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月亮上的“玉兔”晚上要睡觉,火星上的“祝融”也要睡觉吗?

来源 | 返朴 2021-06-14 18:49
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2021年5月15日,天问一号成功着陆火星,开启科学探索之旅。5月22日,中国首辆火星车“祝融号”行驶到火星表面,开展了环境感知、移动、科学探测等工作。昨日(6月11日),天问一号探测器着陆火星首批科学影像图已经发布。在此前的月球探测任务中,月球车玉兔一号和玉兔二号每个月都会从月夜的休眠状态苏醒——它在寒冷的月夜无法工作,每次要睡上相当于地球日约15天。而为了保障玉兔二号可以正常唤醒,探月工程团队做了很多努力,积累了不少经验。如今,祝融号已经登上火星,那么祝融号在火星的晚上也要睡眠吗?火星探测团队又是如何看待这些问题?这篇文章将告诉你,“睡觉”真不是件轻松事儿。

火星车也需要睡觉吗?如果你想直接得到结论,答案是:可能也需要。如果想知道个中缘由,需要一点耐心。

祝融号实拍图

“着巡合影”图。火星车行驶至着陆平台南向约10米处,释放安装在车底部的分离相机,之后火星车退至着陆平台附近,由分离相机拍摄了火星车移动过程和火星车与着陆平台的合影。

从月球聊起

故事从17年前讲起,那时候我们月球车研制团队开始考虑设计中国的第一辆月面巡视探测器——其实就是月球车,计划把它送到月球去。遇到的问题有很多,其中一个难题就是月夜如何度过。

在我们之前,苏联发射过两辆月球车,分别工作了10个月和4个月。他们的方法是利用同位素钋210衰变产生的热量,帮助月球车度过寒冷而漫长的月球夜晚。

这一句话需要加上三个注解。首先,月球的夜晚到底有多冷?其实苏联人当时也不知道月球夜晚的温度,经过分析,估计大约是零下150摄氏度。这样的温度,月球车上的设备肯定受不了,需要采取热控制措施,让设备在月夜能够舒服点儿。等到中国的嫦娥四号着陆器使用温差发电技术直接测量,得出月夜温度达到零下190摄氏度以下,那已经是五十年以后的事情了。

其次,月球的夜晚到底多漫长?地球表面夜晚一般持续12小时左右(不一般的主要指地球的两极地区),而月球的自转要慢得多。大家都有个概念,农历一个月或者是29天,或者是30天,这就是月球的一天。也就是说,月球的夜晚对应大约15个地球日。如果时间短,人们可以采用蓄电池在夜晚为设备加热,例如绕地球飞的人造卫星也会短暂进入到地球的阴影中,就是用蓄电池解决这个问题。可是月球夜晚时间这么长,如果采用蓄电池,那所需容量的电池的重量差不多要占到月球车总重的一半,这显然不是一个好办法。

第三点要说明的是,同位素衰变是一种相对温和的核反应,原子核放射出射线转变为另一种原子核。月球车利用的就是核反应过程中物质缓慢释放出的热量。钋210的半衰期是138天,也就是说,它经过138天后,其中一半已经衰变成别的元素;再过138天,只剩下四分之一。衰变过程中会产生热量,随着时间的推移,产生的热量会变得越来越少。苏联的第一辆月球车,工作了十个月,最后就是因为同位素衰变释放出的热能衰减到不足以维持月球车晚上所需要的温度条件了。苏联的第二辆月球车只工作了四个月,这次倒不是因为热能衰减,而是由于车辆移动时太阳电池盖碰到地面,晚上盖子收拢时,就势把月壤洒在了车身上,影响车体散热,最终导致月球车因高温失效了。

在我们之前,美国人还有过三辆宇航员乘坐的月球车,但是只在月昼短暂工作,不需要过夜,和本文话题无关,不再赘述。

如果不解决过月夜的问题,我们的月球车只能在月球表面工作7~10天时间。花了这么多心思,只能工作一周,太可惜了,所以我们在月球车设计之初就把如何度过月球的夜晚当作必须解决的关键技术问题。

