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团队|航天科技五院多项技术产品在火星亮相各显神通

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随着我国首次火星探测任务圆满实现“绕、着、巡” ， 建设航天强国的步伐又向前迈出了一大步 。 此刻 ， 由中国航天科技集团有限公司五院抓总研制的祝融号火星车 ， 正在火星表面开展巡视探测 ， 经受火星夜晚低温低压并伴有大风的恶劣环境考验；一路为我们精心拍摄、直播火星探测任务的五院“相机家族”表现抢眼；贴装于火星车上的五星红旗鲜艳夺目、着陆平台上更大的一幅国旗如字画般被卷绕与展开 ， 成为乌托邦平原上一抹亮眼的中国红……
正是五院火星探测器研制团队不分昼夜 ， 在地球上开展了成千上万次大大小小的分析和试验 ， 中国航天器才在火星上创下一个又一个的“第一次” ， 中国航天的步伐在遥远火星上稳健向前 。
揭秘中国第一辆火星车
火星车是在火星登陆并用于火星探测的可移动探测器 ， 是人类发射到火星表面并进行巡视探测的一种“特殊车辆” 。 为顺利完成火星探测任务 ， 五院抓总研制了祝融号火星车 ， 它将按计划开展巡视区环境感知、火面移动和科学探测 ， 通过配置的导航地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪等6台载荷 ， 对巡视区开展详细探测 。
它看上去像一只美丽的蓝色闪蝶 ， 4只翅膀是用于能源供给的太阳能电池板 。 它配备了先进的主动悬架 ， 具有蠕动、抬轮、车体升降等多种运动模式 。 五院总体设计部火星车总体主任设计师陈百超介绍 ， 配备主动悬架的火星车 ， 不再担心车轮下陷 ， 甚至发生单个车轮故障也不会丧失移动能力 。 这辆火星车的自主移动能力也非常杰出 ， 相对传统巡视器 ， 最大自主导航速度和自主移动距离均有大幅提升 。
祝融号火星车由数管、供配电、测控数传、天线、热控、结构与机构、移动、工程测量、GNC、有效载荷等分系统组成 ， 具有四大主要功能：一是能够承受整个任务过程中的力学、热、辐射等空间环境；二是落火后火星车与进入舱配合完成释放、分离任务；三是在火昼时完成火面感知、探测、移动等工作 ， 在火夜时进入待机状态 ， 也就是“一夜好梦”；四是能够适应火面环境 ， 具有自主休眠唤醒能力 。 火星车还配置了导航地形相机、多光谱相机等6种科学载荷 ， 可以进行科学探测；按任务要求 ， 拥有90个火星日的设计寿命 。
五院总体设计部火星探测器副总师贾阳介绍 ， 为了确保火星探测任务一次完成环绕、着陆和巡视的工程目标 ， 研制团队针对火星独有的光照、沙尘、大气、温度、土壤等特点 ， 量身打造了这辆火星车 。
火星距离地球最远距离长达4亿公里 ， 地面无法对登陆火星的火星车进行实时测控 ， “祝融号”基本以自主工作为主 ， 进行长距离自主移动 ， 并以中继通信作为主要遥控、遥测、数传手段 。
火星大气表层光照强度大约是月球表面的三分之一；火星大气吸收太阳光蓝绿光 ， 容易造成光谱红偏；而火星沙尘沉积将影响太阳电池阵发电 。 为此 ， 研制团队专门针对光照、沙尘等情况 ， 设计了蝶形四展太阳翼 ， 配置了特殊的电池等 。 为了应对火星表面的沙尘暴天气 ， 火星车可根据沙尘天气的轻重程度自主转入到最小工作模式、休眠模式或唤醒模式 。
火星表面气压大约是地球大气的百分之一 ， 火星表面温度白天时最高温度大约27摄氏度 ， 晚上最低温度大约零下130摄氏度 。 为了应对这种环境 ， 五院总体设计部研制团队为火星车配置了两套集热器 ， 并采用了纳米气凝胶保温 。
