7月23日,“天问一号”火星探测器将于文昌航天发射场由长征5遥4号火箭发射升空 。
此次要一次完成‘绕’(火星人造卫星),‘落’(着陆器),‘游’(火星车)三大任务。
对火星又看又摸,以解开其红色神秘面纱
然而,此次并不是以中国的首次火星探测努力。火星古称荧惑,2008年中国第一颗火星探测器以谐音命名为“萤火一号”。因为那时候中国地面测控网的天线发射功率和直径达不到技术要求等原因,方案为搭乘顺风车,装在俄罗斯的福布斯土壤号探测器里面前往火星(萤火一号是下图中编号3的载荷)。2011年11月9日,萤火一号随福布斯升空。但俄方探测器未能成功变轨,2012年1月坠毁于太平洋。
“天问”名称源于屈原长诗《天问》,表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着,体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承,寓意探求科学真理征途漫漫,追求科技创新永无止境 。2020年4月,中国行星探测任务被命名为“天问系列”。天问一号是中国行星探测计划的首次任务。
开启征程
2020年7月23日12时41分,长征五号遥四运载火箭托举着我国首次火星探测任务“天问一号”探测器,在中国文昌航天发射场点火升空。
踏上火星之旅
发射成功!
7个月以后(2021年2月)抵达火星。
太空竞赛也是大国竞争的一部分
我等吃瓜群众只消欣赏美图
文昌边上铜鼓岭所摄,而卡角要用飞行器才有此种效果
垂直上升
平流层拉烟
荧惑难,难于上广寒
登陆火星难度要比登陆月球高个数量级。主要是火星有大气,但是又稀薄。减速没大用,但是防热气动又不得不考虑。比如超音速开伞(下图中1.66马赫),这种在地球上再入都不需要解决的事情,在火星上就是一个绕不过去的鬼门关。
从着陆器分离到着陆,是最难熬的7分钟。动作全靠着陆器自动完成,不能出一丝一毫的错误,而地球上的科技人员只能等待结果。相比,嫦娥三号的月面着陆就简单多了,基本上就是火星着陆的最后几步。
而且在火星着陆之前,还要进行深空测控。中途修正,制动捕获,离轨着陆,以及火星车信号传输,都是科学技术的考验。
同期待,给火星车起个名吧
从起飞到着陆,火星车在天问一号肚子里呆9个月,然后破茧而出。现在这个宝宝名字还没有起,这里就抛砖引玉,先叫她“天蚕”吧。但愿这个上了天的蚕宝宝到火星上东游西爬,留下串串小脚印。
注:而为了增加公众对航天事业的参与感,很多航天项目都会进行征名活动,比如中国火星探测任务的名字“天问”,就是从全球征集而来(比原来暂时起的名字“火星一号”有品多了)。接下来,国家航天局探月与航天工程中心还将联合百度App启动对中国第一辆火星车的全球征名活动,让我们也群策群力。
天问一号要在太空画个大问号
这个问号就是天问一号先进入火星低倾角轨道再大幅度改变倾角进入极轨的轨迹:
即下图步骤4中倾角10多度到近90度的机动:
欧洲火星快车(Mars Express)在2003年底做过类似机动,进入极轨,以找寻丢失的小猎犬2号着陆器(Beagle 2 lander):
天问一号对火星进行全方位的”望闻问切“(既是轨道器又要释放着陆器),变轨要更复杂。轨道模拟可参考由中国科学技术协会和中国科学院计算机网络信息中心联合出品的"天问一号:中国首次独立的火星之旅(用喀尔巴太空软件模拟)TianWen-1: China's first independent journey to Mars (Kerbal Space Program simulation)“。目前只找到你土鳖上的:https://youtu.be/cibwHSTzRXw
这是其中的截图(这个角度看更像丘比特放箭):
托超级计算机的福(可能是“天河一号”,兔子就喜欢上天入地的干活), 天问一号的轨道计算可谓随心所欲,令人发指。按照发射时间的不同,就计算出42条不同的发射轨道(参考“天问一号”探测器成功发射探火之路要经历什么?”,居然在中央纪委国家监委的网站上)。
瞄准火星
牛年将至,「天问一号」也即将进入火星轨道,先打个照面:
