核電池+六輪驅動,這款電動「越野車」最近很火,但只有美國能產

2020年無疑是一個航天大年，阿聯希望號、中國天問號、美國毅力號三大探測器在一個月內相繼發射前往億萬公裡外的火星。其中以我國天問號和美國毅力號最為引人注目，因為只有這兩個任務將登陸火星，並放出火星車。我國自不必多說，繞、落、巡三階段一次任務全突破，可謂開創了人類火星探測史，難度極大，深受國人期待。而經驗和技術均領先的美國，其任務難度相較不大，卻因跟咱們有直接競爭關係，在國內吸引了諸多網友關注和討論。

不過雖然「毅力號」最近很火，深入介紹的卻並不多，因此本文將按照以往分析地球車的順序方法，來試著解析美國「毅力號」火星車，探尋：火星車在火星上，究竟怎麼開？

動力：核衰變

「毅力號」火星車在動力上，採用純電機六輪驅動，6個驅動電機分別裝在六個直徑52.5釐米的大尺寸鋁製車輪內，每個車輪都能獨立啟用。而且前後兩對車輪均為轉向車輪，四輪轉向可使毅力號具備原地360度旋轉的能力。再加上搖臂式獨立懸架，能夠通過調整支撐杆角度，來調節懸架高度，以應付複雜的火星地形。

車輪內側的電機

電力源，則來自於一臺鈽-238衰變核電池，以及兩臺43Ah（安培時）的鋰離子充電電池。核電池藉助放射性元素鈽-238衰變（有88年的自然衰變）放出的能量發電，說是核電池其實更像是「燃料」發電機，只不過燃料從石油提煉物變成了鈽的氧化物。「毅力號」上4.8公斤的氧化鈽「燃料」發的電，理論上能讓火星車運行至少14年；而且發電非常穩定，不像太陽能電池板那樣有許多局限，避開了火星塵暴對能量來源的影響。

黃圈內：核衰變電池

核電池位於火星車後部

不過放電功率很低只有110瓦，家用的話只夠點亮一顆燈泡；縱然在電量寬裕時，充滿額外的兩臺鋰電池以待高耗能時使用，也只有900瓦，這從根子上就限制了火星車的動力和任務。這樣的功率，即使是與咱們的國產微型電動車比，也要弱上幾百倍；如：寶駿E300，其電池足以驅動最大功率40kW的電機。

寶駿E300電池

看到這兒，可能不太了解航天的同學會問：既然電力不夠，為嘛不增加核電池或者鋰電池呢？

主要是因為現階段火箭運力都非常有限，只是這一個核電池和兩臺鋰電池，就已經重達71.5kg，在不削減科研和任務載荷的情況下，沒法再增加電池。這種情況跟咱們地球上電動車電池重量與續航裡程之間的衝突十分相似，要想續航高，電池就得重，電池重之後又會拖累續航……由於電池放電功率限制，因此「毅力號」火星車即便是六輪驅動，它的速度依然很慢。

速度：龜速

慢到什麼程度呢？最高時速152米，一小時可行駛152米。這啥概念？地球上體型較大的陸龜爬行速度：1-2km/h，人類正常步行時速：4-5千米，毅力號速度比龜慢10倍，比人慢30倍。用其直徑52.5cm的車輪計算，毅力號「輪胎」一個小時只轉92圈，一分鐘轉1.5圈，也就是1.5 rpm（地球發動機工作轉速2000-3000rpm）。實際速度還會更慢，NASA工程師表示，火星車一天前進兩三百米就能刷新火星上的陸地最快速度記錄了。其實這就是目前外星探測器的正常速度，就拿我國去年初成功登陸月球背面的玉兔二號舉例，到目前為止一年半了，它也只在月球上跑了不到500米。

科普：太空核能應用，目前分為核電池和核熱源兩類。核電池（核發電），就是毅力號這種，主要為太空探測器提供電能；核熱源，則只提供熱量，相當於探測器的制熱空調。兩者原理相同，只是核電池能將放射性元素衰變放的熱轉化成電能，而核熱源就只是利用放射性元素放的熱來抵抗太空超低溫對探測器的傷害。目前以核電池作為唯一能源的太空探測器，只有美國能造，而且是很早之前就掌握了的，比如四十多年前發射升空的旅行者1/2號，它們之所以還能從遙遠的太陽系外或邊緣傳回圖片，就是因為其身上搭載的三塊核電池為天線和儀器提供了電力。雖然我國也掌握了該技術，且部分應用於登月探測；但均為能源補充，主要用途還是「制熱空調」。（註：別以為掌握該技術的國家很多，其實只有中、俄、美三國。）

外觀：機器人

倒立的火星車底盤

毅力號火星車，整備質量1025kg，車身尺寸（不包括前端2米長機械臂），長3米、寬2.7米、高2.2米。重量尺寸與微型電動地球車相當，如寶駿E300 Plus，其重量也是1噸出頭，長2.9、寬1.65米、高1.6米，尺寸更為緊湊，但相差不大。以地球車的標準來看「毅力號」，它就是一臺動力超弱的微型電動「越野車」。如果說乘用車是人的安全運輸，那麼火星車就是科學儀器的安全移動，所以火星車可不講究美觀了，一切以方便科學儀器工作為主，張牙舞爪的外觀就在所難免了，說是車或許更像是火星探測機器人。

駕控：遙控車

筆者受知識所限，就不聊「毅力號」那些非常複雜的科學載荷，主要聊跟車輛屬性相有關的駕控配置。火星車的使用環境非常惡劣，不止有低至-78度的超低溫，行駛路面還都是崎嶇的荒漠戈壁，因此規划行進路徑就非常重要了，不然一不小心陷進沙坑或巖縫，就會重蹈「勇氣號」火星車的覆轍。所以火星車周邊的環境感知就成了重中之重，毅力號共計搭載了23個攝像頭，其中8個可用拍照或錄像的方式來獲取周邊「路況」，然後將圖像傳給地球控制人員，以便為火星車規劃前進路線，就像地球車上的360度環繞影像。

8個可用於自動駕駛的攝像頭

大多數時候，火星車都是被地球遠程操控，這些攝像頭就是控制人員的眼睛。不過為了應對信號延遲（來回最少十分鐘），NASA工程師也讓毅力號擁有了部分自動駕駛的功能，這時攝像頭就如同特斯拉汽車上裝備那些攝像頭，讓火星車進行視覺感知，並建立3D視圖，而後根據火星路況進行有限的自主導航和行駛。火星車自動駕駛和特斯拉自動駕駛的原理基本相同，說不上誰更困難，只是兩者應用場景有極大不同。

因為是車輛相關的小編，所以筆者只著重介紹了「毅力號」行駛相關的裝置，並未觸及其科學載荷；以至於除了核動力這一個亮點外，它看起來就是一臺動力弱雞的遙控電動「越野車」。但其實火星車要達到地球車一樣的動力水平，是沒有太多技術難度；火星車的難點不在於自身，而是受限於運載火箭的負載能力，以及火星降落的高風險。要是一次性能運個三四十噸，並且攻破了火星降落難點，那開火星車在火星上飆車都能做到。

總之，人類對宇宙的探索還任重而道遠，加油，科學家們！

備註：「毅力號」火星車的研發和製造花了22億美元。