2021年5月15日,天問一號(hào)成功著陸火星,開啟科學(xué)探索之旅。5月22日,中國(guó)首輛火星車“祝融號(hào)”行駛到火星表面,開展了環(huán)境感知、移動(dòng)、科學(xué)探測(cè)等工作。昨日(6月11日),天問一號(hào)探測(cè)器著陸火星首批科學(xué)影像圖已經(jīng)發(fā)布。在此前的月球探測(cè)任務(wù)中,月球車玉兔一號(hào)和玉兔二號(hào)每個(gè)月都會(huì)從月夜的休眠狀態(tài)蘇醒——它在寒冷的月夜無法工作,每次要睡上相當(dāng)于地球日約15天。而為了保障玉兔二號(hào)可以正常喚醒,探月工程團(tuán)隊(duì)做了很多努力,積累了不少經(jīng)驗(yàn)。如今,祝融號(hào)已經(jīng)登上火星,那么祝融號(hào)在火星的晚上也要睡眠嗎?火星探測(cè)團(tuán)隊(duì)又是如何看待這些問題?這篇文章將告訴你,“睡覺”真不是件輕松事兒。
撰文 | 南山
火星車也需要睡覺嗎?如果你想直接得到結(jié)論,答案是:可能也需要。如果想知道個(gè)中緣由,需要一點(diǎn)耐心。
祝融號(hào)實(shí)拍圖
“著巡合影”圖。火星車行駛至著陸平臺(tái)南向約10米處,釋放安裝在車底部的分離相機(jī),之后火星車退至著陸平臺(tái)附近,由分離相機(jī)拍攝了火星車移動(dòng)過程和火星車與著陸平臺(tái)的合影。
從月球聊起
故事從17年前講起,那時(shí)候我們?cè)虑蜍囇兄茍F(tuán)隊(duì)開始考慮設(shè)計(jì)中國(guó)的第一輛月面巡視探測(cè)器——其實(shí)就是月球車,計(jì)劃把它送到月球去。遇到的問題有很多,其中一個(gè)難題就是月夜如何度過。
在我們之前,蘇聯(lián)發(fā)射過兩輛月球車,分別工作了10個(gè)月和4個(gè)月。他們的方法是利用同位素釙210衰變產(chǎn)生的熱量,幫助月球車度過寒冷而漫長(zhǎng)的月球夜晚。
這一句話需要加上三個(gè)注解。首先,月球的夜晚到底有多冷?其實(shí)蘇聯(lián)人當(dāng)時(shí)也不知道月球夜晚的溫度,經(jīng)過分析,估計(jì)大約是零下150攝氏度。這樣的溫度,月球車上的設(shè)備肯定受不了,需要采取熱控制措施,讓設(shè)備在月夜能夠舒服點(diǎn)兒。等到中國(guó)的嫦娥四號(hào)著陸器使用溫差發(fā)電技術(shù)直接測(cè)量,得出月夜溫度達(dá)到零下190攝氏度以下,那已經(jīng)是五十年以后的事情了。
其次,月球的夜晚到底多漫長(zhǎng)?地球表面夜晚一般持續(xù)12小時(shí)左右(不一般的主要指地球的兩極地區(qū)),而月球的自轉(zhuǎn)要慢得多。大家都有個(gè)概念,農(nóng)歷一個(gè)月或者是29天,或者是30天,這就是月球的一天。也就是說,月球的夜晚對(duì)應(yīng)大約15個(gè)地球日。如果時(shí)間短,人們可以采用蓄電池在夜晚為設(shè)備加熱,例如繞地球飛的人造衛(wèi)星也會(huì)短暫進(jìn)入到地球的陰影中,就是用蓄電池解決這個(gè)問題??墒窃虑蛞雇頃r(shí)間這么長(zhǎng),如果采用蓄電池,那所需容量的電池的重量差不多要占到月球車總重的一半,這顯然不是一個(gè)好辦法。
第三點(diǎn)要說明的是,同位素衰變是一種相對(duì)溫和的核反應(yīng),原子核放射出射線轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子核。月球車?yán)玫木褪呛朔磻?yīng)過程中物質(zhì)緩慢釋放出的熱量。釙210的半衰期是138天,也就是說,它經(jīng)過138天后,其中一半已經(jīng)衰變成別的元素;再過138天,只剩下四分之一。衰變過程中會(huì)產(chǎn)生熱量,隨著時(shí)間的推移,產(chǎn)生的熱量會(huì)變得越來越少。蘇聯(lián)的第一輛月球車,工作了十個(gè)月,最后就是因?yàn)橥凰厮プ冡尫懦龅臒崮芩p到不足以維持月球車晚上所需要的溫度條件了。蘇聯(lián)的第二輛月球車只工作了四個(gè)月,這次倒不是因?yàn)闊崮芩p,而是由于車輛移動(dòng)時(shí)太陽電池蓋碰到地面,晚上蓋子收攏時(shí),就勢(shì)把月壤灑在了車身上,影響車體散熱,最終導(dǎo)致月球車因高溫失效了。
