祝融号火星车设计寿命是90个火星日,而目前它已经在火星表面巡视探测了7个月,累计行驶里程超过1.4公里,显而易见它正在超期服役。
天问一号火星探测器系统总设计师孙泽洲认为,祝融号状态好得益于两个方面,一方面是自身的设备状态很好,另一方面火星天气这一段时间也很好,没有明显的沙尘。所以在这样一个条件下,祝融号火星车也可以比较高效地来开展在火星表面的巡视探测任务,也获得了大量的科学探测数据。但是,到明年年底,火星即将进入冬季,复杂的天气条件和逐渐减少的光照将给火星车继续行驶带来挑战。
需要指出的是,孙泽洲总师所说的“明年”指的是2022年,也就是今年。
火星与地球一样也有四季之分,太阳系类地行星表面温度的变化与两个要素直接相关,一个是行星与太阳的距离,距离越近温度越高,距离越远温度越低;再一个就是自转轴倾斜产生的黄赤交角(黄道面与赤道面的夹角)。
地球环绕太阳的公转轨道是一个近圆形轨道,离心率很小,所以地球的黄赤交角直接影响地球的四季变化。
火星就不同了,其公转轨道有着更大的离心率,与太阳的距离变化波动较大,因此季节性变化相较于地球也更大。
火星黄赤交角是24°与地球非常接近,由于火星公转周期大致相当于地球的两倍,所以其每一个季节的持续时间也大约相当于地球的两倍,也就是约6个月(约172天)。
祝融号去年登陆火星是在5月份,当时乌托邦平原着陆区也正处于春季,而现在着陆区则正处于夏季,不过此时此刻太阳在火星北半球的直射点正在逐渐南移,到下个月的24日,太阳直射点将重新回到火星赤道,今年7月21日火星北半球将迎来冬至时刻,这一时期乌托邦平原将迎来长达半年的冬季。
那么,祝融号火星车做好过冬准备了吗?
为此祝融号火星车准备了两套御寒装备,一个是“集热装置”,另一个就是“气凝胶隔热材料”。
祝融号车身顶部两个圆形开口处设有集热窗,集热窗内部就是集热器,集热器内部填充正十一烷,这是一种相变材料,基于材料的低熔点特性实现对太阳热能的收集与释放,白天的时候收集热能,到了晚上温度降低时凝固放热。
集热窗由聚酰亚胺材料制备而成,并由两条交叉的钢丝张紧支撑,与集热器一样都有太阳光谱能量高透过率与远红外光谱低透过率的性能特点,这样就能高效留存收集的热能。
在集热装置与三结砷化镓太阳能电池技术助力下,祝融号火星车获得了极高的太阳能利用率,由传统航天器的30%提高至80%。
收集到的热能最终也会输送到火星车周身需要热量的各个关键子系统,在遥远火星收集到的宝贵热能当然也要格外珍惜,所以科研人员为这些关键部件针对火星大气对流环境量身定制了气凝胶隔热材料,用于保温,这种材料具有十分突出的轻质与隔热性能优势。
祝融号火星车配置有4片太阳能电池阵,组合起来看很像是一只翩翩起舞的蝴蝶,别以为它只是看起来好看,实际上这是基于大面积高效布置电池片需求进行优化设计出来的构型。其中车身两侧的太阳能电池阵还可以根据能源需求进行转动指向,从而提高发电能力。
有了完善的硬件准备仍然是不够的,地火通信距离遥远一旦遇到突发状况,如果火星车不能自主智能管理,那么即便是有一手好牌也可能打乱,所以祝融号还配置了自主能源管理系统,它可以根据能源供给水平自主决策关闭哪些设备开启哪些设备,以确保整体工况的稳定。
严寒的火星冬季还不是祝融号的最大挑战,真正的挑战是“火星沙尘暴”,当尘暴来临遮天蔽日的沙尘会进一步降低祝融号的太阳能供给,发供电能力将急剧下降,此时自主能源管理系统将决策进入全系统休眠断电状态,直到光照条件得到改善,系统自主唤醒,进入充电模式。
正是有了一系列软硬件准备,天问一号探测器系统副总设计师贾阳才对祝融号的实际寿命充满信心,有一次,他与操控祝融号火星车的团队成员针对何时进行高难度科目这一话题交流时这样说道,我倾向于比你保守一点,(趁)现在祝融号还有点热闹劲儿的时候,先让它忙它的。此时旁边人开玩笑说,等过两年,过几年。贾阳接话:再晚点……走到有一天,万一有点啥事的话,心里更能承受的时候,再去挑战一些难度系数更高的动作。
通过这番对话可知,祝融号实际寿命远非90个火星日,而是以“年”为单位计算。经过玉兔号、玉兔二号两辆月球车任务历练后,我们的星球车团队对于地外天体巡视探测有了更深入的认知,所以祝融号火星车才能更加游刃有余。