祝融号：靠什么巡视探测火星

　　■贾 阳

　　2020年发射窗口，中国的祝融号和美国的毅力号火星车同时出发，目前均在火星表面开展探测活动。我国由此成为第二个在火星上开展巡视探测的国家，也是唯一一个同时开展月球和火星巡视探测的国家。

　　祝融号火星车到达火星表面后，有关部门发布了火星车拍摄的照片，引起人们广泛关注。特别是看到利用WiFi分离探头从第三方视角拍摄的火星车与着陆平台的合影时，大家纷纷点赞祝融号火星车，并把这张图片称作“融融拍了拍陆陆”。

　　截至今年7月30日，祝融号火星车在火星表面已工作75个火星日，当天完成了对第二处沙丘地貌的科学探测。后续，它会利用表面成分探测仪和多光谱相机等科学载荷，对更多目标开展详细探测。

　　可以说，人们已了解到“融融”的可爱与敬业。那么，它有哪些技术特色呢？让我们一探究竟。

　　我们的设计定位为“二代半”

　　设计火星车之初，有国外专家问起中国第一辆火星车的设计定位。对于这个问题，我们给出的答复是：美国利用25年先后发展了三代火星车，单从重量的角度看，分别为第一代的10千克级别、第二代的100千克级别和第三代的1000千克级别，各方面的能力也随之不断提升。我们的祝融号火星车重量为240千克，仅从重量看，它属于第二代。

　　随着技术发展，我们的祝融号火星车设计定位是“二代半”。这个多出的“半代”，主要体现在火面移动、生存、自主技术等方面的先进性上。

　　主动悬架啥地形都不怕

　　火星表面地形复杂，既有陡坡、大石块，也有松软的沙地。美国火星车在工作过程中，曾遇到难以翻越的沙土质陡坡，也曾陷入沙土中无法移动。祝融号火星车采用了主动悬架移动系统，其目的就是使火星车在复杂地形条件下，具备较强的通过能力。

　　在平坦的硬路面上运动时，火星车保持主动悬架机构的主动关节锁定，此时悬架退化为被动悬架。遇到石块障碍比较高的情况，可利用主动悬架将车体抬高。在难以通过的软土沙地，特别是车轮发生较大沉陷无法顺利通过时，可采用尺蠖运动方式脱困。

　　首先，两个前轮向前运动，中轮和后轮不动，车体高度随之逐渐降低。然后，前轮不动，中轮、后轮前进，这个过程中车体高度逐渐抬高。接着，再持续重复上述过程。这样的尺蠖运动方式，运动效率虽然比较低，但沙地脱困效果非常好。

　　靠集热窗实现“保暖”

　　火星表面温度偏低，在火星车顶部，安装的像双筒望远镜一样的设备，叫作集热窗。窗口有一层薄膜，可见光能顺利透过，车体发出的远红外线却无法透出，从而起到保温效果。

　　阳光透过集热窗后，能量被一种叫作正十一烷的物质通过相变方式储存。火星白天温度升高，这种物质吸热融化；到了晚上温度下降时，这种物质会在凝固的过程中释放热能。能量的转换方式变成了“光能-热能-相变能-热能”，效率可达到80%以上。

　　当前，火星上正值盛夏，祝融号火星车会“感觉”稍稍有点热。不过，等火星到了秋季之后，收集热能的这个本领就会显示出效用了。

　　太阳能电池片像荷叶疏水一样除尘

　　在火星表面工作，不可避免地会受到火星尘的影响。最直接的影响，就是导致太阳能电池输出功率下降。因为火星车工作所需要的电能都来自太阳能，如果电能不足，火星车只能在火星表面“睡觉”。

　　在夏季，我们观察荷叶上的水珠，可以发现，荷叶与水间并没发生浸润，荷叶随风摇曳的过程中，水珠很容易滚落。借鉴自然界荷叶的疏水原理，科研人员在电池盖片上增加了超疏基微观结构。这些结构的尺寸比火星尘颗粒的特征尺寸还要小，当火星尘与之接触时，就相当于与一个纳米级的“针床”接触，而不是与一个平面接触。这大大减小了火星尘颗粒与电池片之间的接触面积，从而减弱了它们之间的附着力，使火星尘不易沉积，即便沉积后也更容易移除。

　　火星车采用了超疏基电池盖片，其中两个太阳翼还可调整到竖直状态，便于火星尘滑落。

　　超疏基微观结构的制备方法有很多种，火星车上采用的是湿化学腐蚀法。测试发现，改进后的太阳能电池片，除尘效果达到了80%以上，特别是对粒径75～125微米范围内的尘埃颗粒，除尘效果可达95%。

　　由自己决定何时“睡觉”何时“起床”

　　火星表面也会有局部沙尘天气，严重时甚至蔓延到火星的大部分地区，成为全球性沙尘暴。美国的机遇号火星车在火星表面工作了15年，就是因为一次严重的沙尘天气而中断了工作。

　　祝融号火星车如何应对这样的沙尘天气呢？研制者们为其设计了自主休眠唤醒功能。就是说，火星车会根据环境变化，自己决定何时“睡觉”何时“起床”。

　　在火星表面，当风速逐渐升高，出现沙尘天气时，火星车首先感觉到的是太阳能电池板输出的电能有些不够。每当黄昏时，电池电量都应该是满满的，“今天怎么这么少？”火星车赶紧计算明天工作需要多少电能。如果结论是“差一点”，那么火星车就会减少工作的设备，通过“过紧日子”的方式等到第二天；如果结论是“差很多，不够今天晚上用的”，那么火星车就会立即休眠，全系统断电。

　　这时，就需要祝融号火星车“过点苦日子”。设备的温度越来越低，最低可达-100℃以下。即便如此也没办法，火星车只能在寒冷中“睡觉”。

　　唤醒有两个必备条件：一个是等到沙尘天气过去，阳光越来越强，大气变得澄净、透明，火星车太阳翼的发电量可维持正常工作；另一个是火星车关键设备的温度符合工作要求，比如蓄电池可正常充电了。

　　等条件都满足了，不需要地面控制，火星车会自己“苏醒”，继续工作。

　　图像压缩算法一展强大功能

　　对陌生环境进行探索，图像信息无疑是最直观也是最核心的信息。图像信息中含有相当多的时间和空间冗余，因此图像信息的数据量非常大。

　　火星车执行任务的前3个月，火星与地球之间距离为3.2～3.8亿千米，从火星到地球的通信链路带宽受到很大限制，在深空数据源端对图像进行压缩，无疑是提高信息回传效率的必由之路。深空探测器资源宝贵而有限，火星车的数据处理能力不会像地面计算机这样强大。因此，需要根据火星探测任务的应用需求，统一考虑图像数据的压缩及传输两个环节，设计最优的图像数据压缩及传输方案。

　　针对火星探测任务中图像压缩处理需求，科研人员专门为祝融号火星车设计了图像压缩算法，实现了多种相机数据存储管理、图像压缩比灵活控制、质量渐进性传输、感兴趣区域优先编码、抗误码扩散和图像缩略图生成下传等功能，满足了火星车可靠、高效、灵活的图像应用需求。

　　(作者系中国空间技术研究院研究员)

【编辑:叶攀】