由于是黑白的,使得这张火星照片和月亮图像有点像。 这是因为拍摄照片的是装有长焦镜头的导航敏感器,其使用的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器本质上是单色(黑白)光敏器件,如要彩色则需加滤镜,不利于数据采集和处理。利用导航敏感器所提供的精确光学信息,「天问一号」作了进入火星轨道之前最后一次轨道修正,准备一杆进洞。而之前几次的轨道修正是基于地球上的深空雷达所提供的导航信息。在如此远的距离,从地球上用微波所确定的方位已比不上用探测器自身光学设备探测来的精确。
即使不是用专职彩色相机所摄,照片上火星上一些标志性地貌仍清晰可见。①阿茜达利亚平原;②克律塞平原;③子午高原;④斯基亚帕雷利坑;⑤水手谷。
进入环火轨道
2月10日晚19时52分,“天问一号”在离火星400公里的近地点处点火3000N主发动机实施800多秒的刹车制动,进入环绕火星倾角约10度的“赤道”轨道,周期约10天。类似于下高速公路,错过这个“匝口”, 天问一号要等12年才能和火星再度交会。
进入环火轨道后,“天问一号”要在5天后到达远火点时进行一次平面机动,调到接近90度倾角的极轨,画个心形问号,问候火星。
然后就是探测任务中技术风险最高、技术难度最大的火星着陆了。相比登陆月球和返地再入,火星上的超音速开伞是巨大的考验。
天问发来了“月牙形”的火星图
2021年3月26日,国家航天局发布2幅由我国首次火星探测任务天问一号探测器拍摄的南、北半球火星侧身影像。图像中,火星呈“月牙”状,表面纹理清晰。下图南半球影像由天问一号中分辨率相机于北京时间2021年3月16日拍摄,此时环绕器轨道高度约1.12万公里。
天问一号探测器飞行至距离火星1.1万千米处,利用中分辨率相机拍摄了火星全景。此时,由于探测器处于火星侧后方上空(以面向太阳为前方),得到两幅“侧身”影像。下图北半球影像由天问一号中分辨率相机于北京时间2021年3月18日拍摄,此时环绕器轨道高度约1.15万公里。
目前,天问一号探测器已经在停泊轨道运行一个月,高分辨率相机、中分辨率相机、矿物光谱仪、火星能量粒子分析仪、离子与中性粒子分析仪、磁强计等载荷陆续开机,对火星开展探测,获取科学数据。下图是合成的火星全景 (可见火星薄薄的大气层)。
祝融将登临火星
祝融号着陆器2021年5月就要登陆火星了。
祝融将与天问1号分离,经历火的考验后成为真正的“火神”,巡游火星。
登陆地点(Tianwen-1)位于火星北半球乌托邦平原的北纬24.748°,东经110.318°的100*40公里的椭圆区域内。此地点地形相对平坦,而且具有较高的科考价值。让我们共同期待!
祝贺祝融号火星车成功着陆!
据新华社消息,5月15日,天问一号探测器的着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区。
中国航天器首次奔赴火星,就“毫发未损”地顺利出现在遥远的红色星球上,完成了人类航天史上的一次壮举,实现了我国首次地外行星着陆。
着陆后,“祝融号”火星车成功传回了遥测信号。
凌晨1时许,天问一号探测器在停泊轨道实施降轨,机动至火星进入轨道。
4时许,着陆巡视器与环绕器分离。历经约3小时飞行后,进入火星大气,经过约9分钟的减速、悬停避障和缓冲,成功软着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区。
从进入火星大气到着陆火星表面是整个火星着陆过程中最为惊险的时刻。我国天问一号任务火星着陆分为气动减速、伞系减速、动力减速、悬停避障与缓速下降四个阶段,历时“惊魂九分钟”。
两器分离约30分钟后,环绕器进行升轨,返回停泊轨道,为着陆巡视器的后续探测任务提供中继通信,搭建起地球和火星之间的通信桥梁。
后续,“祝融号”火星车将依次对着陆点全局成像、自检、驶离着陆平台并开展巡视探测。
祝融御寒
比起玉兔的广寒宫(温差超300度),祝融的火星家园乌托邦平原纬度小于30°,温度环境好的多(温差50-100度) 。即使这样,那里仍然比地球的南极更冷。玉兔自带了同位素热源,祝融没有这样的核暖宝宝(美国火星车带了),如何御寒呢?