在我們之前,美國(guó)人還有過三輛宇航員乘坐的月球車,但是只在月晝短暫工作,不需要過夜,和本文話題無關(guān),不再贅述。
如果不解決過月夜的問題,我們的月球車只能在月球表面工作7~10天時(shí)間?;诉@么多心思,只能工作一周,太可惜了,所以我們?cè)谠虑蜍囋O(shè)計(jì)之初就把如何度過月球的夜晚當(dāng)作必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。
方案形成
我們最開始的想法,就是利用一個(gè)大蓄電池??墒怯?jì)算下來月夜15天,月球車晚上需要的能量不會(huì)低于50瓦,這樣電池的重量達(dá)到50公斤,接近車總重量的一半。
這個(gè)方法不行,看來還是要用同位素。蘇聯(lián)人使用的釙210單位質(zhì)量釋放熱量多,但是衰減太快,要想讓月球車長(zhǎng)時(shí)間工作,還要尋找其他的同位素放射源。
钚238的半衰期是約88年,在月球車的壽命期內(nèi),熱量減少的幅度可以不用考慮,顯然是更好的技術(shù)路線。
從下圖中可以看到,釙210熱源從生產(chǎn)出來,到10個(gè)月后釋放的熱量已經(jīng)衰減到初值22%,而钚238熱源在48個(gè)月后,只是衰減到最初的97%,變化很小??紤]到熱源生產(chǎn)出來到發(fā)射,再到在月面工作,钚238熱源顯然是一個(gè)更合適的選擇。玉兔二號(hào)月球車已經(jīng)在月球背面工作了兩年多了,現(xiàn)在還測(cè)不到月夜提供到車內(nèi)的熱量有變小的現(xiàn)象。
熱源選多大合適又是一個(gè)需要斟酌的問題。理論上在車內(nèi)放個(gè)合適的熱源問題就解決了,但是這部分熱量在月球的白天也會(huì)源源不斷地放出來。而月晝著陸點(diǎn)的溫度很高,會(huì)接近100攝氏度,再加上陽光普照,考慮到設(shè)備工作產(chǎn)生的熱量如何散出已經(jīng)很困難,還要再加上白天同位素釋放的熱能,都要從車體內(nèi)散出,我們實(shí)在是找不到解決的辦法。
因此,我們提出把熱源放在車體之外,只有晚上需要的時(shí)候才將熱量引入車體內(nèi)部。沿著這個(gè)思路,設(shè)計(jì)師研究開發(fā)了一種兩相流體回路。白天回路截止,熱量在車體外通過輻射的方式散熱,盡管熱源溫度會(huì)比較高,但是與月球車車體內(nèi)部的設(shè)備關(guān)系不大;晚上閥門打開,流體回路開始工作,熱源把工質(zhì)氨從液態(tài)加熱到氣態(tài),氨氣順著管路進(jìn)入月球車車體內(nèi)部,加熱設(shè)備后重新變成液態(tài),如此循環(huán)。巧妙的是,這樣的工質(zhì)流動(dòng)并不需要泵等驅(qū)動(dòng)設(shè)備,只需要利用月球的重力,即可驅(qū)動(dòng)回路的運(yùn)行,保證回路在月夜可以可靠地工作。
玉兔號(hào)月球車
其實(shí)這部分熱能也可以利用溫差發(fā)電技術(shù)部分轉(zhuǎn)換為電能,只是轉(zhuǎn)換效率不高,大約5%。這樣月球車晚上就可以一直有一個(gè)小功率的設(shè)備加電工作。傳統(tǒng)上,衛(wèi)星入軌工作后一直處于加電狀態(tài),斷電意味衛(wèi)星失效,沿著這樣的思維定勢(shì),最初設(shè)計(jì)師也考慮月夜時(shí)候月球車一直處于工作狀態(tài),進(jìn)行最簡(jiǎn)單的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
