚了。

我们等了三个月,每个月对应着一个小时。最终落火的时候对应下午两点钟,相对来说后面阳光照射的时间比较充足,保证火星车是满电状态进入火星的夜晚。

探测器的进入、下降和着陆(EDL)过程

降落的过程一共是9分钟左右,分成四个阶段。最开始的降落速度是每秒4公里到5公里之间,接近5公里。第一阶段是气动减速段,空气的阻力基本会减掉它90%的速度或者说99%的能量。

第二阶段是降落伞减速段,它会进一步减速,最后速度就会变为匀速,也就是每秒60米。

第三阶段是动力减速段,发动机开始工作,在火星表面上空选择更精细的着陆位置。如果这个点合适,那就直接降落。如果不合适,它可以做有限的位置改变,横向地机动到另外一个相对更安全的位置,再落下去。

第四阶段是着陆缓冲段,靠着陆平台下面四条腿,缓冲最后一点点能量,稳稳地落在火星表面上。

整个进入、下降和着陆(EDL)过程比较复杂,所以我们要在地面进行充分的试验。

这就是试验的设备。曾经有很多记者和外国使节到这里来参观,绝大多数人都是从正面照一张照片。我想有点创意,于是等这些记者和使节走了之后,我晚上来到这个架子的下面,对着正上方拍了200多张照片。然后选择其中的一部分,大概是89张,凑成了这张图片。

大家有没有喜欢星野,或者是拍摄星轨的?如果有的话,可能会质疑这个星轨为什么不是连续的。但其实我是故意的,留下来的星轨是:划、点划划、划点点点划、点划划划划对应的摩尔斯密码,翻译后的意思是“天问一号”。

我给这张照片起了两个名字,比较俗的名字是《天上的星星会说话》,比较雅的名字是《星辰密语》,算是表达启程之前的祝福吧。

最终,我们的探测器顺利地落到了火星的表面,这就是一段对应的录像。

这是我们的火星车工作的一个想象图。它最开始被设计为3天走7米,但由于能源比较充足,通信条件也比较好,实际的情况是一天走了20米。目前大概走了超过1000米,已经运行了100天。

火星车“祝融号”是怎么设计的呢?最开始我们的想法是,要有一个相对比较大的太阳翼,因为火星距离太阳比月球更远。于是,我们就把电池板做成了一个像屋顶一样的形状。

火星车“祝融号”太阳翼的进化史

分析之后发现不行,因为在火箭发射的时候会有剧烈的振动,太阳翼承受不了。那我们就把它压紧,压紧之后发现面积不够了,所以就把它变成了4片,向后展开。

如果火星车到了火星表面后,向前驶离着陆平台,这是没有问题的。但如果要向后走,那后面的两个太阳翼就会触地了。所以,我们又做了进一步的调整,就是把后面的两个太阳翼向侧后方调了一定的角度。

太阳翼的各种设计方案

在整个设计过程中,我们设计过很多太阳翼的方案,包括一个圆盘形状的,或者两个圆盘形状的,甚至还曾经设计过类似于蝙蝠翅膀的样子。

整个演化过程到了最后收官的时候,我们发现我们设计的火星车很像一只蝴蝶,而且是一只蓝色的闪蝶。为了证明我们的灵感来自于蝴蝶,我特意去网上买了一个蝴蝶标本,放在我的办公桌上。

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火星车的五大法宝

那么,火星车有什么本领?火星上有什么样的困难在等待着我们呢?至少是有四个方面的困难,我们准备了五个法宝来应对。

第一个困难就是火星表面的石块比较多,地形比较复杂,容易把火星车的车轮扎破。为了应对这个困难,我们为“祝融号”准备了主动悬架。这就好比一般家里的小轿车底盘是不能够升高的,但有一些越野车辆在遇到特定地形的时候可以把底盘抬高,这就叫做主动悬架。

主动悬架的不同工作模式(左)和主动悬架示意(右)

其实 “祝融号”的本领还不止这些。如果它遇到了沉陷,即整个车轮大部分都已经陷在沙子里,那么火星车有一个本领可以用来应对。

它的前轮向前行驶,中轮和后轮先不动,整个过程中车身降低;接下来前轮不动,中轮和后轮再向前行驶,过程中车身再抬高。这个过程就像一只小虫子在蠕动。这样做的好处就是它能够轻松地从沉陷的沙土地里走出来,因为火星车在火星上工作的时候没有4S店,也没有救援车辆。