火星表面岩石分布密度大约是月球表面的2倍 ， 其土壤的物理、力学特性虽然与月壤类似 ， 但存在由于侵蚀而导致的表层土壤坚硬、里层土壤松软的情况 ， 美国的“勇气号”和“机遇号”火星车都曾因此下陷 。 五院的设计师们精心采用了主动悬架设计并开展了内场下陷脱困试验 ， 通过主动悬架构型的变化 ， “祝融号”可以实现抬轮和蠕动 ， 便于车轮下陷后脱困 。
火星环境恶劣 ， 是影响火星车生存及完成巡视探测的主要困难 。 为闯过这些难关 ， 设计师们还开展了自主及故障容限设计 ， 可谓是台上一分钟 ， 台下十年功 。
首次在地球吹起“火星风”
说到火星车遭遇的大风环境 ， 2018年年底 ， 美国NASA公布了一段“洞察号”火星探测器记录的火星风的音频 。 不为人知的是 ， 2018年上半年 ， 中国的火星车已经在五院总装与环境工程部的试验室中感受到了火星风的吹拂 。
在火星“兜风”和在地球上可不一样 。 火星表面大气百分之九十五为二氧化碳 ， 气温最低可达零下120摄氏度左右 ， 气压仅相当于地球大气压的百分之一 ， 而且时常会刮起大风 。 要让火星车经受住考验 ， 就要在地面模拟火星的特殊环境 。 为了达成这个目标 ， 需要研制一套火星表面综合热环境模拟系统 ， 来模拟火星夜晚低温低压并伴有大风的环境 。
之前 ， 我国对火星表面综合热环境模拟的研究工作相对较少 。 大气越稀薄 ， 风机的效率就越低 ， 传统风机吹出的风量远远不足以模拟火星风力 。 因此 ， 五院总装与环境工程部环境模拟专业的项目攻关团队迎来了前所未有的考验 。
项目攻关团队从10余种系统方案着手分析 ， 最终优选出“直流吸气式循环风洞+可调温空间环境模拟器”作为主方案 。 接着 ， 一个又一个的工程技术难题摆在眼前：如何选择低温风洞的材料？风机在低压下工作性能如何？如何保证密封？如何确保电机在低温低压环境下长时间工作？
关键核心技术还是要靠自己 。 在完成火星风场模拟系统的设计后 ， 为实现低气压环境下风速的准确测量 ， 项目团队拟定了热球、超声波、微压差3套方案进行了技术攻关 ， 在经过数十次调试后 ， 最终选定基于热球的低压风速测量方案 。 团队陆续攻克了一个个跨学科的技术难题 ， 完成了火星表面综合热环境模拟系统的研制 ， 实现了在15立方米有效试验空间内长时间稳定模拟火星表面的气体成分、气压、风速、风温、风向、火表温度、空间冷背景等综合热环境条件 。 在2018年进行的火星车有风热平衡试验中 ， 模拟系统连续稳定运行10天 ， 吹风时间超过200小时 ， 试验获得圆满成功 。 五院总装与环境工程部也成为国内唯一能针对大尺寸试件开展火星表面环境模拟试验的单位 ， 为我国后续的深空探测任务打下了坚实基础 。
第一次火星直播：小相机大用途
恶劣环境中火星探测器表现如何 ， 全靠五院508所的“相机家族”给地球上的我们带来直观画面 。
它们是火星“直播F4” ， 均由五院508所研制 ， 分别是：开伞过程监视相机A、开伞过程监视相机B、落火状态监视相机B、WIFI分离拍摄探头 。
开伞过程监视相机A和开伞过程监视相机B是一对双胞胎兄弟 ， 对称安装在探测器的降落伞伞舱圆环法兰两侧 ， 负责对降落伞在轨弹伞、充气展开、摆动等情况进行全程监控 。 兄弟同心 ， 其利断金 。 在设计师研制的减震器帮助下 ， 两部相机互相配合 ， 经受了弹伞、开伞的快速过程考验 ， 获取清晰地视频及图像 。
落火状态监视相机B是个“多面手” ， 着陆过程中它负责监视探测器抛背罩过程 ， 着陆后它再次开机 ， 负责拍摄火星车落火后的初始状态和太阳翼展开情况 。
WIFI分离拍摄探头经受的考验最大 ， 要在着陆后第15个火星日才开始工作 ， 因此需要适应火星夜零下100摄氏度左右的恶劣环境 。 但它也最具敬业和冒险精神——在科学探测段 ， 当火星车安全驶离着陆平台后 ， 会选择一个较为平坦的区域 ， 从底板位置释放WIFI分离拍摄探头 。 从火星车上“跳下”后 ， 它将主拍火星车在火星表面的视觉大片和视频 。
