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2021年5月15日,天问一号乐成着陆火星,开启科学探索之旅。5月22日,中国首辆火星车“祝融号”行驶到火星外面,开展了环境感知、移动、科学探测等事情。昨日(6月11日),天问一号探测器着陆火星首批科学影像图已经宣布。在此前的月球探测义务中,月球车玉兔一号和玉兔二号每个月都市从月夜的休眠状态苏醒――它在严寒的月夜无法事情,每次要睡上相当于地球日约15天。而为了保障玉兔二号可以正常叫醒,探月工程团队做了许多起劲,积累了不少履历。现在,祝融号已经登上火星,那么祝融号在火星的晚上也要睡眠吗?火星探测团队又是若何看待这些问题?这篇文章将告诉你,“睡觉”真不是件轻松事儿。

撰文 | 南山

火星车也需要睡觉吗?若是你想直接获得结论,谜底是:可能也需要。若是想知道其中缘由,需要一点耐心。

祝融号实拍图

“着巡合影”图。火星车行驶至着陆平台南向约10米处,释放安装在车底部的星散相机,之后火星车退至着陆平台周围,由星散相机拍摄了火星车移动历程和火星车与着陆平台的合影。

从月球聊起

故事从17年前讲起,那时刻我们月球车研制团队最先思量设计中国的第一辆月面巡视探测器――实在就是月球车,设计把它送到月球去。遇到的问题有许多,其中一个难题就是月夜若何渡过。

在我们之前,苏联发射过两辆月球车,划分事情了10个月和4个月。他们的方式是行使同位素钋210衰变发生的热量,辅助月球车渡过严寒而漫长的月球夜晚。

这一句话需要加上三个注解。首先,月球的夜晚到底有多冷?实在苏联人那时也不知道月球夜晚的温度,经由剖析,估量约莫是零下150摄氏度。这样的温度,月球车上的装备一定受不了,需要接纳热控制措施,让装备在月夜能够恬静点儿。等到中国的嫦娥四号着陆器使用温差发电手艺直接丈量,得出月夜温度到达零下190摄氏度以下,那已经是五十年以后的事情了。

其次,月球的夜晚到底多漫长?地球外面夜晚一样平常连续12小时左右(纷歧般的主要指地球的南北极区域),而月球的自转要慢得多。人人都有个看法,阴历一个月或者是29天,或者是30天,这就是月球的一天。也就是说,月球的夜晚对应约莫15个地球日。若是时间短,人们可以接纳蓄电池在夜晚为装备加热,例如绕地球飞的人造卫星也会短暂进入到地球的阴影中,就是用蓄电池解决这个问题。可是月球夜晚时间这么长,若是接纳蓄电池,那所需容量的电池的重量差不多要占到月球车总重的一半,这显然不是一个好设施。

第三点要说明的是,同位素衰变是一种相对温顺的核反映,原子核放射出射线转变为另一种原子核。月球车行使的就是核反映历程中物质缓慢释放出的热量。钋210的半衰期是138天,也就是说,它经由138天后,其中一半已经衰酿成其余元素;再过138天,只剩下四分之一。衰变历程中会发生热量,随着时间的推移,发生的热量会变得越来越少。苏联的第一辆月球车,事情了十个月,最后就是由于同位素衰变释放出的热能衰减到不足以维持月球车晚上所需要的温度条件了。苏联的第二辆月球车只事情了四个月,这次倒不是由于热能衰减,而是由于车辆移动时太阳电池盖碰着地面,晚上盖子收拢时,就势把月壤洒在了车身上,影响车体散热,最终导致月球车因高温失效了。

在我们之前,美国人另有过三辆宇航员乘坐的月球车,然则只在月昼短暂事情,不需要住宿,和本文话题无关,不再赘述。

若是不解决过月夜的问题,我们的月球车只能在月球外面事情7~10天时间。花了这么多心思,只能事情一周,太惋惜了,以是我们在月球车设计之初就把若何渡过月球的夜晚看成必须解决的要害手艺问题。