在技術(shù)討論的時(shí)候,一位老專家思路更開闊,提出了不同意見。他表示有了熱能,月球車不會(huì)凍壞,發(fā)電不是必需的,完全可以讓月球車根據(jù)陽光的變化自己?jiǎn)拘?,繼續(xù)工作。
仔細(xì)細(xì)化光照喚醒思路,確實(shí)這樣做系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單可靠。雖然不能實(shí)現(xiàn)測(cè)量月夜溫度等目標(biāo),但是在重量資源如此緊張的局面下,光照喚醒的思路確實(shí)是有優(yōu)勢(shì)的。
于是,月球車的兩個(gè)太陽翼被賦予了更多的功能。右側(cè)的太陽翼是可動(dòng)的,最主要的功能是發(fā)電,晚上不需要發(fā)電的時(shí)候,變成月球車的被子,蓋在車身上。如果在月球中午設(shè)備溫度太高,這個(gè)太陽翼可以豎起變成遮陽傘,簡(jiǎn)稱“右翼三用”。
左側(cè)太陽翼到月球后一次性展開到位,就不能再動(dòng)了。除了發(fā)電的功能,這個(gè)太陽翼特意設(shè)計(jì)成下傾10度,目的是為了在月球的早晨,早早接受東方升起的陽光。太陽翼發(fā)出電流上升的過程中,一旦到了特定的電流值,會(huì)驅(qū)動(dòng)車上繼電器動(dòng)作,使月球車蘇醒過來,開始新一天的工作。這時(shí)左側(cè)太陽翼會(huì)用于發(fā)電,簡(jiǎn)稱“左傾兩用”。
第一次喚醒
2013年12月27日,在月面陽光高度角降到10度以下之后,地面團(tuán)隊(duì)執(zhí)行一系列動(dòng)作,開始控制玉兔休眠。
首先是找到合適的休眠地點(diǎn)。航向角要求是161~169度,也就是說,車頭對(duì)著南偏東方向(正東對(duì)應(yīng)90度,正南對(duì)應(yīng)180度),這樣左側(cè)的太陽翼基本對(duì)著東方,等著清晨的陽光。車頭向東偏一點(diǎn),是為了避免早上陽光從車尾照到同位素?zé)嵩?。車頭航向完全可以通過車體原地轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制,控制目標(biāo)范圍也比較寬,比較容易實(shí)現(xiàn)。
車體俯仰角度要求也比較寬(1~14度),要求車頭高、車尾低,便于流體回路在月球重力驅(qū)動(dòng)下工質(zhì)循環(huán)起來,找到這樣的地形也相對(duì)容易。
最困難的是側(cè)傾角要求-2~1度,允許范圍只有3度,而且月球車沒有調(diào)整側(cè)傾角的能力,需要找到符合要求的地形,再把車開過去。要求這么嚴(yán)格,是因?yàn)樽髠?cè)向下傾斜10度的太陽翼將在太陽高度角為5度時(shí),也就是在陽光相對(duì)電池片15度角時(shí)發(fā)出合適大小的電流,月球車喚醒。如果車體左傾超限,意味著更早喚醒,周圍環(huán)境太冷,還不適合繼續(xù)工作,蓄電池的溫度可能還沒有升高到可以正常放電的程度;反之右傾超限,意味著喚醒太晚,在陽光和同位素?zé)嵩吹墓餐昂婵尽毕?,車?nèi)設(shè)備溫度會(huì)變得太高。
在月球車計(jì)劃休眠前一天,我們就開始在月球車周圍尋找最可能符合要求的月夜停泊點(diǎn)。工程師們控制月球車開過去,結(jié)果測(cè)量側(cè)傾角為-4.0度,還不符合要求。時(shí)間流逝,逼我們用出最后的手段——刨土。通過右側(cè)車輪前后旋轉(zhuǎn),月球車把土壤排開,讓車輪下沉,估算右側(cè)車輪下沉4.5厘米,車體側(cè)傾角將改變3.2度,變成了-0.75度,這時(shí)才符合了休眠的姿態(tài)要求。最后,我們發(fā)出了控制月球車休眠的一系列指令,玉兔進(jìn)入夢(mèng)鄉(xiāng)。
預(yù)計(jì)2014年1月11日凌晨4時(shí),月球車才會(huì)被喚醒,玉兔這一覺要睡上半個(gè)月。到了11日那天,凌晨3點(diǎn)整,我們幾個(gè)設(shè)計(jì)師坐電梯來到操作大廳,沒想到大廳門口圍著好多人,我們心里納悶,領(lǐng)導(dǎo)怎么來得這么早?