第二个要关注的困难就是沙尘暴。火星上有时候会有遮天蔽日的沙尘,导致太阳电池片发不出电,电池片上积累了很多沙土之后,这个火星车也许就不能继续工作了。

为了应对这一难题,刚开始我们曾经想到过雨刷,就是汽车前面的雨刷。后来又想到了一个简单一点的办法,重量也能够轻一点,就是给电池片上铺五层保鲜膜。当尘土积累到一定程度的时候,我们在第一层和第二层膜之间充气,让第一层膜带着灰尘掀掉,露出来新鲜的第二层再接着工作。后来发现也不行,如果第一层膜掀完之后,灰尘落到另一个电池版上,这件事情就变成灾难了。

最后我们真正采用的办法是仿照荷叶。如果下雨了,水珠会在荷叶上聚集,但并不会把荷叶打湿,微风吹来,摇摇晃晃,水珠就会掉落下去。

仿制荷叶设置电池片

我们在电池片上也放了一种类似的工艺材料。从微观上看,我们把电池片的玻璃变成了一个有很多尖的针床,灰尘不是很踏实地落到表面上,而是落在针床上。在太阳翼运动的过程中,灰尘很容易滑落,电池片的表面就会比较干净和清洁。右图就是做实验时的效果展示。我们能够看到,有了这个工艺之后,只要把电池片立起来,它就会变得比较干净。

第三个困难就是火星的温度比地球要低,因为火星离太阳更远。为了解决这个问题,我们用了两个法宝:一是开源,二是节流。

集热器

所谓开源,就是我们设计了火星车顶部的两个像望远镜一样的窗口。窗口上绷着一层膜,白天阳光可以照进去,晚上这个膜对红外线来说是不透的,也就是能量只进不出。其实这和蔬菜大棚的原理是相似的。

那怎么储存能量呢?如果只是阳光进去之后加热了设备,到晚上不就又凉了吗?所以,它还有一个储存的能力。我们在这层膜的下面放了十个“酒瓶子”,白天吸收阳光,“酒瓶子”里的固体就会变成液体。到了晚上,为了保证设备的温度不降低,“酒瓶子”里的工质就从液体又变回固体,在凝固的过程中放出热量,保证火星车的温度不会下降。

还有一个手段就是用了一个特殊的棉服,我们给火星车穿了一层气凝胶做的棉袄。这个材料有两大特点:一是轻,二是隔热效果好。

气凝胶的特性(左、中)和火星车上实际使用的气凝胶(右)

为了证明它轻,经常把它放在花的上面。为了证明它隔热效果好,又会在另一个方向用乙炔枪去烧它,鲜花不会枯萎。

现在正值火星的夏天,是温度最高的时候,天气还比较晴朗,“祝融号”火星车会感觉到稍稍有点热。不过没关系,再过一段时间就是秋季,然后到冬季,到那个时候,就能显出来我们这些手段的作用了。

最后一个困难就是距离远。现在火星与地球之间的距离是将近4亿公里。绕地球赤道一圈是4万公里,4亿公里也就正好是绕地球赤道转上1万圈的距离。无线电的信号从火星传到地球上来需要22分钟的时间,那么地面上的师傅管理火星车就不可能那么及时。我们的工作方式是,每天地面上的师傅和火星车说一次话、收一次数。也就是告诉火星车未来24小时要干什么工作,也把昨天24小时的工作成果汇报到地面。

在这个过程中,做什么工作、或是遇到困难需要终止正在做的工作、或需要进入到休眠睡觉等等,这些全都要靠火星车自己根据能量的使用情况做判断,这是一个自主的航天器。

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来到文昌的100天

等我们把火星车做好之后,就送到了海南文昌,因为那里能够发射比较大的火箭。2020年4月,还是疫情期间,我们乘坐专机飞往文昌。这架飞机并不是直接奔着海口去的,而是往西边拐了一个弯。发现这个情况之后,我就拍摄了飞机的显示器。

这个点有什么特殊之处呢?我能背下来这次“天问一号”要去的地方的经纬度坐标,如果把这个经纬度的坐标换算到地球上,对应的位置就是中国广西桂林阳朔。国航的飞机在送我们的时候,恰好到阳朔的上空绕了一下,我觉得冥冥之中是在祝福我们此行使命必达。

到了文昌之后,我们要有5天的隔离期,不能出房间。为了表达我们未来100天要在这儿干活的决心,我写了一首词《南海北·北海南》:

龙楼镇外紫贝东,

不是将军是书生。

百尺箭,万钧弓,

云霄欲上第五重。

为什么要去第五重呢?因为我写的是古典诗词,所以没有用现代科学的说法,而用的古代地心说。地球位于宇宙的中心,外面是水星、金星、月亮、太阳和火星。火星位于第五重天,所以我说“云霄欲上第五重”。

