祝融號(hào)：靠什么巡視探測(cè)火星
■賈 陽(yáng)
2020年發(fā)射窗口，中國(guó)的祝融號(hào)和美國(guó)的毅力號(hào)火星車同時(shí)出發(fā)，目前均在火星表面開展探測(cè)活動(dòng)。我國(guó)由此成為第二個(gè)在火星上開展巡視探測(cè)的國(guó)家，也是唯一一個(gè)同時(shí)開展月球和火星巡視探測(cè)的國(guó)家。
祝融號(hào)火星車到達(dá)火星表面后，有關(guān)部門發(fā)布了火星車拍攝的照片，引起人們廣泛關(guān)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(tái)的合影時(shí)，大家紛紛點(diǎn)贊祝融號(hào)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(hào)火星車在火星表面已工作75個(gè)火星日，當(dāng)天完成了對(duì)第二處沙丘地貌的科學(xué)探測(cè)。后續(xù)，它會(huì)利用表面成分探測(cè)儀和多光譜相機(jī)等科學(xué)載荷，對(duì)更多目標(biāo)開展詳細(xì)探測(cè)。
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(shù)特色呢？讓我們一探究竟。
我們的設(shè)計(jì)定位為“二代半”
設(shè)計(jì)火星車之初，有國(guó)外專家問起中國(guó)第一輛火星車的設(shè)計(jì)定位。對(duì)于這個(gè)問題，我們給出的答復(fù)是：美國(guó)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(jí)別、第二代的100千克級(jí)別和第三代的1000千克級(jí)別，各方面的能力也隨之不斷提升。我們的祝融號(hào)火星車重量為240千克，僅從重量看，它屬于第二代。
隨著技術(shù)發(fā)展，我們的祝融號(hào)火星車設(shè)計(jì)定位是“二代半”。這個(gè)多出的“半代”，主要體現(xiàn)在火面移動(dòng)、生存、自主技術(shù)等方面的先進(jìn)性上。
主動(dòng)懸架啥地形都不怕
火星表面地形復(fù)雜，既有陡坡、大石塊，也有松軟的沙地。美國(guó)火星車在工作過程中，曾遇到難以翻越的沙土質(zhì)陡坡，也曾陷入沙土中無法移動(dòng)。祝融號(hào)火星車采用了主動(dòng)懸架移動(dòng)系統(tǒng)，其目的就是使火星車在復(fù)雜地形條件下，具備較強(qiáng)的通過能力。
在平坦的硬路面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，火星車保持主動(dòng)懸架機(jī)構(gòu)的主動(dòng)關(guān)節(jié)鎖定，此時(shí)懸架退化為被動(dòng)懸架。遇到石塊障礙比較高的情況，可利用主動(dòng)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(shí)，可采用尺蠖運(yùn)動(dòng)方式脫困。
首先，兩個(gè)前輪向前運(yùn)動(dòng)，中輪和后輪不動(dòng)，車體高度隨之逐漸降低。然后，前輪不動(dòng)，中輪、后輪前進(jìn)，這個(gè)過程中車體高度逐漸抬高。接著，再持續(xù)重復(fù)上述過程。這樣的尺蠖運(yùn)動(dòng)方式，運(yùn)動(dòng)效率雖然比較低，但沙地脫困效果非常好。
靠集熱窗實(shí)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(yuǎn)鏡一樣的設(shè)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(yuǎn)紅外線卻無法透出，從而起到保溫效果。
陽(yáng)光透過集熱窗后，能量被一種叫作正十一烷的物質(zhì)通過相變方式儲(chǔ)存。火星白天溫度升高，這種物質(zhì)吸熱融化；到了晚上溫度下降時(shí)，這種物質(zhì)會(huì)在凝固的過程中釋放熱能。能量的轉(zhuǎn)換方式變成了“光能-熱能-相變能-熱能”，效率可達(dá)到80%以上。
當(dāng)前，火星上正值盛夏，祝融號(hào)火星車會(huì)“感覺”稍稍有點(diǎn)熱。不過，等火星到了秋季之后，收集熱能的這個(gè)本領(lǐng)就會(huì)顯示出效用了。
