“祝融號”已駛到火星表面在火星上開車和月球有何不同?
“祝融號”火星車已安全駛離著陸平台,到達火星表面,開始巡視探測。天問一號任務的科學目標是研究火星形貌與地質構造特徵、火星表面土壤特徵與水冰分佈、火星表面物質組成、火星大氣電離層及表面氣候與環境特徵、火星物理場與內部結構等。
探測器自2020年7月23日發射以來,在地火轉移飛行、環火軌道運行期間,環繞器配置的中分辨率相機、高分辨率相機、礦物光譜分析儀、磁強計等7台科學載荷陸續開機探測,獲取科學數據。火面工作期間,火星車將按計劃開展巡視區環境感知、火面移動和科學探測,通過配置的地形相機、多光譜相機、次表層探測雷達、表面成分探測儀等6台載荷,對巡視區開展詳細探測。同時,中國航天科技集團八院抓總研製的環繞器將運行在中繼軌道,為火星車巡視探測提供穩定的中繼通信,兼顧開展環繞探測。
航天八院811所承擔了火星車電源產品的研製任務,同樣作為月球車電源產品的研製單位,針對火星和月球兩種截然不同的環境,火星車和月球車電源產品有哪些區別呢?怎樣把控更複雜的休眠喚醒?
不同於月球,火星上有大氣,當大氣運動引起的巨大沙塵暴讓火星車受到沙塵的遮蓋時,接收到的太陽光能量急劇下降,這時就必須為火星車設計一個“休眠”模式,耐心等待沙塵暴過去。其次,火星上有明顯的四季變化,當進入火星深秋後,光照強度會持續減弱,而火星太陽輻照強度僅為月球表面的20%,這時,火星車需要進入長期的“冬眠”,直至第二年的春季到來。
同時,考慮到火星氣候的複雜性,火晝時鋰離子蓄電池可能會面臨聯合供電進而導致充電量不足的情況,研製人員也為火夜制定了一份休眠喚醒“備份”計劃:在火晝轉火夜前,對鋰離子蓄電池的剩餘電量進行判讀,當蓄電池的剩餘電量不足以支撐火星車度過火夜時,火星車轉入休眠狀態。如何及時並準確地判斷鋰離子蓄電池的剩餘容量就顯得至關重要。
鋰離子蓄電池設計師王曉銳介紹,目前航天器在軌的鋰離子蓄電池容量判讀方法一般有兩種,安時計和查表法,“但由於火星光強不足導致蓄電池火晝時不能充滿電,安時計無法進行滿充校準,累積誤差會越來越大;且地火來回通信至少需要30分鐘,導致查表法不能及時準確判斷蓄電池剩餘容量。為此,我們採用了將安時計和查表法結合使用的方式。”
電源控制器設計師陳達興介紹,“與月球車不同的是,火星車鋰離子蓄電池不具備保溫設備,若沒有從-90℃的最低溫度恢復到-15℃的工作溫度,即使喚醒了,也無法正常開展工作。休眠的時候整器會斷電,至於什麼時候再喚醒,我們需要先參考鋰離子蓄電池的溫度。”
研製人員給鋰離子蓄電池增加了溫度繼電器,用來判斷鋰離子蓄電池的溫度。當太陽能電池重新開始工作後,優先給鋰離子蓄電池加熱,待加到-15℃左右,溫度繼電器自動閉合,火星車真正喚醒。
深空探測任務中,航天器唯一的能量來源,就是太陽的能量。在火星車上,有四塊“特別訂製”的太陽能電池陣,為了順利完成此次火星車的預定任務,它們經歷了一段不平凡的研製歷程。
如果說月球巨大的晝夜溫差是研製人員面臨的最大難題,那火星上的未知光譜更讓811所研製人員頭疼。
通過查閱大量的文獻資料、對火星光譜仿真、與國際的相關資料比對分析,研製人員確定了火星光譜條件,奠定了研製工作的基礎。
火星表面的光譜與地球軌道、月球軌道的光譜不同,這就意味著火星車太陽電池的“與眾不同”。研製人員對太陽電池進行了重新設計,根據火星的光譜作了相應的調整和優化。但受火星車自身體積重量限制,以及火星表面光照條件、火星塵埃等自然環境條件影響,太陽電池陣的發電能力被大大削弱,該如何解決這一問題?
研製人員創新性地在火星探測任務上首次使用了最大功率跟踪技術,這也是該技術在國內航天領域的首次在軌應用,陳達興表示:“跟踪精度高達98%,相比傳統電路,提高了太陽電池20%的利用效率,既解決了火星車能源緊張問題,也在減少太陽電池陣面積的同時減輕了電源產品的重量。”
火星塵埃在太陽電池表面的堆積也會極大影響火星車的能量獲取效率。研製人員為此開展了關鍵技術攻關,通過表面處理和結構設計在太陽電池玻璃蓋片表面做了特殊塗層,“表面處理在於降低火星塵埃和太陽電池的相互吸引力,結構設計在於減少兩者的接觸面積,這些都通過了驗證,滿足了要求。”太陽電池設計師王文強說。