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首先祝融表面覆盖了一层纳米级气凝胶隔热复合材料。气凝胶的骨架颗粒减少了固态热传导,纳米级孔减少了气体热传导和对流传热,同时复合材料纤维减少了辐射传热。三管齐下,让祝融穿上保暖衣。
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其次,由于火星昼夜交替较快,所以可以白天吸热,晚上放热。这原理如同以前冰箱用的氟利昂用液态和气态之间转化吸放热。但是气态体积太大,所以祝融用的相变保温材料是固液态的正十一烷: 固态到液态吸热, 液态到固态放热。祝融的背部有两个集热窗,下面就是装正十一烷的容器。白天祝融晒太阳,尽量吸收热量,晚上慢慢释放,以抵御严寒。有了这样的太阳能加热器,祝融就可以不受冻了。
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【整理】祝融着陆火星关键步骤回顾
1. 电源信号连接脱开:
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2. 环绕器和着陆器分离:
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3. 扰流板打开,保持攻角、气动减速:
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4. 超音速开伞:
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5. 抛大底:
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6. 撑脚张开:
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7. 抛顶罩:
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8. 悬停避障:
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9. 接地:
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【原创】祝融超能力
祝融火星车登陆星后,将开展为期90个火星日(和地球日差不多)的科学探测任务。祝融将绘制火星地质结构图,调查水冰分布和土壤特征,分析火表物质构成,测量火星气候和电离层,还会探索火星的电磁场。
导航地形相机是祝融的眼睛,长在桅杆顶部,站得高看得远。和人眼一样,相机左右各一个,可获取三维立体图像。上图桅杆刚刚升起,祝融还两眼低垂。等到眼睛平视,就可将可见光数据通过天问一号轨道器上传到地球上。科研人员可以用来研究周围地形,发出导航指令。将来还可以让普通大众“登临”火星,甚至用VR眼镜身临其境。
祝融两个眼睛中间还开了“天眼”,以看到肉眼不能看到的光线:多光谱相机。祝融的多光谱相机拥有可见光以外的八个光谱通道,负责筛选火星表层元素,矿物质和岩石种类。
对感兴趣的矿物岩石,祝融将用“火眼金睛”仔细勘察:激光光谱仪。它可以发射上千千瓦高能激光脉冲,聚焦在0.1平方毫米面积的矿物岩石表面,局部气化物质。对产生的等离子体测量原子光谱,以准确获取物质元素的成分和含量。
对深入火表的物质和结构,祝融也有办法:次表层雷达。发射的微波可深入地表10至100米,探索火星土壤结构并寻找水冰。如果地下有水,人类将来移民火星的时候,也许可以挖洞穴居。
火星上气候不仅恶劣而且多变,风沙会对祝融的太阳能板和精密仪器产生危害。为此,祝融自己带了个气象站。其气象观测仪负责测量温度,气压,风速和方向,以检测火星表面的气象。在风紧扯呼的时候,不必硬刚,可以找个地方先窝起来。
祝融还有一个火星表面磁场探测仪,将和天问1号轨道器上的磁场仪共同探测火星磁场。天问1号轨道器上的磁场仪进行磁场普查,而祝融火星车上的磁场仪进行磁场详查。一般认为,火星也曾经有过全球磁场,以及大气和地表水。然而随着火星金属核的冷却,磁场逐渐消减,才变成现在这样一个荒漠。和地球上全球性的偶极磁场不同,火星上的磁场是零星和碎片化的。没有磁场将太阳风推开,火星大气被逐渐剥夺,水分子也不断流失。地球的运气好些,由于初期和另一颗火星般大小的行星相撞,两个金属核合并,得到了一个“超大”的地核,直至今日还没有冷却。而月球就是那次碰撞的”证据”:月球无核,月岩和地表成分差不多。即便如此,地核有朝一日也终将会冷却,到时会又会成为下一个火星。对火星磁场有更深入的了解不仅对地球的磁场演化打开“穿越”之窗,也有助于将来人类登陆火星作准备(比如在磁场较强的区域,可以得到更多的保护)。而且,人类将有史以来第一次经历可能来临的地磁逆转。 而地磁逆转的发生常常伴随着磁场强度的减弱,当地球磁场减弱到全部磁性的10%左右时,磁场方向将发生约180度的翻转。所以了解火星弱磁场和太阳风的交互作用,可以让人类在地球上未雨绸缪。
愿祝融这个火神能大火!