方案形成

我们最最先的想法,就是行使一个大蓄电池。可是盘算下来月夜15天,月球车晚上需要的能量不会低于50瓦,这样电池的重量到达50公斤,靠近车总重量的一半。

这个方式不行,看来照样要用同位素。苏联人使用的钋210单元质量释放热量多,然则衰减太快,要想让月球车长时间事情,还要寻找其他的同位素放射源。

钚238的半衰期是约88年,在月球车的寿命期内,热量削减的幅度可以不用思量,显然是更好的手艺蹊径。

从下图中可以看到,钋210热源从生产出来,到10个月后释放的热量已经衰减到初值22%,而钚238热源在48个月后,只是衰减到最初的97%,转变很小。思量到热源生产出来到发射,再到在月面事情,钚238热源显然是一个更合适的选择。玉兔二号月球车已经在月球后头事情了两年多了,现在还测不到月夜提供到车内的热量有变小的征象。

热源选多大合适又是一个需要斟酌的问题。理论上在车内放个合适的热源问题就解决了,然则这部门热量在月球的日间也会源源不停地放出来。而月昼着陆点的温度很高,会靠近100摄氏度,再加上阳光普照,思量到装备事情发生的热量若何散出已经很难题,还要再加上日间同位素释放的热能,都要从车体内散出,我们着实是找不到解决的设施。

因此,我们提出把热源放在车体之外,只有晚上需要的时刻才将热量引入车体内部。沿着这个思绪,设计师研究开发了一种两相流体回路。日间回路停止,热量在车体外通过辐射的方式散热,只管热源温度会对照高,然则与月球车车体内部的装备关系不大;晚上阀门打开,流体回路最先事情,热源把工质氨从液态加热到气态,氨气顺着管路进入月球车车体内部,加热装备后重新酿成液态,云云循环。巧妙的是,这样的工质流动并不需要泵等驱动装备,只需要行使月球的重力,即可驱动回路的运行,保证回路在月夜可以可靠地事情。

玉兔号月球车

实在这部门热能也可以行使温差发电手艺部门转换为电能,只是转换效率不高,约莫5%。这样月球车晚上就可以一直有一个小功率的装备加电事情。传统上,卫星入轨事情后一直处于加电状态,断电意味卫星失效,沿着这样的头脑定势,最初设计师也思量月夜时刻月球车一直处于事情状态,举行最简朴的状态监测。

在手艺讨论的时刻,一位老专家思绪更坦荡,提出了差异意见。他示意有了热能,月球车不会冻坏,发电不是必须的,完全可以让月球车凭证阳光的转变自己叫醒,继续事情。

仔细细化光照叫醒思绪,确实这样做系统加倍简朴可靠。虽然不能实现丈量月夜温度等目的,然则在重量资源云云主要的事态下,光照叫醒的思绪确实是有优势的。

于是,月球车的两个太阳翼被赋予了更多的功效。右侧的太阳翼是可动的,最主要的功效是发电,晚上不需要发电的时刻,酿成月球车的被子,盖在车身上。若是在月球中午装备温度太高,这个太阳翼可以竖起酿成遮阳伞,简称“右翼三用”。

左侧太阳翼到月球后一次性睁开到位,就不能再动了。除了发电的功效,这个太阳翼特意设计成下倾10度,目的是为了在月球的早晨,早早接受东方升起的阳光。太阳翼发出电流上升的历程中,一旦到了特定的电流值,会驱动车上继电器动作,使月球车苏醒过来,最先新一天的事情。这时左侧太阳翼会用于发电,简称“左倾两用”。

第一次叫醒

2013年12月27日,在月面阳光高度角降到10度以下之后,地面团队执行一系列动作,最先控制玉兔休眠。

首先是找到合适的休眠地址。航向角要求是161~169度,也就是说,车头对着南偏东偏向(正东对应90度,正南对应180度),这样左侧的太阳翼基本对着东方,等着早晨的阳光。车头向东偏一点,是为了阻止早上阳光从车尾照到同位素热源。车头航向完全可以通过车体原地转向举行控制,控制目的局限也对照宽,对照容易实现。

