月亮上的“玉兔”晚上要睡覺，火星上的“祝融”也要睡覺嗎？

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)。