设计师讲解专场:祝融号如何攻破一个个工作难题

作者: He Tian

来源: 科学大院

发布日期: 2021-06-01

本文详细介绍了祝融号火星车的设计、功能及其在火星上的探测任务,包括其通信、热控、移动等能力的挑战与解决方案,以及配置的科学探测载荷。祝融号的成功着陆和探测,标志着中国火星探测工程的重要里程碑。

北京时间2021年5月22日10时,中国第一辆火星车“祝融号”安全驶离着陆平台,成功“打卡”火星表面。面对复杂的火面环境,“祝融号”需要施展哪些“技能”?它又承载着怎样的使命呢?

北京时间2021年5月22日13时,地面接收站收到“祝融号”发回的遥测信号,确认火星车成功驶离着陆平台并开始火面行驶探测任务,宣告火星探测工程取得圆满成功。这辆以中国神话中火神命名的火星车,在火星乌托邦平原上留下了足迹,让我国成为第二个成功软着陆火星并进行巡视探测的国家。

火星探测器由环绕器和着陆巡视器组成(图1),环绕器将携带着陆巡视器完成地火转移、火星捕获、降轨机动等任务。

2020年7月23日,中国首次火星探测任务“天问一号”探测器发射升空,2021年2月10日被火星捕获,2021年5月15日释放着陆巡视器。着陆巡视器与环绕器分离后,需要经过约3.5小时飞行,然后按照预定姿态进入火星大气,多级减速后以软着陆的方式着陆到火星表面,展开坡道机构,火星车驶离着陆平台后,开展并完成巡视探测任务。

火星与地球距离遥远,星球表面环境复杂且温度偏低,相比于月面巡视器的任务特点,火星任务条件对火星车的通信、热控、移动等能力都提出了更高的要求。除了距离远,火星与地球的通信窗口也非常有限。火星车配置X频段定向天线可对地指向,但码速率较低(32bps),所以只能用于下传遥测。为解决火星车通信问题,科研人员借鉴嫦娥四号任务中继通信的成功经验,采用环绕器中继通信的方式,使用UHF频段进行双向通信。

每个火星日有两个UHF通信弧段,近火弧段约10分钟,远火弧段约5小时,因近火弧段通信可达Mbps级别,作为火星车通信的主要手段,图像及探测数据依赖中继通信进行下传,图2、图3为第5火星日UHF近火通信下传的图像,分别由前避障相机和导航相机拍摄。

火星车采用太阳翼+蓄电池组联合供电的方案。为了提高能源利用率,特采用基于硬件电路实现的峰值功率跟踪(MPPT)技术提高太阳电池发电利用率。火星车背板上的太阳能集热窗白天收集热量,用于提升夜晚舱内设备温度,同时夜晚采用主动热控措施,保证舱内工作设备和存储设备达到规定的环境温度。

为开展火星表面重点地区高精度、高分辨的精细探测,火星车上配置了6类科学探测载荷(图1),包括:导航地形相机、多光谱相机、火星次表层探测雷达、火星表面成份探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪。多种科学载荷助力于火星地形地貌、水冰分布、火星磁场、内部构造、大气温度及压力等探测提供精准助力,以确保任务的顺利开展。

祝融号在火星表面进行移动及科学探测,并成功将数据传回了地球,对我国行星科学的发展具有里程碑式的重要意义。“祝融号”未来还将继续执行火面工作任务,不断回传宝贵数据,点燃探索浩瀚星空的火种,为星辰大海的梦想助力前行!

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