大家也会好奇 ， 探火用的相机有何特殊的指标要求 ， 和月球探测相比 ， 性能要求会更苛刻吗？因为空间环境更恶劣 ， 火星相机功能及技术指标要求更高 。 比如针对快速开伞过程成像 ， 需要相机具备高帧频、快速自动曝光的能力；针对WIFI探头落火后火面在自主生存成像需求 ， 攻克了无线通信、自供电、分离解锁等多项关键技术；针对零下100摄氏度火星夜间温度 ， 攻克了低温/宽温问题 。 这都是以往相机不具备的 。
深空探测领域首次应用的国旗装置
火星车顺利完成着陆后 ， 传来了两面国旗的照片 。 这两面国旗均由五院510所研制 ， 它们分别是贴装在火星车表面的器表国旗和安装于着陆平台上的国旗装置 。
火星车表面的这面国旗相对较小 ， 长96毫米、宽64毫米 ， 和嫦娥三号、四号上使用的国旗是“孪生兄弟” 。 而着陆平台上的国旗装置较大 ， 长360毫米、宽240毫米 ， 因为安装位置和空间的限制 ， 在展开前该装置始终如同收起的画轴 ， 处于卷绕收纳状态 。
器表国旗在深空探测领域并非首次应用 ， 此前已成功应用于嫦娥三号与嫦娥四号月球探测器 ， 但国旗装置属于深空探测领域首次应用 。 此次国旗装置实现了多项创新 。
一是重量轻 。 为了让探测器“轻装上阵” ， 国旗装置驱动机构采用形状记忆复合材料 ， 使整个国旗装置的总重量小于200克 。
二是展开方式新 。 结合中国传统文化 ， 创新地设计了卷绕锁定—展开的国旗展示模式 ， 这种方式不同于贴装或折叠收纳展开等常规携带方式 ， 适用于较大尺寸的国旗 ， 且动态展开过程栩栩如生 ， 展示效果极佳 。
三是可靠性高 。 解锁设计采用加热缓慢展开的方式 ， 形状记忆复合材料展开几乎没有振动与冲击 ， 对其他部组件影响小 。 航天器解锁展开方式通常为爆炸或电动机构驱动 ， 此次国旗装置的解锁展开采用形状记忆复合材料 ， 通过精确控制形状记忆材料结构状态 ， 可实现国旗的卷绕（锁定）收纳与释放（解锁）展开 。
国旗装置研制过程是团队协作的过程 ， 更是上百次试验验证的过程 。 五院510所表面工程事业部成立研发团队 ， 开展了大量技术攻关 。
首先就是形状记忆复合材料的锁定控制技术攻关 。 国旗装置的锁定功能主要由形状记忆复合材料通过弯曲后压紧来实现 ， 因此需要加强锁定控制措施 。 研制团队通过防侧滑设计、加强材料锁紧力、试验验证等措施解决了该技术难点 。
其次是国旗长期卷绕弯曲效应分析及验证工作 。 国旗采用先卷绕再展开模式展示 ， 而国旗本身在卷绕状态下长期存贮 ， 会产生弯曲效应 ， 因此需要对卷绕存贮后的弯曲状态进行分析、验证 ， 确定配重大小、存贮时长、存贮环境等因素对国旗释放后展开效果的影响 。 团队通过设计合理的试验验证方案、分析验证试验结果、控制国旗材料卷绕应力并选择适宜的配重质量等措施 ， 最终解决了难题 。
此外 ， 国旗装置的加热展开时间是一个重要指标 。 时间过短或过长都会产生影响 。 国旗装置加热展开时间还受环境温度、环境气压及风速、加热电压、加热膜粘贴工艺等多因素影响 。 为获得可靠的加热展开时间参数 ， 研制团队不仅设计了各影响因素的试验方案 ， 而且开展了同一参数的多次验证 ， 经过上百次的试验验证 ， 最终获得了仅受电压判据影响的加热控制时间参数 。
【团队|航天科技五院多项技术产品在火星亮相各显神通】功夫不负有心人 。 火星车着陆火星后 ， 五星国旗如同书画画轴一样徐徐展开 ， 这种展开方式在中国航天器上属于首次应用 ， 在茫茫火星上平添了一抹亮丽的中国红 。 （陈立 伍轩） 来源：航天科技网站

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