方案形成

我们最开始的想法,就是利用一个大蓄电池。可是计算下来月夜15天,月球车晚上需要的能量不会低于50瓦,这样电池的重量达到50公斤,接近车总重量的一半。

这个方法不行,看来还是要用同位素。苏联人使用的钋210单位质量释放热量多,但是衰减太快,要想让月球车长时间工作,还要寻找其他的同位素放射源。

钚238的半衰期是约88年,在月球车的寿命期内,热量减少的幅度可以不用考虑,显然是更好的技术路线。

从下图中可以看到,钋210热源从生产出来,到10个月后释放的热量已经衰减到初值22%,而钚238热源在48个月后,只是衰减到最初的97%,变化很小。考虑到热源生产出来到发射,再到在月面工作,钚238热源显然是一个更合适的选择。玉兔二号月球车已经在月球背面工作了两年多了,现在还测不到月夜提供到车内的热量有变小的现象。

热源选多大合适又是一个需要斟酌的问题。理论上在车内放个合适的热源问题就解决了,但是这部分热量在月球的白天也会源源不断地放出来。而月昼着陆点的温度很高,会接近100摄氏度,再加上阳光普照,考虑到设备工作产生的热量如何散出已经很困难,还要再加上白天同位素释放的热能,都要从车体内散出,我们实在是找不到解决的办法。

因此,我们提出把热源放在车体之外,只有晚上需要的时候才将热量引入车体内部。沿着这个思路,设计师研究开发了一种两相流体回路。白天回路截止,热量在车体外通过辐射的方式散热,尽管热源温度会比较高,但是与月球车车体内部的设备关系不大;晚上阀门打开,流体回路开始工作,热源把工质氨从液态加热到气态,氨气顺着管路进入月球车车体内部,加热设备后重新变成液态,如此循环。巧妙的是,这样的工质流动并不需要泵等驱动设备,只需要利用月球的重力,即可驱动回路的运行,保证回路在月夜可以可靠地工作。

玉兔号月球车

其实这部分热能也可以利用温差发电技术部分转换为电能,只是转换效率不高,大约5%。这样月球车晚上就可以一直有一个小功率的设备加电工作。传统上,卫星入轨工作后一直处于加电状态,断电意味卫星失效,沿着这样的思维定势,最初设计师也考虑月夜时候月球车一直处于工作状态,进行最简单的状态监测。

在技术讨论的时候,一位老专家思路更开阔,提出了不同意见。他表示有了热能,月球车不会冻坏,发电不是必需的,完全可以让月球车根据阳光的变化自己唤醒,继续工作。

仔细细化光照唤醒思路,确实这样做系统更加简单可靠。虽然不能实现测量月夜温度等目标,但是在重量资源如此紧张的局面下,光照唤醒的思路确实是有优势的。

于是,月球车的两个太阳翼被赋予了更多的功能。右侧的太阳翼是可动的,最主要的功能是发电,晚上不需要发电的时候,变成月球车的被子,盖在车身上。如果在月球中午设备温度太高,这个太阳翼可以竖起变成遮阳伞,简称“右翼三用”。

左侧太阳翼到月球后一次性展开到位,就不能再动了。除了发电的功能,这个太阳翼特意设计成下倾10度,目的是为了在月球的早晨,早早接受东方升起的阳光。太阳翼发出电流上升的过程中,一旦到了特定的电流值,会驱动车上继电器动作,使月球车苏醒过来,开始新一天的工作。这时左侧太阳翼会用于发电,简称“左倾两用”。

第一次唤醒

2013年12月27日,在月面阳光高度角降到10度以下之后,地面团队执行一系列动作,开始控制玉兔休眠。

首先是找到合适的休眠地点。航向角要求是161~169度,也就是说,车头对着南偏东方向(正东对应90度,正南对应180度),这样左侧的太阳翼基本对着东方,等着清晨的阳光。车头向东偏一点,是为了避免早上阳光从车尾照到同位素热源。车头航向完全可以通过车体原地转向进行控制,控制目标范围也比较宽,比较容易实现。