【原创】祝融的火眼金睛
祝融的火眼金睛“火星表面成分探测仪”由中科院上海技术物理研究所负责研制,主要部件是激光诱导击穿光谱仪(LIBS)。激光器对0.1平方毫米左右的区域发出瞬时功率达到百万瓦的强激光脉冲。光点处的矿物或岩石会瞬间被激光加热为等离子气体。光谱显微成像仪记录下气体的光谱。每次探测用时300毫秒,计算机再通过分析光谱得到元素的种类和含量。
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祝融火眼用的是固体激光器中广泛应用的掺钕钇铝石榴石(YAG)激光器,激光发射波长为1064纳米。一般脉冲宽度达毫秒的YAG激光器单脉冲能量都可达到焦耳级别(1000mJ)。
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储能装置应该是宇航级超低等效串联电阻(ESR)的钽质电容器。钽质电容器是电解电容的一种,其中以钽金属颗粒为阳极,外围有绝缘氧化物五氧化二钽膜作为介电质,外层有液态或是固态电解质为阴极。因为钽质电容器的介电层很薄,而且电容率较高,因此钽质电容器的单位体积电容比闪光灯用的铝膜电容要高,其重量也较轻(当然要贵很多)。即便如此,储能装置和激光器也有较大的体积和重量,使得激光光谱仪占了祝融有效载荷重量的一半以上。
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如此“笨重”的YAG激光装置只能装在祝融的底盘上,而激光束通过可以二维旋转的反射镜投射到指定的位置。 所以祝融身上露出来的火眼金睛只是其冰山一角,底下除了激光装置还有光谱仪。
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【原创】祝融验光
难道祝融得了近视需要验光?不是,是祝融的光谱仪需要在火星环境中校准。祝融有不止一个的光谱相机,用来识别火表岩石和矿物。最显眼的是桅杆头部两个可见光地形三维相机中间的多光谱相机。它可覆盖的光谱包括可见光到近红外的9个波段,以便让祝融对巡视区附近的矿物岩石进行划分。为了对多光谱相机进行标定、以获取更准确的火表物质光谱,祝融的尾部装有一块定标板。上面有一突出物体,应该是发光二极管(LED)作为定标光源。在火星上,红外背景等的干扰和地球上的不同。在地球上标定好的多光谱相机,到了火星上就会“水土不服”。所以需要用定标板来进行校准,去除干扰。
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在真空环境中,光谱仪的标定就不容易发生变化。在天问一号环绕器上也装有火星矿物光谱分析仪,获取火星表面可见光至中波红外宽谱段的光谱成像数据,也就是从400纳米到3400纳米。其不仅涵盖的谱段宽,而且光谱分辨率达4纳米(相当于看彩虹分辨出576个不同颜色),为矿物资源分布和火星地质环境的探测提供科学数据。火星矿物光谱分析仪采用推帚式成像。相比普通相机一次只看一个谱段的信息,推帚式成像可以同时看到576个谱段,然后就像扫帚一样随卫星运动向前扫动,得到不同位置目标的几何形状信息。为了把火星矿物的红外信号测得更准,研究人员突破了红外背景抑制、组合定标等关键技术,在地球上就用各种方式将火星矿物光谱分析仪校准好了。
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除了多光谱相机,祝融上的火星表面成分探测仪带有对激光加温产生的等离子体观测的激光诱导击穿光谱仪(LIBS),覆盖从紫外到近红外的光谱(240-850 nm)。另外,表面成分探测仪还带了近红外光谱显微成像仪(SWIR)和微成像相机,都放置在反射镜下方的透镜底下,类似于一个大号的单反相机。SWIR覆盖850~2400 nm的光谱,用于矿物和岩石的仔细分析和识别。微成像相机的分辨率达900~1000 nm,可以获得探测目标的高空间分辨率图像。在桅杆上多光谱相机筛选出感兴趣的岩石矿物后,祝融再用SWIR对目标进行详查。确定了取样点后,微成像相机进行摄像和瞄准。然后固体激光器发出1毫秒左右的强脉冲,由LIBS光谱仪对所产生的等离子体进行记录,300毫秒内搞定。