太陽(yáng)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(huì)受到火星塵的影響。最直接的影響，就是導(dǎo)致太陽(yáng)能電池輸出功率下降。因?yàn)榛鹦擒嚬ぷ魉枰碾娔芏紒碜蕴?yáng)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(rùn)，荷葉隨風(fēng)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(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的尺寸比火星塵顆粒的特征尺寸還要小，當(dāng)火星塵與之接觸時(shí)，就相當(dāng)于與一個(gè)納米級(jí)的“針床”接觸，而不是與一個(gè)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(gè)太陽(yáng)翼還可調(diào)整到豎直狀態(tài)，便于火星塵滑落。
超疏基微觀結(jié)構(gòu)的制備方法有很多種，火星車上采用的是濕化學(xué)腐蝕法。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的太陽(yáng)能電池片，除塵效果達(dá)到了80%以上，特別是對(duì)粒徑75～125微米范圍內(nèi)的塵埃顆粒，除塵效果可達(dá)95%。
由自己決定何時(shí)“睡覺”何時(shí)“起床”
火星表面也會(huì)有局部沙塵天氣，嚴(yán)重時(shí)甚至蔓延到火星的大部分地區(qū)，成為全球性沙塵暴。美國(guó)的機(jī)遇號(hào)火星車在火星表面工作了15年，就是因?yàn)橐淮螄?yán)重的沙塵天氣而中斷了工作。
祝融號(hào)火星車如何應(yīng)對(duì)這樣的沙塵天氣呢？研制者們?yōu)槠湓O(shè)計(jì)了自主休眠喚醒功能。就是說，火星車會(huì)根據(jù)環(huán)境變化，自己決定何時(shí)“睡覺”何時(shí)“起床”。
在火星表面，當(dāng)風(fēng)速逐漸升高，出現(xiàn)沙塵天氣時(shí)，火星車首先感覺到的是太陽(yáng)能電池板輸出的電能有些不夠。每當(dāng)黃昏時(shí)，電池電量都應(yīng)該是滿滿的，“今天怎么這么少？”火星車趕緊計(jì)算明天工作需要多少電能。如果結(jié)論是“差一點(diǎn)”，那么火星車就會(huì)減少工作的設(shè)備，通過“過緊日子”的方式等到第二天；如果結(jié)論是“差很多，不夠今天晚上用的”，那么火星車就會(huì)立即休眠，全系統(tǒng)斷電。
這時(shí)，就需要祝融號(hào)火星車“過點(diǎn)苦日子”。設(shè)備的溫度越來越低，最低可達(dá)-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(gè)必備條件：一個(gè)是等到沙塵天氣過去，陽(yáng)光越來越強(qiáng)，大氣變得澄凈、透明，火星車太陽(yáng)翼的發(fā)電量可維持正常工作；另一個(gè)是火星車關(guān)鍵設(shè)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(huì)自己“蘇醒”，繼續(xù)工作。
圖像壓縮算法一展強(qiáng)大功能
對(duì)陌生環(huán)境進(jìn)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(dāng)多的時(shí)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(wù)的前3個(gè)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(duì)圖像進(jìn)行壓縮，無疑是提高信息回傳效率的必由之路。深空探測(cè)器資源寶貴而有限，火星車的數(shù)據(jù)處理能力不會(huì)像地面計(jì)算機(jī)這樣強(qiáng)大。因此，需要根據(jù)火星探測(cè)任務(wù)的應(yīng)用需求，統(tǒng)一考慮圖像數(shù)據(jù)的壓縮及傳輸兩個(gè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)最優(yōu)的圖像數(shù)據(jù)壓縮及傳輸方案。
針對(duì)火星探測(cè)任務(wù)中圖像壓縮處理需求，科研人員專門為祝融號(hào)火星車設(shè)計(jì)了圖像壓縮算法，實(shí)現(xiàn)了多種相機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、圖像壓縮比靈活控制、質(zhì)量漸進(jìn)性傳輸、感興趣區(qū)域優(yōu)先編碼、抗誤碼擴(kuò)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(yīng)用需求。
(作者系中國(guó)空間技術(shù)研究院研究員)
