天問一號火星車究竟有多強？機動之王當之無愧，另闢蹊逕取代核能

我國首個自主火星探測器「天問一號」目前已飛離地球超過150萬公裡，這一距離大約是地月間距離的4倍。本月27日，在距離地球約120萬公裡處軌道器開啟光學導航敏感器對地球、月球進行黑白合影成像，在它的眼裡仿佛有兩個「月亮」，由於太陽入射角與觀察方位的原因，地球、月亮都呈現出月牙形狀。大約在明年除夕夜，它將抵達火星這顆中國人嚮往已久的紅色星球，正式履行它的探火使命。

天問一號120萬公裡處拍攝地月合影

天問一號目前已經飛離地球引力範圍

「天問一號」探測器順利抵達火星後將會擇機進入一條近火點高度265km、傾角86.9°、運行周期為2天的大橢圓停泊軌道，並在此運行將近三個月的時間，以完成著陸區預先探測等前期準備工作。

環火飛行進行著陸區勘察工作

待一切準備就緒，著陸器—巡視器組合體將被包裹在和飛船返回艙類似的球錐狀艙體內以4.8km/s的高速一頭扎進火星大氣層，經歷「恐怖8分鐘」後著陸在火星烏託邦平原上的預定區域。

烏託邦平原預定著陸區位置示意圖

44年前，大洋彼岸的「海盜二號」著陸器同樣降落在這片平原，當年，他們以「維京一號」和「維京二號」的成功著陸開啟了人類探測火星的新時代。45年後，還是在這裡，「天問一號」著巡組合體將繼續書寫人類探火新歷史。

維京二號著陸器拍攝的圖像

烏託邦平原是火星上的最大平原，位於北半球，直徑3200公裡，這裡被認為在古代火星可能是一個海灣或湖泊與陸地的相接處，在尋找火星生命和水源方面潛藏著巨大的探測價值。

而且該平原地勢平坦廣闊、少有隕石坑、光照條件好，沙塵暴、塵捲風等自然災害也相對較少，十分有利於巡視器正常開展探測活動，這對於初次探測火星的我們來說可謂誘惑滿滿。

火星近地表含水冰的區域

因此，在權衡地形地貌特徵、光照條件、著陸風險、火星車行走避障能力要求等多方面科學和工程因素後，本著工程實現風險低、科學探測價值高的原則，我們將位於烏託邦平原南端，屬赫斯伯利亞紀晚期低地單元（東經110.318度，北緯24.748度）定為此次「天問一號」任務的首選著陸地點。

備選著陸區選在烏託邦平原東南部，接近埃律西昂火山巖漿流入烏託邦平原的入口處。

選定了任務著陸地點，就要考慮如何安全、準確地把著巡組合體投放到那裡。組合體採用獨創的「彈道升力式+配平翼」方案進入火星大氣層，最後採用和「嫦娥三號/四號」相同的「發動機反推+腿式緩衝」方案平穩降落至火星表面。

天問一號著陸巡視器組合體

降落到預定地點後，就到了巡視器（即火星車）「閃亮登場」的時刻。「天問一號」的火星車高1.85米，質量為240kg，超過了之前大洋彼岸發射的「勇氣」號和「機遇」號火星車。

它和我們已成功進行月球探測任務的兩臺「玉兔」月球車在結構布局上有很多相似之處，例如兩者車身前部都有一根用於搭載導航相機和其他探測設備的桅杆，車身下部都有6個供其在月球或火星表面正常行走並可獨立自由旋轉的車輪。針對此次任務新要求，研製人員還對火星車動力系統等方面進行了相應改進。

天問一號火星車著陸展開太陽翼

火星車採用箱板式構型，車身兩側兩對太陽能電池翼完全展開後呈漂亮的藍色閃蝶形狀，展開面積也比「玉兔」月球車更大。火星探測器副總設計師賈陽說：「火星車太陽能電池翼的形狀設計既考慮了功能，也考慮了外觀」。