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对于相同的物质,一样的激光脉冲在火星上产生的等离子体和在地球上的也不同,所以也需要标定。美国2011年发射的“好奇号”火星车上有一台称为化学相机(ChemCam)的LIBS,安装了一个激光定标板。由于天问一号火星探测与法国建立了双向的数据开放合作,通过法方的牵线搭桥,同样规格的定标板这次也分别安装在了美国“毅力号”火星车和祝融上。在火星上,祝融将用激光在标准样本上打出的定标等离子体来校准LIBS光谱仪。
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祝融迈步
祝融马上就要迈出火星第一步,这一刻会被记录下来,就像玉兔2号踏上月球背面。
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祝融发回的第一张全色黑白照片是避障相机所摄。避障相机前后各两台,用广角镜头对进退方向进行观察。
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在火星上,避障相机让祝融尽量避开每一块尖锐的石头,以免弄伤“脚”,免得像好奇号火星车,两年就作拿破轮状、准备养老。
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首张黑白照片上面有祝融的右前轮,所以拍摄的应该是右前方的避障相机。导轨上有防滑条,和金属车轮横凸纹“咬合”,让祝融不用担心会坐滑滑梯。祝融踏上火星的那一刻有至少7台相机从各种角度拍摄。着陆器平台左前方有一个专门拍摄祝融“证件照”的相机,那时会拍摄到祝融下平台过程中的底盘。靠近祝融有两个3镜头装置,错开角度放置,每个镜头管60度,6个做到360度无死角,可以拍到祝融绕着着陆器平台画圈。
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下导轨的时候,避障相机前后配合、保证祝融安全接地气。这一步祝融在地球上已经训练了好多次了:为了模拟火星重力,还套上了减重力索和传力构件, 让六个轮子和导轨的受力和真实情况一致。那时,处在胚胎阶段的祝融还没装太阳能电池、靠着脐带供电呢。
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着陆器平台上也没有安装太阳能电池,这些相机又是如何得到电源,所拍摄的影像又如何上传地球?平台上用了一次性的锂氟化碳电池组,对着陆器在和环绕器分离后供电。和锂离子电池相比,锂氟化碳电池是锂金属电池,不能充电,但较轻(减重了5公斤),而且比较耐受高低温,可长寿命贮存和大电流放电。在“恐怖9分钟”里,锂氟化碳电池组大电流放电,保证着陆器上的控制系统,雷达和摄像头的工作,功不可没。目前,着陆器平台上的电池发挥余热,供电给多个相机给祝融摄像。着陆器平台上也有特高频UHF天线,和祝融上的天线通连就可分享照片和录像。这些影像再由祝融通过天问一号的中继传到地球,我们就可以看到祝融在火星上的行动了。
可以,不过黑白有畸变8
下图前后都有两台避障相机,视角略有不同,有三维效果。
祝融桅杆顶部的那对导航相机分开较远,彩色高分,更加适合三维成像。
所获360度全景图像最适合VR眼镜,以后一定会让我们身临其境。
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【原创】祝融日晷28
祝融的尾部装了一个像日晷一样的装置,其实就是多光谱相机的定标板。上面的像火柴的突出物体是阴影杆,类似于日晷上的针,用来确定阳光入射角度。祝融降落的位置在北纬25.1度,而火星自转轴倾斜角度是25.19度。同样巧的是,现在2021年5月中下旬也是火星上的春末,这样太阳在祝融所在地正午的入射角在15度左右。照片上阴影的长度约杆身长度的四分之一左右,可知照片拍摄的时间差不多就是正午,而祝融在着陆器平台上的朝向是面北背南。围绕定标板阴影杆的是灰度环,四周还放置四个彩色块。 阴影柱由铝制成,并涂有超低反射率的黑色涂料。灰度环由反射率较高的烧结氧化铝和反射率较低的釉面哑光硅酸铝组成。彩色块由釉面哑光硅酸铝制成,顺时针方向有红色,绿色,蓝色和黄色。
