作为中国第一辆火星车,你可能想不到,它竟

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文章转载自“格致论道讲坛”

龙楼镇外紫贝东，

不是将军是书生。

百尺箭，万钧弓，

云霄欲上第五重。

贾阳·中国空间技术研究院总体部研究员

格致论道第71期

年8月28日北京

贾阳：祝融号火星车30:15来自中科院地质地球所

大家好，我是贾阳，一名航天工程师，也是科普书《月球车与火星车》的作者。今天想和大家聊一聊如何做一辆漂亮的火星车。

实际上我们不是第一个去火星的国家。在更早的时候，就已经有一些国家的航天器在火星的轨道上环绕和在火星的表面上降落，传回来了很多图片。

这张是我最喜欢的。通过把不同谱段的图像处理成伪彩，然后就形成了这样一张火星地貌的图片。

到了冬季，火星上的二氧化碳也觉得冷，不愿意在空中飞舞，就会凝结到火星的表面上。我的老家在东北吉林，那里有一种景致叫做雾凇，我们当地人称为树挂。火星上没有树，所以干冰就只能挂在地上。

火星上有时会有比较严重的沙尘暴，那么就会形成各种各样的风蚀地貌。

火星也是有四季的。陨石坑里的温度有时候高一些，有时候低一些，这就会导致陨石坑里二氧化碳和水冰的冷凝物时大时小，反映出火星季节的变化。

在火星的表面上，还有疑似过去的河谷。我在想，如果有一天我们能够改造火星，是不是可以把这里规划为一个景点，用来做漂流。

做一辆漂亮的火星车

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火星这么美，那我们也要做一辆漂亮的火星车才能和它匹配。

实现了火星环绕的国家有很多，包括苏联、美国、日本、印度等国家，所以下图所展示的围绕火星的外圈相对来说就比较大。中国的“天问一号”环绕器就在图片上方偏左一点的位置上。

▲火星大家庭

图片中火星的表面上有若干个探测器，有些是落到表面之后静止不动的，也有些是能够在火星表面上行驶的火星车。这些都是美国的，只有正上方的“祝融号”是例外。

我们是第二个实现在火星表面巡视探测的国家。“祝融号”火星车行驶的时候还有一个意义，也就是我们现在是世界上唯一一个同时开展月球和火星巡视探测的国家，我们亲历和见证了中国航天快速发展的历程。

那么，这个探测器包括火星车是怎么设计的，设计成什么样子了呢？

▲“天问一号”探测器

“天问一号”探测器分为上下两层楼。下层叫做环绕探测器，只在火星的轨道上飞，不会落到火星的表面上去；像飞碟一样的上层才会真正进入到火星的大气层，然后着陆到火星的表面上。

在降落的过程中，探测器下方呈弧形的大底和上方的背罩都被抛掉了。到了火星表面上，真正稳稳落下来的就是中间的着陆平台和火星车。

年7月，长征五号系列运载火箭，又称“胖五”，从海南文昌出发，把“天问一号”送入了奔火的轨道。

▲探测器的运动轨道——霍曼转移轨道

飞行的过程实际上就是绕着太阳转，探测器的运行轨道是一个椭圆的轨道，与地球和火星都有相交的对应点。这个轨道有个很著名的名字，叫做霍曼转移轨道，它是最省能量的轨道。

到了火星附近，探测器又绕着火星飞了三个月。这是在做什么呢？我们有两个目的：一是看看我们要去的地方选的对不对，做进一步的确认；二是要等一下时间。如果马上降落，落完之后恰好接近黄昏，我们来不及给火星车充电就进入火星的夜晚了。

我们等了三个月，每个月对应着一个小时。最终落火的时候对应下午两点钟，相对来说后面阳光照射的时间比较充足，保证火星车是满电状态进入火星的夜晚。

▲探测器的进入、下降和着陆（EDL）过程

降落的过程一共是9分钟左右，分成四个阶段。最开始的降落速度是每秒4公里到5公里之间，接近5公里。第一阶段是气动减速段，空气的阻力基本会减掉它90%的速度或者说99%的能量。