當火星車處於充電狀態時，其車身前端太陽翼還可根據太陽光入射角來調整自己的角度，以保證能夠更加有效地採集能量。這一點跟「嫦娥三號/四號」著陸器如出一轍。

電池翼可根據太陽入射角調整展開角度

天問一號火星車整體技術水平遠超「勇氣」號和「機遇」號，一些技術指標甚至和代表人類火星探測技術巔峰的「好奇」號火星車相當。

天問一號火星車車輪能實現180度大角度轉向

例如兩者擁有相同的30°最大爬坡角度、40m/h的巡視速度及200m/h的最大速度。與「好奇」號火星車相比我們還具有獨創的蟹行和蠕動能力，便於實現精確控制以及靈活適應複雜多變的火星地表。

天問一號火星車演示蟹行機動（橫著走）

此外，它還配備了能根據自身行駛條件自動調節系統剛度和阻尼特性的主動懸架，無論火星表面「路況」如何變化，主動懸架始終能處於最佳減震狀態，使火星車具有極佳的通過性、平順性與操縱穩定性。擁有兩種獨創的移動方式以及擅長「隨機應變」的主動懸架，「人類火表機動能力最強火星車」這一殊榮自然歸我們所有。

火星車蠕動原理示意圖

通信能力上也是力壓群雄。對軌道器通信天問一號火星車採用UHF+X雙頻段通信機制，當運行在中繼通信軌道上的環繞器位於火星車的可通信區間時就可作為中繼星把火星車發送的數據中繼傳輸至地球測控站。另外，歐空局「火星快車」軌道器也可作為備份為我們的火星車提供中繼傳輸服務。

天問一號軌道器既能環火探測也能中繼通信

對地球直接通信方面，天問一號火星車採用X頻段低增益接收和定向收發天線，以便於火星車在環繞器運行到可通信區間外時直接同地球測控站取得聯繫。

在火星車著陸初期階段軌道器中繼通信是主要數據傳輸手段，展開正常巡視探測後，軌道器將進入環火探測軌道，屆時中繼通信將作為輔助手段，火星車直接對地球通信將是主要數據傳輸手段。

不論是中繼通信還是直接對地球通信，我們的傳輸速率都位居世界第一，這意味著在同樣的器地或器間聯絡時間內，天問一號數據傳輸效率更高。

天問一號火星車通信天線

由於烏託邦平原巨大的探測價值，火星車的有效載荷自然要「十八般武藝樣樣精通」。此次探測任務火星車共搭載了導航地形相機、多光譜相機、火星車次表層探測雷達、火星氣象測量儀等6類科學儀器，它們將在巡視區火星表面形貌和地質構造特徵、火星表面物質類型分布、火星表層及次表層地質分層結構與組成類型等方面展開研究。多光譜相機位於火星車桅杆頂部正中位置，用於獲取巡視區火星表面可見光、近紅外波段高解析度多光譜圖像。

雙攝配置的導航地形相機可拍攝3D立體圖像

多光譜相機的左右兩側，分別有一臺由GNC分系統直接管理的導航地形相機，它們的解析度低於多光譜相機，除用於獲取巡視區火星表面立體圖像外還負責火星車的行進路徑規劃。

火星氣象測量儀還將通過位於桅杆頂部類似麥克風的裝置拾取火星表面的聲音，由於火星車平臺重量、體積以及火星地表溫度環境的約束，火星車有效載荷分系統採用了集成度更高的一體化總體技術方案，最大限度將各有效載荷電子控制單元集成於艙內的分系統核心設備——載荷控制器中，實現了對有效載荷的集中控制和管理。火星車艙內設備除載荷控制器外還有表面成分探測儀的光譜儀，艙外設備除兩臺導航地形相機、一臺多光譜相機外還包括其它各載荷的探頭和天線部件。

火星車地面測試

為了應對火星表面高達100℃～150℃的晝夜溫差以及高達20m/s的風速，減少因此而加快的能量散失並提高能量利用效率，除使用更大面積的太陽翼外，研製人員還為火星車準備了兩件「法寶」——氣凝膠和太陽能供熱集熱器。氣凝膠是一種特製的隔熱材料，火星車上對溫度敏感的管路、設備以及蓄電池在它的保護下可極大減少熱量流失。