我们在海南文昌这100天都干了什么呢?我们要对火星车做最后的测试,把相关的机构都动一下,确认它们是正常的,然后再把它压紧。此外,我们还要对类似于相机的设备做清洁,确保到那儿之后不会由于灰尘的原因导致我们看不清火星的表面。

准备就绪的火星车

还有一个很重要的工作是杀菌,因为至少现在,我们还没有完全否认火星上存在生命的可能,我们不能把地球上的微生物带到火星表面上去,所以要对它进行消毒,尤其是车轮。

这样,火星车的准备工作就结束了。到了晚上,本来应该可以休息一下了,结果我睡不着,就对着窗台外面拍了一张照片。

照片中的马路其实就是我们每天晚上散步的地方,那盏蓝色的灯是农民养鹅和鸭子留下的一盏灯,我觉得它代表着我们心中的一种盈盈的希望。那天晚上留了一首不算太严格的诗,来表达我们心中的祝福:

火星岩上火星风,

地冻天寒却有情。

但等鐷伞凌日落,

更盼神器巡游行。

2020年7月23日,火箭发射了,我们肯定要表达一下喜悦的心情。但我们没用新华社拍的那种标准的火箭发射图片,而是和世界500强的企业合作,制成了上图,也算是一个摄影作品吧。

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火星,我们来了

经过10个月的飞行,火星车到达了火星的表面。其中有7个月是在奔火的路上,有3个月是环绕火星的飞行。

左图证明的是火星车降落在火星的表面上,右图证明的是车已经行驶到了火星的表面上,这对我们来说是一个标志点。

我们还拍了一下着陆平台。就像是我们旅游也会拍摄纪念照,有到此一游的说法。拍这张照片也费了我一点心思,因为这张照片里不同景物的亮度差别很大。

最后是我来定的参数。一是用相机的自动曝光,把天空拍成合适的样子,火星的表面也是比较合适的。还有一个选择的曝光参数是10毫秒,把国旗拍的比较明亮和鲜艳。最后还用了一个15毫秒的曝光参数,把着陆平台下阴影的部分,即最暗的部分也拍到合适的亮度。然后再用一个HDR高动态的技术合成这张照片,起的名字叫作《火星印记》。

在展示的时候,有的网友比较细心,看到了我们藏在火星车车轮上的一个小秘密。仔细看会发现,下面这张照片的车辙印能够看到“中”字。

左图是我们在地面上做实验时留下的照片,中间这张图就是车轮上“中”字的样子。我们在车轮上放了两个“中”字,有人会问我是放在前面放在后面,当然是放在后面,否则在车轮往前走的过程中印记就看不到了。

这个创意是为了宣传吗?还真不是。我原来是做月球车的,我们比较关心这个车在星球表面上走的时候,是正常行驶还是发生了沉陷?但是过去看车辙不是特别清晰,于是就想了这个办法。

如果我们发现两个“中”字之间的距离是1米,就证明火星车正常行驶在火星比较坚硬的地面上;如果两个字之间的距离只有0.5米,那就说明火星车在打滑,很可能伴随着一个比较大的沉陷,就比较危险了。最主要的目的实际上是测量车的滑移率。

我曾经把这个心思写了一篇小文章发表在公开的网站上,底下有很多网友夸赞。我仔细地看了看,点赞最多的来自于河南,接下来是成都和扬州。

在火星车的设计过程中,这样的小心思还不止这一处,还有一处花费了更多的心思。

当我们的火星车在地面上做了严格的试验之后,我们发现这个车不够漂亮,尤其是桅杆上像是人额头的这个位置。这里有一张A4纸的大小,有3个相机的孔洞,看起来有点像七月十五出来散步的感觉。于是,我们就想设计一些美化方案。

刚开始我们想放一个中国结,后来觉得把中国结放脑门上好像也不太对。还有个小朋友说:“要不我们画个王字?”后来我一想,还是用书法比较好,写个火星的“火”字。我们写了很多,大概有几千张,我们选了其中的几款投票。

最开始我们的目光聚焦在第一排的第三个,是甲骨文的“火”字。这代表了文字起源之初,有五千年的文明历史,寓意很充沛。

但是我的同事总问我:“贾总你写个‘山’是什么意思?”在甲骨文里,“山”的底下是一条横线,“火”的底下是一条弧线,差别确实比较小。大家又不都是古文字的学者,后来我干脆说算了,这解释起来太困难,于是我们就用了第二排的第一个。