第二阶段是降落伞减速段，它会进一步减速，最后速度就会变为匀速，也就是每秒60米。

第三阶段是动力减速段，发动机开始工作，在火星表面上空选择更精细的着陆位置。如果这个点合适，那就直接降落。如果不合适，它可以做有限的位置改变，横向地机动到另外一个相对更安全的位置，再落下去。

第四阶段是着陆缓冲段，靠着陆平台下面四条腿，缓冲最后一点点能量，稳稳地落在火星表面上。

整个进入、下降和着陆（EDL）过程比较复杂，所以我们要在地面进行充分的试验。

这就是试验的设备。曾经有很多记者和外国使节到这里来参观，绝大多数人都是从正面照一张照片。我想有点创意，于是等这些记者和使节走了之后，我晚上来到这个架子的下面，对着正上方拍了多张照片。然后选择其中的一部分，大概是89张，凑成了这张图片。

大家有没有喜欢星野，或者是拍摄星轨的？如果有的话，可能会质疑这个星轨为什么不是连续的。但其实我是故意的，留下来的星轨是：划、点划划、划点点点划（应为划点点点点划）、点划划划划对应的摩尔斯密码，翻译后的意思是“天问一号”。

我给这张照片起了两个名字，比较俗的名字是《天上的星星会说话》，比较雅的名字是《星辰密语》，算是表达启程之前的祝福吧。

最终，我们的探测器顺利地落到了火星的表面，这就是一段对应的录像。

▲环境感知、科学探测、火面移动

这是我们的火星车工作的一个想象图。它最开始被设计为3天走7米，但由于能源比较充足，通信条件也比较好，实际的情况是一天走了20米。目前大概走了超过米，已经运行了天。

火星车“祝融号”是怎么设计的呢？最开始我们的想法是，要有一个相对比较大的太阳翼，因为火星距离太阳比月球更远。于是，我们就把电池板做成了一个像屋顶一样的形状。

▲火星车“祝融号”太阳翼的进化史

分析之后发现不行，因为在火箭发射的时候会有剧烈的振动，太阳翼承受不了。那我们就把它压紧，压紧之后发现面积不够了，所以就把它变成了4片，向后展开。

如果火星车到了火星表面后，向前驶离着陆平台，这是没有问题的。但如果要向后走，那后面的两个太阳翼就会触地了。所以，我们又做了进一步的调整，就是把后面的两个太阳翼向侧后方调了一定的角度。

▲太阳翼的各种设计方案

在整个设计过程中，我们设计过很多太阳翼的方案，包括一个圆盘形状的，或者两个圆盘形状的，甚至还曾经设计过类似于蝙蝠翅膀的样子。

整个演化过程到了最后收官的时候，我们发现我们设计的火星车很像一只蝴蝶，而且是一只蓝色的闪蝶。为了证明我们的灵感来自于蝴蝶，我特意去网上买了一个蝴蝶标本，放在我的办公桌上。

火星车的五大法宝

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那么，火星车有什么本领？火星上有什么样的困难在等待着我们呢？至少是有四个方面的困难，我们准备了五个法宝来应对。

第一个困难就是火星表面的石块比较多，地形比较复杂，容易把火星车的车轮扎破。为了应对这个困难，我们为“祝融号”准备了主动悬架。这就好比一般家里的小轿车底盘是不能够升高的，但有一些越野车辆在遇到特定地形的时候可以把底盘抬高，这就叫做主动悬架。

▲主动悬架的不同工作模式（左）

主动悬架示意（右）

其实“祝融号”的本领还不止这些。如果它遇到了沉陷，即整个车轮大部分都已经陷在沙子里，那么火星车有一个本领可以用来应对。

它的前轮向前行驶，中轮和后轮先不动，整个过程中车身降低；接下来前轮不动，中轮和后轮再向前行驶，过程中车身再抬高。这个过程就像一只小虫子在蠕动。这样做的好处就是它能够轻松地从沉陷的沙土地里走出来，因为火星车在火星上工作的时候没有4S店，也没有救援车辆。

第二个要