车体俯仰角度要求也对照宽(1~14度),要求车头高、车尾低,便于流体回路在月球重力驱动下工质循环起来,找到这样的地形也相对容易。

最难题的是侧倾角要求-2~1度,允许局限只有3度,而且月球车没有调整侧倾角的能力,需要找到相符要求的地形,再把车开已往。要求这么严酷,是由于左侧向下倾斜10度的太阳翼将在太阳高度角为5度时,也就是在阳光相对电池片15度角时发出合适巨细的电流,月球车叫醒。若是车体左倾超限,意味着更早叫醒,周围环境太冷,还不适合继续事情,蓄电池的温度可能还没有升高到可以正常放电的水平;反之右倾超限,意味着叫醒太晚,在阳光和同位素热源的配合“烘烤”下,车内装备温度会变得太高。

在月球车设计休眠前一天,我们就最先在月球车周围寻找最可能相符要求的月夜停泊点。工程师们控制月球车开已往,效果丈量侧倾角为-4.0度,还不相符要求。时间流逝,逼我们用出最后的手段――刨土。通过右侧车轮前后旋转,月球车把土壤排开,让车轮下沉,估算右侧车轮下沉4.5厘米,车体侧倾角将改变3.2度,酿成了-0.75度,这时才相符了休眠的姿态要求。最后,我们发出了控制月球车休眠的一系列指令,玉兔进入梦乡。

预计2014年1月11日破晓4时,月球车才会被叫醒,玉兔这一觉要睡上半个月。到了11日那天,破晓3点整,我们几个设计师坐电梯来到操作大厅,没想到大厅门口围着很多多少人,我们心里纳闷,向导怎么来得这么早?

悄悄一问,很多多少人2点就到了,适才还在议论设计师怎么还没来,这么沉得住气?!我们赶快注释,月面上阳光斜照在左侧的太阳电池板上,太阳每升高一度需要2小时,必须要到划定的5度太阳高度角,太阳翼发出的电流才够叫醒条件,不能能提前2小时的。“怎么不早说”,有人一边散去,一边埋怨了一句。

时间过得很快,四点到了,设计师正襟危坐,守候着38万公里之外的新闻,可还没有消息。十分钟之后,在特定的频率上收到了载波信号,大厅里一片欢呼,月球车第一次自主叫醒!

厥后玉兔一号月球车又事情了两年半,然则由于机构控制泛起问题,太阳翼不能运动,车的叫醒酿成凭证两个太阳翼上的功率,知足平台装备事情需要后醒来,比最初设计的自主叫醒时间要晚上几个小时。

玉兔二号的休眠与叫醒

决议嫦娥四号要执行人类首次月球后头软着陆及巡视勘探义务之后,设计师们就在想月球车要举行哪些改善。在休眠叫醒方面,第一辆月球车休眠是靠地面指令控制实行的,到月球后头之后,地面和月球后头的探测器无法直接联系,只能依赖鹊桥号中继星辅助转达新闻。这里就有一点隐患,万一在月球车要休眠的时刻,信号被遮挡,或者中继星由于某种缘故原由那时不能提供中继服务怎么办?

因此设计师思量玉兔二号不只要自主叫醒,还要升级具备自主休眠功效。在阳光西斜时,不停监测太阳翼发出的电流,到了特定的电流数值,月球车会自己控制右侧太阳翼收拢,相当于自己盖上被子,准备住宿。

月球的后头,山地相对对照多,原本玉兔一号设计的是在太阳高度角大于5度时刻叫醒。在后头落点,若是东方的山高于5度仰角,意味着月球车从黑夜中一出来,车体温度还没有升高,稀奇是蓄电池中的电解液温度还太低,此时太阳翼电流却已经相符要求,车就会叫醒,需要蓄电池立刻输出电能配合叫醒,可这时电池还被冻得输不出电来,最后将会导致月球车叫醒失败,甚至永远失效。