这个创意取自于一枚印章,它是在黑龙江省海林县、现在的海林市出土的一枚印章。这枚印章叫做桓术火仓之记,是一个不太大的官的印章,里面有一个火字。我们把它提出来做了处理,形成了火星车的车标,精心地安在了火星车的额头位置。

火星车上的车标(左)和备份车标(右)

我们做航天工作其实都是要考虑备份的,所以真正做的时候多做了一枚。这一枚放在了照片框里,由相关的设计师签名,现在放在我的办公桌上。所以,这个车标有两枚,一枚在火星,一枚在我办公桌上。

这是从火星传来的火星车的自拍照。怎么拍自拍照呢?我们在火星车上放了一个相机,它向前走大概5米多,把相机释放掉到地上,然后它再往后退,退到5米多的时候,就形成了这张火星车的自拍照。

然后再接着往后退,退到更远的一个位置的时候,火星车就和着陆平台又拍了一张合影。为了这点事,我们费了好多心思。下图就是这张合影。

当然,也有淘气的网友对这些照片做了进一步的处理,做下面左图的网友应该是一个吃货,右图这个应该也是一个吃货。相对来说我比较喜欢右边的这一张,把它放在了朋友圈,配文是“华夏农耕文明的最远抵达”。

现在火星车已经工作了100天,走了1000米。在火星车走过的路的中间位置,我们还去看了一下落在火星上的背罩和降落伞。

到了90天,火星车就完成了3个月的寿命要求。那天晚上我写了一首算是打油级别的诗:

三月三千尺,

天天添里程。

悬心终落地,

谈笑始高声。

我也是在表达我们设计师在比较大的压力之下,释放完了之后的那种感触。

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我们为什么要去火星?

最后讲一讲,我们为什么要去火星?不同的人会给出不同的答案。

比如印度政府发言人在回答西方记者提问的时候,曾经说过一句话:如果我们没有伟大的梦想,那么我们永远是伐木人和挑水工。

俄国“火箭之父”齐奥尔科夫斯基

齐奥尔科夫斯基曾经讲过一句著名的话:地球是人类的摇篮,但是人不能永远生活在摇篮里。

科学家们更关注的是:这颗红色的行星上是不是曾经有过生命,人类在宇宙中是孤独的吗?

科幻作家刘慈欣曾经讲过一段话:火星是人类进行太空移民的第一选择。最有可能的情况是,当危机到来时,人类才投入全部力量到地外世界的探索和开拓中去。而其实人类移民到火星需要漫长的时间来实现。

还有个哲学家讲过一句话:你要问去火星有什么意义,那么请问若干亿年前海洋生物第一次爬上陆地有什么意义?

我们为什么要去火星?今天我也试图给出我的答案。火星自转一圈是24小时40分钟,地球自转一圈是24个小时。那么每隔37天,“祝融号”火星车和我们地面上的北京就会经历同一个时刻。

我把它做成了一张图片,起了一个名字叫做“天涯共此时”。在我们过去的三个月里,祝融号有三个时刻和我们是共此时的。

到了日落的时候,火星的表面上不是红彤彤的,而是淡蓝色的。

火星也是有月亮的,不过有点小,所以它不可能把太阳全都挡住,形成不了地球上的日食景观。但是火卫一凌日,几十秒钟过去,也很壮观。

还有一个百年一遇的天文奇景。相对于火星而言,地球属于内行星,所以难得一见的奇景就是看地月系统凌日。两个小点从太阳表面上缓缓滑过,大概三个小时左右的时间。有的时候比较远,会横跨整个太阳的表面(上图),也有的时候相对来说距离比较近(下图)。

图上那个蓝色的暗点是我们的家园,灰色的暗点是月球。我忍不住念一首古诗:人言落日即天涯,又见天涯又见家。

通过这几张图片,我想要表达的意思就是,探索火星的意义在于为人类增加一个视角,从这个视角看火星、看地球、看太阳系甚至看整个宇宙,也包括审视人类自身。

谢谢大家!

文章和演讲仅代表作者观点,不代表格致论道讲坛立场。

“格致论道”,原称“SELF格致论道”,是中国科学院全力推出的科学文化讲坛,由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办,中国科普博览承办。致力于非凡思想的跨界传播,旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。

评论
科普:张萍
少师级
可上九天揽月!探索火星的意义在于为人类增加一个视角,从这个视角看火星,看地球看太阳系甚至整个宇宙,也包括审视人类自己!
10.08
科普员:李乾伟
庶吉士级
中国对宇宙太空研究好奇心始终不减!
10.08
无限探索者
学士级
火星车的设计充满了科学家和工程师们的创意和奇思,正是这些用心的细节让人们为之津津乐道。
10.08