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 。
【探测|祝融号：靠什么巡视探测火星 有哪些技术特色？】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)
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