车体俯仰角度要求也比较宽(1~14度),要求车头高、车尾低,便于流体回路在月球重力驱动下工质循环起来,找到这样的地形也相对容易。

最困难的是侧倾角要求-2~1度,允许范围只有3度,而且月球车没有调整侧倾角的能力,需要找到符合要求的地形,再把车开过去。要求这么严格,是因为左侧向下倾斜10度的太阳翼将在太阳高度角为5度时,也就是在阳光相对电池片15度角时发出合适大小的电流,月球车唤醒。如果车体左倾超限,意味着更早唤醒,周围环境太冷,还不适合继续工作,蓄电池的温度可能还没有升高到可以正常放电的程度;反之右倾超限,意味着唤醒太晚,在阳光和同位素热源的共同“烘烤”下,车内设备温度会变得太高。

在月球车计划休眠前一天,我们就开始在月球车周围寻找最可能符合要求的月夜停泊点。工程师们控制月球车开过去,结果测量侧倾角为-4.0度,还不符合要求。时间流逝,逼我们用出最后的手段——刨土。通过右侧车轮前后旋转,月球车把土壤排开,让车轮下沉,估算右侧车轮下沉4.5厘米,车体侧倾角将改变3.2度,变成了-0.75度,这时才符合了休眠的姿态要求。最后,我们发出了控制月球车休眠的一系列指令,玉兔进入梦乡。

预计2014年1月11日凌晨4时,月球车才会被唤醒,玉兔这一觉要睡上半个月。到了11日那天,凌晨3点整,我们几个设计师坐电梯来到操作大厅,没想到大厅门口围着好多人,我们心里纳闷,领导怎么来得这么早?

悄悄一问,好多人2点就到了,刚才还在议论设计师怎么还没来,这么沉得住气?!我们赶紧解释,月面上阳光斜照在左侧的太阳电池板上,太阳每升高一度需要2小时,必须要到规定的5度太阳高度角,太阳翼发出的电流才够唤醒条件,不可能提前2小时的。“怎么不早说”,有人一边散去,一边抱怨了一句。

时间过得很快,四点到了,设计师正襟危坐,等待着38万公里之外的消息,可还没有动静。十分钟之后,在特定的频率上收到了载波信号,大厅里一片欢呼,月球车第一次自主唤醒!

后来玉兔一号月球车又工作了两年半,但是由于机构控制出现问题,太阳翼不能运动,车的唤醒变成根据两个太阳翼上的功率,满足平台设备工作需要后醒来,比最初设计的自主唤醒时间要晚上几个小时。

玉兔二号的休眠与唤醒

决定嫦娥四号要执行人类首次月球背面软着陆及巡视勘察任务之后,设计师们就在想月球车要进行哪些改进。在休眠唤醒方面,第一辆月球车休眠是靠地面指令控制实施的,到月球背面之后,地面和月球背面的探测器无法直接联系,只能依靠鹊桥号中继星帮助传递消息。这里就有一点隐患,万一在月球车要休眠的时候,信号被遮挡,或者中继星因为某种原因当时不能提供中继服务怎么办?

因此设计师考虑玉兔二号不但要自主唤醒,还要升级具备自主休眠功能。在阳光西斜时,不断监测太阳翼发出的电流,到了特定的电流数值,月球车会自己控制右侧太阳翼收拢,相当于自己盖上被子,准备过夜。

月球的背面,山地相对比较多,本来玉兔一号设计的是在太阳高度角大于5度时候唤醒。在背面落点,如果东方的山高于5度仰角,意味着月球车从黑夜中一出来,车体温度还没有升高,特别是蓄电池中的电解液温度还太低,此时太阳翼电流却已经符合要求,车就会唤醒,需要蓄电池立即输出电能配合唤醒,可这时电池还被冻得输不出电来,最后将会导致月球车唤醒失败,甚至永久失效。

聪明的设计师想出来一个办法,调整月球车睡觉时候的航向。在休眠之前,就需要根据东方山的高度,调整车体朝向,保证不管山的高度多少,等到太阳再升高2度,已经把月球车和周围土壤的温度提高了,照射到左侧太阳翼上的阳光光强才满足唤醒要求,这时月球车醒来,就没有困难了。