悄悄一問,好多人2點(diǎn)就到了,剛才還在議論設(shè)計(jì)師怎么還沒來,這么沉得住氣?!我們趕緊解釋,月面上陽光斜照在左側(cè)的太陽電池板上,太陽每升高一度需要2小時(shí),必須要到規(guī)定的5度太陽高度角,太陽翼發(fā)出的電流才夠喚醒條件,不可能提前2小時(shí)的?!霸趺床辉缯f”,有人一邊散去,一邊抱怨了一句。
時(shí)間過得很快,四點(diǎn)到了,設(shè)計(jì)師正襟危坐,等待著38萬公里之外的消息,可還沒有動(dòng)靜。十分鐘之后,在特定的頻率上收到了載波信號(hào),大廳里一片歡呼,月球車第一次自主喚醒!
后來玉兔一號(hào)月球車又工作了兩年半,但是由于機(jī)構(gòu)控制出現(xiàn)問題,太陽翼不能運(yùn)動(dòng),車的喚醒變成根據(jù)兩個(gè)太陽翼上的功率,滿足平臺(tái)設(shè)備工作需要后醒來,比最初設(shè)計(jì)的自主喚醒時(shí)間要晚上幾個(gè)小時(shí)。
玉兔二號(hào)的休眠與喚醒
決定嫦娥四號(hào)要執(zhí)行人類首次月球背面軟著陸及巡視勘察任務(wù)之后,設(shè)計(jì)師們就在想月球車要進(jìn)行哪些改進(jìn)。在休眠喚醒方面,第一輛月球車休眠是靠地面指令控制實(shí)施的,到月球背面之后,地面和月球背面的探測(cè)器無法直接聯(lián)系,只能依靠鵲橋號(hào)中繼星幫助傳遞消息。這里就有一點(diǎn)隱患,萬一在月球車要休眠的時(shí)候,信號(hào)被遮擋,或者中繼星因?yàn)槟撤N原因當(dāng)時(shí)不能提供中繼服務(wù)怎么辦?
因此設(shè)計(jì)師考慮玉兔二號(hào)不但要自主喚醒,還要升級(jí)具備自主休眠功能。在陽光西斜時(shí),不斷監(jiān)測(cè)太陽翼發(fā)出的電流,到了特定的電流數(shù)值,月球車會(huì)自己控制右側(cè)太陽翼收攏,相當(dāng)于自己蓋上被子,準(zhǔn)備過夜。
月球的背面,山地相對(duì)比較多,本來玉兔一號(hào)設(shè)計(jì)的是在太陽高度角大于5度時(shí)候喚醒。在背面落點(diǎn),如果東方的山高于5度仰角,意味著月球車從黑夜中一出來,車體溫度還沒有升高,特別是蓄電池中的電解液溫度還太低,此時(shí)太陽翼電流卻已經(jīng)符合要求,車就會(huì)喚醒,需要蓄電池立即輸出電能配合喚醒,可這時(shí)電池還被凍得輸不出電來,最后將會(huì)導(dǎo)致月球車喚醒失敗,甚至永久失效。
聰明的設(shè)計(jì)師想出來一個(gè)辦法,調(diào)整月球車睡覺時(shí)候的航向。在休眠之前,就需要根據(jù)東方山的高度,調(diào)整車體朝向,保證不管山的高度多少,等到太陽再升高2度,已經(jīng)把月球車和周圍土壤的溫度提高了,照射到左側(cè)太陽翼上的陽光光強(qiáng)才滿足喚醒要求,這時(shí)月球車醒來,就沒有困難了。
方案不錯(cuò),新的問題來了,必須在休眠之前知道東方山的高度,才能知道車頭朝著哪個(gè)方向睡覺合適。因此,剛到月面,工程師就組織了對(duì)地平線的高度角進(jìn)行拍照,結(jié)果傳來,東方山的高度只有不到3度,大家松了一口氣。
對(duì)地平線高度角拍照
如今玉兔二號(hào)已經(jīng)在月球背面工作了兩年多,成為在月球表面工作時(shí)間最長(zhǎng)的月球車,行駛超過了700米,休眠、喚醒過程已經(jīng)進(jìn)行了30多次,這個(gè)設(shè)計(jì)被證明是可靠的。
火星車的休眠與喚醒
最開始設(shè)計(jì)“祝融號(hào)”火星車的時(shí)候,我們感覺并不需要特別為它設(shè)計(jì)休眠喚醒功能,因?yàn)榛鹦堑囊惶鞛?4小時(shí)40分鐘(與地球的一天很接近,不聊極區(qū)的極晝、極夜現(xiàn)象)——使用蓄電池供電,度過火星的夜晚沒有問題。