氣凝膠隔熱材料

太陽能供熱集熱器通過火星車車身中部一個像雙筒望遠鏡一樣的集熱窗吸收太陽能，然後將吸收到的太陽能儲存在一種叫正十一烷的物質中。白天，火星表面溫度升高，正十一烷吸熱融化，到了晚上溫度下降，正十一烷在凝固過程中釋放能量，供火星車使用。

集熱器的應用使我們火星車的能量利用效率達到了80%以上。氣凝膠+正十一烷太陽能供熱集熱器共同構成了「相變儲能」這一由我們率先應用的全新儲能方式。

天問一號火星車集熱器安裝位置

反觀人類到目前為止成功部署在火星表面的四輛火星車，前三輛（「傑索納」號、「勇氣號」和「機遇號」）無一例外全部應用了「氣凝膠+放射性同位素熱源」的組合來保存和產生熱量，就算是公認最先進的「好奇」號火星車，也是採用和放射性同位素熱源存在技術繼承關係的多功能放射性同位素熱電池來提供熱量。我們在缺乏相關技術儲備的情況下另闢蹊徑，反而創新研製出技術水平高於核熱能的正十一烷太陽能集熱器，不得不說這是我們的一個重大技術創新。

按照預定計劃，火星車將在成功著陸後3個火星日內依次展開桅杆、太陽翼和定向天線並與環繞器建立UHF器間通信鏈路，9個火星日內完成駛離著陸器至火星表面，15個火星日內完成初期數據下傳。

天問一號火星車具有高度自主控制能力

晴朗天氣時，火星車正常工作，工作模式包括待機/充電、環境感知、移動、探測、通信和火夜6種；當遇到沙塵天氣時，火星車進入最小工作模式；當遇到重度沙塵天氣時，火星車自主斷電休眠，以保護自身儀器設備免受惡劣天氣的損害。

火星車設計壽命為90個火星日，以6個火星日作為一個任務周期。預計明年5月份，將是天問一號火星車真正大放異彩的時刻，這將是整個任務中最有看點也是最具難點的部分，它若成功將標誌著我國此次探火任務取得完全勝利，從此將成為世界「探火俱樂部」中的重量級成員。

火星車次表層探測雷達測試

能夠造出性能如此優異的火星車，是強大工業能力的直觀體現。據聯合國所做的相關統計，中國工業體系是世界上最全面的，凡聯合國登記過的工業門類都可以在我們這裡找到。

近年來，隨著經濟高速發展帶來的綜合國力不斷提高，工業製造能力早已突飛猛進。不管是逢山開路遇水架橋織就世界最密集的高鐵網絡，還是以052D、055為代表的新一代海軍主戰艦艇「下餃子」般的服役列裝，亦或是「嫦娥四號」探測器代表人類首登月背，以及獨立自主地建立世界四大全球衛星導航系統之一的「北鬥」衛星導航系統，都是我們向全世界交出的優異答卷。

批量列裝的殲-20隱形戰鬥機

從1970年4月24日「東方紅一號」衛星的發射升空到如今「天問一號」火星探測器的順利啟程，再到今年十月份將要進行的「嫦娥五號」月球採樣返回任務，以及明年正式開始建設的首個近地軌道空間站——「天宮」，50年來，中國航天在無數艱難困苦磨礪下快速成長。

嫦娥五號月球採樣飛船年內發射

當年我們沒有合適的試驗場所，要在儲存肉禽的冷庫中為「東方紅一號」衛星做低溫試驗，科研人員的膠鞋都能被凍裂，做衛星真空試驗時，甚至要科研人員騎著三輪車去一車一車的拉液氮。

而如今，我們憑一己之力同時推進載人航天、北鬥導航、深空探測等多個世界級航天工程，自2018年以來甚至已連續兩年摘得航天發射次數世界第一的桂冠，在軌運營太空飛行器規模也已居世界第二位。

藍箭航天液氧甲烷發動機試車

一批有實力、發展勢頭強勁的民營航天企業近年來也快速崛起，依託世界第二大經濟體形成的航天市場「大蛋糕」在我們這裡也是越做越大……對比當年為航天事業做出開拓性貢獻的前輩們，如今的我們擁有更強實力去攀登航天科技一個又一個的新高峰！

作者：比閣鵬