方案不错,新的问题来了,必须在休眠之前知道东方山的高度,才能知道车头朝着哪个方向睡觉合适。因此,刚到月面,工程师就组织了对地平线的高度角进行拍照,结果传来,东方山的高度只有不到3度,大家松了一口气。

对地平线高度角拍照

如今玉兔二号已经在月球背面工作了两年多,成为在月球表面工作时间最长的月球车,行驶超过了700米,休眠、唤醒过程已经进行了30多次,这个设计被证明是可靠的。

火星车的休眠与唤醒

最开始设计“祝融号”火星车的时候,我们感觉并不需要特别为它设计休眠唤醒功能,因为火星的一天为24小时40分钟(与地球的一天很接近,不聊极区的极昼、极夜现象)——使用蓄电池供电,度过火星的夜晚没有问题。

有趣的是,火星绕太阳公转的轨道不像地球轨道那么圆,严格地分析火星一天的时长,会有几分钟的差别,这也是在火星车设计时必须要考虑的。

随着分析更加深入,我们又发现了新问题。火星上是有可能发生沙尘暴的,这时候火星车的能源供应会出现问题,这种尘暴的时间有长有短,蓄电池不足以支撑火星车一直工作。

尘暴是火星车可能休眠的一个原因,另一个原因则是火星的冬季。由于自转轴与轨道面方向呈25.2度的交角(地球是23.5度,又很相近),火星也有四季,不过每个季节的长度接近6个月,是地球一个季度时间长度的2倍。

火星车着陆点的纬度位于北回归线附近,原因是在3个月的寿命期内这里光照条件比较好。但是如果到了一年之后,阳光直射点慢慢南移到赤道以南,火星车工作地点将渐渐迎来北半球的冬天,太阳再也不会从车顶经过,在南方升高到高度角约40度时就开始下降了,光照条件变差,火星表面的最高温度逐渐降低,这时火星车的能源也会不足。

火星车距离地球遥远,如果发生情况由地面判断进行休眠处置肯定来不及,因此,在玉兔号上使用的自主休眠唤醒技术再次被派上用场,不过这次方法变得更复杂了。因为休眠时间事先无法预知,火星车不会直接感觉到尘暴刮来,也不会直接知道火星的冬天到了。

应对的方法是,每天太阳快要落山的时候,火星车在蓄电池开始放电时就要判断一下蓄电池是不是处于接近满充状态。如果当前蓄电池电量不理想,无法度过今夜,那就要决定休眠,尽可能保存蓄电池电量了。

什么时候唤醒合适呢?一个条件是太阳翼发电足够,足够的意思是,既满足唤醒后火星车工作的需要,还要保证有一部分富余的能量给蓄电池充电,保证火夜的需要。另外一个条件是蓄电池的温度,因为蓄电池温度太低,有电也充不进去。技术实现的手段就是把电流判断和温度判断都做成了硬件电路,只有两个条件都满足后,火星车才会自主唤醒。

唤醒之后还有一件重要的事情就是让地面尽快知道,但是能源这时候还是很紧张,为了节省电能,火星车不能一直对外发布已经唤醒的消息,这可怎么办呢?火星车的设计师们想到了一个古老的办法,看太阳估计时间。醒来之后的火星车,如果发现长时间没人理,就会看看太阳,确定一下火星时间,然后只在特定的时段发送“我醒了”,地面的工程师就知道什么时候和火星车联系概率最大了。

就像是两个人去探险,约定万一失去联系,都在特定的时段发送联系信号,这样找到对方的可能性就大大提高了。

“中国印迹”图。“祝融号”火星车行驶到着陆平台东偏南60°方向约6米处,拍摄的着陆平台影像图,可清晰地看到着陆平台上的五星红旗和火星地表细节。

最后回到开篇提到的问题:火星车也需要睡觉吗?答:可能也需要。不过,设计师们还是希望在火星车开始工作的前三个月,火星表面不要刮起尘暴,阳光充足,用不到休眠唤醒功能,这样火星车才能在火星表面尽可能走的更远,获得更多的探测数据。

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