有趣的是,火星繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道不像地球軌道那么圓,嚴(yán)格地分析火星一天的時(shí)長(zhǎng),會(huì)有幾分鐘的差別,這也是在火星車設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的。
隨著分析更加深入,我們又發(fā)現(xiàn)了新問題?;鹦巧鲜怯锌赡馨l(fā)生沙塵暴的,這時(shí)候火星車的能源供應(yīng)會(huì)出現(xiàn)問題,這種塵暴的時(shí)間有長(zhǎng)有短,蓄電池不足以支撐火星車一直工作。
塵暴是火星車可能休眠的一個(gè)原因,另一個(gè)原因則是火星的冬季。由于自轉(zhuǎn)軸與軌道面方向呈25.2度的交角(地球是23.5度,又很相近),火星也有四季,不過每個(gè)季節(jié)的長(zhǎng)度接近6個(gè)月,是地球一個(gè)季度時(shí)間長(zhǎng)度的2倍。
火星車著陸點(diǎn)的緯度位于北回歸線附近,原因是在3個(gè)月的壽命期內(nèi)這里光照條件比較好。但是如果到了一年之后,陽光直射點(diǎn)慢慢南移到赤道以南,火星車工作地點(diǎn)將漸漸迎來北半球的冬天,太陽再也不會(huì)從車頂經(jīng)過,在南方升高到高度角約40度時(shí)就開始下降了,光照條件變差,火星表面的最高溫度逐漸降低,這時(shí)火星車的能源也會(huì)不足。
火星車距離地球遙遠(yuǎn),如果發(fā)生情況由地面判斷進(jìn)行休眠處置肯定來不及,因此,在玉兔號(hào)上使用的自主休眠喚醒技術(shù)再次被派上用場(chǎng),不過這次方法變得更復(fù)雜了。因?yàn)樾菝邥r(shí)間事先無法預(yù)知,火星車不會(huì)直接感覺到塵暴刮來,也不會(huì)直接知道火星的冬天到了。
應(yīng)對(duì)的方法是,每天太陽快要落山的時(shí)候,火星車在蓄電池開始放電時(shí)就要判斷一下蓄電池是不是處于接近滿充狀態(tài)。如果當(dāng)前蓄電池電量不理想,無法度過今夜,那就要決定休眠,盡可能保存蓄電池電量了。
什么時(shí)候喚醒合適呢?一個(gè)條件是太陽翼發(fā)電足夠,足夠的意思是,既滿足喚醒后火星車工作的需要,還要保證有一部分富余的能量給蓄電池充電,保證火夜的需要。另外一個(gè)條件是蓄電池的溫度,因?yàn)樾铍姵販囟忍?,有電也充不進(jìn)去。技術(shù)實(shí)現(xiàn)的手段就是把電流判斷和溫度判斷都做成了硬件電路,只有兩個(gè)條件都滿足后,火星車才會(huì)自主喚醒。
喚醒之后還有一件重要的事情就是讓地面盡快知道,但是能源這時(shí)候還是很緊張,為了節(jié)省電能,火星車不能一直對(duì)外發(fā)布已經(jīng)喚醒的消息,這可怎么辦呢?火星車的設(shè)計(jì)師們想到了一個(gè)古老的辦法,看太陽估計(jì)時(shí)間。醒來之后的火星車,如果發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間沒人理,就會(huì)看看太陽,確定一下火星時(shí)間,然后只在特定的時(shí)段發(fā)送“我醒了”,地面的工程師就知道什么時(shí)候和火星車聯(lián)系概率最大了。
就像是兩個(gè)人去探險(xiǎn),約定萬一失去聯(lián)系,都在特定的時(shí)段發(fā)送聯(lián)系信號(hào),這樣找到對(duì)方的可能性就大大提高了。
“中國(guó)印跡”圖。“祝融號(hào)”火星車行駛到著陸平臺(tái)東偏南60°方向約6米處,拍攝的著陸平臺(tái)影像圖,可清晰地看到著陸平臺(tái)上的五星紅旗和火星地表細(xì)節(jié)。
最后回到開篇提到的問題:火星車也需要睡覺嗎?答:可能也需要。不過,設(shè)計(jì)師們還是希望在火星車開始工作的前三個(gè)月,火星表面不要刮起塵暴,陽光充足,用不到休眠喚醒功能,這樣火星車才能在火星表面盡可能走的更遠(yuǎn),獲得更多的探測(cè)數(shù)據(jù)。