祝融號：靠什么巡視探測火星

　　■賈 陽

　　2020年發(fā)射窗口，中國的祝融號和美國的毅力號火星車同時出發(fā)，目前均在火星表面開展探測活動。我國由此成為第二個在火星上開展巡視探測的國家，也是唯一一個同時開展月球和火星巡視探測的國家。

　　祝融號火星車到達火星表面后，有關部門發(fā)布了火星車拍攝的照片，引起人們廣泛關注。特別是看到利用WiFi分離探頭從第三方視角拍攝的火星車與著陸平臺的合影時，大家紛紛點贊祝融號火星車，并把這張圖片稱作“融融拍了拍陸陸”。

　　截至今年7月30日，祝融號火星車在火星表面已工作75個火星日，當天完成了對第二處沙丘地貌的科學探測。后續(xù)，它會利用表面成分探測儀和多光譜相機等科學載荷，對更多目標開展詳細探測。

　　可以說，人們已了解到“融融”的可愛與敬業(yè)。那么，它有哪些技術特色呢？讓我們一探究竟。

　　我們的設計定位為“二代半”

　　設計火星車之初，有國外專家問起中國第一輛火星車的設計定位。對于這個問題，我們給出的答復是：美國利用25年先后發(fā)展了三代火星車，單從重量的角度看，分別為第一代的10千克級別、第二代的100千克級別和第三代的1000千克級別，各方面的能力也隨之不斷提升。我們的祝融號火星車重量為240千克，僅從重量看，它屬于第二代。

　　隨著技術發(fā)展，我們的祝融號火星車設計定位是“二代半”。這個多出的“半代”，主要體現(xiàn)在火面移動、生存、自主技術等方面的先進性上。

　　主動懸架啥地形都不怕

　　火星表面地形復雜，既有陡坡、大石塊，也有松軟的沙地。美國火星車在工作過程中，曾遇到難以翻越的沙土質陡坡，也曾陷入沙土中無法移動。祝融號火星車采用了主動懸架移動系統(tǒng)，其目的就是使火星車在復雜地形條件下，具備較強的通過能力。

　　在平坦的硬路面上運動時，火星車保持主動懸架機構的主動關節(jié)鎖定，此時懸架退化為被動懸架。遇到石塊障礙比較高的情況，可利用主動懸架將車體抬高。在難以通過的軟土沙地，特別是車輪發(fā)生較大沉陷無法順利通過時，可采用尺蠖運動方式脫困。

　　首先，兩個前輪向前運動，中輪和后輪不動，車體高度隨之逐漸降低。然后，前輪不動，中輪、后輪前進，這個過程中車體高度逐漸抬高。接著，再持續(xù)重復上述過程。這樣的尺蠖運動方式，運動效率雖然比較低，但沙地脫困效果非常好。

　　靠集熱窗實現(xiàn)“保暖”

　　火星表面溫度偏低，在火星車頂部，安裝的像雙筒望遠鏡一樣的設備，叫作集熱窗。窗口有一層薄膜，可見光能順利透過，車體發(fā)出的遠紅外線卻無法透出，從而起到保溫效果。

　　陽光透過集熱窗后，能量被一種叫作正十一烷的物質通過相變方式儲存。火星白天溫度升高，這種物質吸熱融化；到了晚上溫度下降時，這種物質會在凝固的過程中釋放熱能。能量的轉換方式變成了“光能-熱能-相變能-熱能”，效率可達到80%以上。

　　當前，火星上正值盛夏，祝融號火星車會“感覺”稍稍有點熱。不過，等火星到了秋季之后，收集熱能的這個本領就會顯示出效用了。

　　太陽能電池片像荷葉疏水一樣除塵

　　在火星表面工作，不可避免地會受到火星塵的影響。最直接的影響，就是導致太陽能電池輸出功率下降。因為火星車工作所需要的電能都來自太陽能，如果電能不足，火星車只能在火星表面“睡覺”。