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祝融桅杆顶部中间的多光谱相机对火星岩石成像时检测到的反射光谱与光源和反射率相关。太阳光谱和火星到太阳的距离是已知的,但是经过含尘大气不同角度的“过滤”,火星表面光线照度每时每刻都在变化。定标板能为多光谱相机所摄照片确定当时的照明条件。在对岩石照相时,祝融可以原地旋转、让尾部对准目标。这样,多光谱相机至少在一张照片中会将岩石区域和定标板一起摄入。这较短的时段里,光线条件相差很小,同组照片都可以用定标板上的标准校色。
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祝融的多光谱相机覆盖的光谱包括可见光到近红外的9个波段。它在可见光波段获取标准的红-绿-蓝的彩色图像,再通过其它8种近红外滤光片,对每个像素进行标注。祝融将多光谱照片回传后,地面科研人员通过相同的滤镜将这些图像与当时定标板的图像一起显示。由于定标板上彩色块和灰度环的反射率已知,他们可以计算出火星岩石不同光谱下的反射率。这种精确的图像信息能够分辨出不同的矿物和岩石类型、以识别感兴趣的目标让祝融用激光光谱仪等进行详查。
【整理】天问实时传送祝融踏上火表
5月22日10时40分许,在北京航天飞行控制中心,一名工作人员正在拍摄祝融驶离着陆平台画面。箭头指示火星车向北偏西一点走下平台。
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此时天问一号环绕器在近弧段祝融的上空,实时将画面和遥测数据传递回地球。
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还是多相机直播,有右侧前向避障相机A的截图为证:
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祝融迈出关键一步,走了0.522米,纪念5月22日这个迈上火星的日子。
【原创】祝融治沙
火星上风沙大,而祝融又是靠太阳能板取得电力的,如何解决尘土遮盖太阳电池片的问题?从祝融传回的照片看,太阳能板不是靠弹簧打开的,而是动作电机。这就说明太阳能板打开后还可以抬起来至任何角度直至合上。这和其它的火星车设计都不同。比如勇气号(Spirit)和机遇号(Opportunity)火星车的太阳能板打开后就不能再动了。那为啥祝融要这样设计呢?
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他山之石可以攻玉,先来看看两位先锋的故事。勇气号和机遇号都是太阳能动力,个子比祝融小些,同样设计寿命都是三个月。勇气号2004年1月3日着陆火星表面,由于太阳能板的蒙尘,电力供应一直在持续下降。幸运的是,2005年3月和2009年2月的两次大风吹散了尘埃,从而其电力得到恢复。2006年,六只车轮中的右前轮失灵。2009年5月,在通过特洛伊沙地时,勇气号另一个轮子故障,无法动弹直至失联。其孪生妹妹机遇号运气更好,2004年1月25日着陆火星表面,在火星上跑了个马拉松,直至2018年6月被沙尘暴覆盖。
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看来祝融在火星上最大的敌人是沙尘,大风虽然可以吹掉太阳能板上的蒙尘,却实在不可控还是扬尘的罪魁祸首。祝融把太阳能板竖起,上面的尘土就可以靠重力和风力共同的作用回归火表。火星上的尘埃很细,首先需要让它们不会“粘”太阳能电池片上。祝融的太阳能电池片表面用了“超疏基”微结构膜,减小了火星尘埃与电池板表面的摩擦,让尘埃像鸭毛上的水,很容易滚落(汽车防尘玻璃、防尘贴膜等都是这个原理)。在下面的实验中,右侧的表面采用了“超疏基”微结构膜,竖起来以后,大部分尘埃都滑落了,而左面常规表面上的尘埃就比较顽固。
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为了防止电缆在太阳能板起竖过程中弯折掉落,祝融很贴心的提供了托架。玉兔1号的电缆在使用中掉落到下面,挂到岩石上,被弄断导致故障。玉兔2号吸取教训,采用了类似于祝融用的电缆托架,目前还在超期服役。祝融计划任务三个月,之后天问1号环绕器要执行其它任务,暂时不能作中继了。火星现在相当于初夏(今年正好和地球上的差不多),祝融完成3个月的探测任务后,北半球就是夏至、是最热的时候。之后,就要慢慢进入秋冬,天气也会逐渐变坏。祝融得先找个避风得地方,躲过沙尘暴,熬过多事之秋冬。等到天问一号完成其它火星探测任务,再回来团聚,这次祝融想玩多久就玩多久。而祝融在疗养时,白天天气好可以打开太阳能板获得电能和热量,晚上或天气不好时,则合上太阳能板窝起来。这样养精蓄锐,才能宏图大展。