伶俐的设计师想出来一个设施,调整月球车睡觉时刻的航向。在休眠之前,就需要凭证东方山的高度,调整车体朝向,保证不管山的高度若干,等到太阳再升高2度,已经把月球车和周围土壤的温度提高了,照射到左侧太阳翼上的阳光光强才知足叫醒要求,这时月球车醒来,就没有难题了。

方案不错,新的问题来了,必须在休眠之前知道东方山的高度,才气知道车头朝着哪个偏向睡觉合适。因此,刚到月面,工程师就组织了对地平线的高度角举行摄影,效果传来,东方山的高度只有不到3度,人人松了一口吻。

对地平线高度角摄影

现在玉兔二号已经在月球后头事情了两年多,成为在月球外面事情时间最长的月球车,行驶跨越了700米,休眠、叫醒历程已经举行了30多次,这个设计被证实是可靠的。

火星车的休眠与叫醒

最最先设计“祝融号”火星车的时刻,我们感受并不需要稀奇为它设计休眠叫醒功效,由于火星的一天为24小时40分钟(与地球的一天很靠近,不聊极区的极昼、极夜征象)――使用蓄电池供电,渡偏激星的夜晚没有问题。

有趣的是,火星绕太阳公转的轨道不像地球轨道那么圆,严酷地剖析火星一天的时长,会有几分钟的差异,这也是在火星车设计时必须要思量的。

随着剖析加倍深入,我们又发现了新问题。火星上是有可能发生沙尘暴的,这时刻火星车的能源供应会泛起问题,这种尘暴的时间有长有短,蓄电池不足以支持火星车一直事情。

尘暴是火星车可能休眠的一个缘故原由,另一个缘故原由则是火星的冬季。由于自转轴与轨道面偏向呈25.2度的交角(地球是23.5度,又很相近),火星也有四序,不外每个季节的长度靠近6个月,是地球一个季度时间长度的2倍。

火星车着陆点的纬度位于北回归线周围,缘故原由是在3个月的寿命期内这里光照条件对照好。然则若是到了一年之后,阳光直射点逐步南移到赤道以南,火星车事情地址将逐渐迎来北半球的冬天,太阳再也不会从车顶经由,在南方升高到高度角约40度时就最先下降了,光照条件变差,火星外面的最高温度逐渐降低,这时火星车的能源也会不足。

火星车距离地球遥远,若是发生情形由地面判断举行休眠处置一定来不及,因此,在玉兔号上使用的自主休眠叫醒手艺再次被派上用场,不外这次方式变得更庞大了。由于休眠时间事先无法预知,火星车不会直接感受到尘暴刮来,也不会直接知道火星的冬天到了。

应对的方式是,天天太阳快要落山的时刻,火星车在蓄电池最先放电时就要判断一下蓄电池是不是处于靠近满充状态。若是当前蓄电池电量不理想,无法渡过今夜,那就要决议休眠,尽可能保留蓄电池电量了。

什么时刻叫醒合适呢?一个条件是太阳翼发电足够,足够的意思是,既知足叫醒后火星车事情的需要,还要保证有一部门富余的能量给蓄电池充电,保证火夜的需要。另外一个条件是蓄电池的温度,由于蓄电池温度太低,有电也充不进去。手艺实现的手段就是把电流判断和温度判断都做成了硬件电路,只有两个条件都知足后,火星车才会自主叫醒。

叫醒之后另有一件主要的事情就是让地面尽快知道,然则能源这时刻照样很主要,为了节约电能,火星车不能一直对外宣布已经叫醒的新闻,这可怎么办呢?火星车的设计师们想到了一个古老的设施,看太阳估量时间。醒来之后的火星车,若是发现长时间没人理,就会看看太阳,确定一下火星时间,然后只在特定的时段发送“我醒了”,地面的工程师就知道什么时刻和火星车联系概率最大了。

就像是两小我私人去探险,约定万一失去联系,都在特定的时段发送联系信号,这样找到对方的可能性就大大提高了。

“中国印迹”图。“祝融号”火星车行驶到着陆平台东偏南60°偏向约6米处,拍摄的着陆平台影像图,可清晰地看到着陆平台上的五星红旗和火星地表细节。

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