　　在夏季，我們觀察荷葉上的水珠，可以發(fā)現(xiàn)，荷葉與水間并沒發(fā)生浸潤，荷葉隨風搖曳的過程中，水珠很容易滾落。借鑒自然界荷葉的疏水原理，科研人員在電池蓋片上增加了超疏基微觀結構。這些結構的尺寸比火星塵顆粒的特征尺寸還要小，當火星塵與之接觸時，就相當于與一個納米級的“針床”接觸，而不是與一個平面接觸。這大大減小了火星塵顆粒與電池片之間的接觸面積，從而減弱了它們之間的附著力，使火星塵不易沉積，即便沉積后也更容易移除。

　　火星車采用了超疏基電池蓋片，其中兩個太陽翼還可調整到豎直狀態(tài)，便于火星塵滑落。

　　超疏基微觀結構的制備方法有很多種，火星車上采用的是濕化學腐蝕法。測試發(fā)現(xiàn)，改進后的太陽能電池片，除塵效果達到了80%以上，特別是對粒徑75～125微米范圍內的塵埃顆粒，除塵效果可達95%。

　　由自己決定何時“睡覺”何時“起床”

　　火星表面也會有局部沙塵天氣，嚴重時甚至蔓延到火星的大部分地區(qū)，成為全球性沙塵暴。美國的機遇號火星車在火星表面工作了15年，就是因為一次嚴重的沙塵天氣而中斷了工作。

　　祝融號火星車如何應對這樣的沙塵天氣呢？研制者們?yōu)槠湓O計了自主休眠喚醒功能。就是說，火星車會根據(jù)環(huán)境變化，自己決定何時“睡覺”何時“起床”。

　　在火星表面，當風速逐漸升高，出現(xiàn)沙塵天氣時，火星車首先感覺到的是太陽能電池板輸出的電能有些不夠。每當黃昏時，電池電量都應該是滿滿的，“今天怎么這么少？”火星車趕緊計算明天工作需要多少電能。如果結論是“差一點”，那么火星車就會減少工作的設備，通過“過緊日子”的方式等到第二天；如果結論是“差很多，不夠今天晚上用的”，那么火星車就會立即休眠，全系統(tǒng)斷電。

　　這時，就需要祝融號火星車“過點苦日子”。設備的溫度越來越低，最低可達-100℃以下。即便如此也沒辦法，火星車只能在寒冷中“睡覺”。

　　喚醒有兩個必備條件：一個是等到沙塵天氣過去，陽光越來越強，大氣變得澄凈、透明，火星車太陽翼的發(fā)電量可維持正常工作；另一個是火星車關鍵設備的溫度符合工作要求，比如蓄電池可正常充電了。

　　等條件都滿足了，不需要地面控制，火星車會自己“蘇醒”，繼續(xù)工作。

　　圖像壓縮算法一展強大功能

　　對陌生環(huán)境進行探索，圖像信息無疑是最直觀也是最核心的信息。圖像信息中含有相當多的時間和空間冗余，因此圖像信息的數(shù)據(jù)量非常大。

　　火星車執(zhí)行任務的前3個月，火星與地球之間距離為3.2～3.8億千米，從火星到地球的通信鏈路帶寬受到很大限制，在深空數(shù)據(jù)源端對圖像進行壓縮，無疑是提高信息回傳效率的必由之路。深空探測器資源寶貴而有限，火星車的數(shù)據(jù)處理能力不會像地面計算機這樣強大。因此，需要根據(jù)火星探測任務的應用需求，統(tǒng)一考慮圖像數(shù)據(jù)的壓縮及傳輸兩個環(huán)節(jié)，設計最優(yōu)的圖像數(shù)據(jù)壓縮及傳輸方案。

　　針對火星探測任務中圖像壓縮處理需求，科研人員專門為祝融號火星車設計了圖像壓縮算法，實現(xiàn)了多種相機數(shù)據(jù)存儲管理、圖像壓縮比靈活控制、質量漸進性傳輸、感興趣區(qū)域優(yōu)先編碼、抗誤碼擴散和圖像縮略圖生成下傳等功能，滿足了火星車可靠、高效、靈活的圖像應用需求。

　　(作者系中國空間技術研究院研究員)