【原创】祝融踏上火星动画18
用前避障相机B的5帧截图和后避障相机A的5帧截图(共10帧截图)做了一个动画。最后两帧画面之间(后避障相机的第4帧和第5帧)可见平台左侧悬挂的五星红旗迎风飘扬。
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【原创】祝融越野
祝融不会飙车,只会如履薄冰,因为火星表面看似坚固,下面可能是“流沙”,一不小心就会陷进去,步勇气号(Spirit)的后尘。
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2009年5月,勇气号的一个轮子陷入沙子,就像沼泽地越挣扎陷得越深,无法动弹,止步第三个火星年。
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引以为戒,祝融在设计上不是仅仅采取通常越野车的4驱方式,在6个轮子都可作为主动轮的基础上,又通过可以差动的行星齿轮系、让每个都拥有可以抬腿的超能力。
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如果有轮子陷入沙里出不出来,祝融就会从“火星跑车” 切换到“火星骆驼”模式:轮子不再转动而成为了宽大的脚。陷得最深的轮子以其它5个为支点,向上拔出来,跨一小步。然后其它轮子依次向前一步一个脚印地走出沙地。
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如果要爬阶梯状陡坡,祝融可以同时向斜上伸出并排的两个前轮,然后是两个中轮及后轮,有点像手脚并用一样地爬上山。
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所以祝融比越野车更“牛”,同时拥有6个可转向的主动轮和6只可走路的大脚,让我们能看到火星上不同的地方。
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【原创】祝融发信
一晃,祝融已经登陆火星好几天了,大家心心念念的火表照片却姗姗来迟。和地球上拍照上传不同,火星上祝融要传回一张照片可不简单。由于地火距离遥远,无线电信号路径损耗巨大。祝融上有一个X频段定向天线(就是那口小锅),和一个特高频(UHF)全向天线。特高频使用分米波,频段在300-3000兆赫(MHz),包含广播电视(470MHz~770MHz)和无线网络WIFI(2.4GHz)。在移动通信网络中,载波频率越高,其传播损耗越高,所以WIFI的有效通讯距离比广播电视短。正因如此,祝融使用的特高频UHF频段会更接近于广播电视而不是WIFI,反正火星上也没有广播电视信号的干扰。即使这样,全向天线也就最多几百公里直线传输距离(这就是为啥电视塔越高越好),地球上要看祝融火星电视直播是指望不上了。而X频段使用厘米波段,频段在8-12 吉赫(GHz),属于超高频。照理说,其传播损耗比特高频UHF更高,但是祝融的X频段采用抛物面天线,其天线增益与载波波长的平方成反比(也就是频率越高,增益越大)。由于定向天线增益的抬升远超传播损耗的增加,同等功率下X频段传播的距离更大。
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当然,信号接收方也必须使用抛物面天线,而且是越大越好,因为天线增益与天线面积成正比。比如我国佳木斯的66米直径的抛物面天线专为深空探测建造,差不多是极限了。
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即使这样,由于祝融距离太远和信息传送功率受限, X频段直接对地通信数传速率极低,仅为16bps,即每秒2个字节。在祝融成功落火后,首次和地球的可见弧段仅约20分钟(地球快落山了,当然太阳还没下山)。在如此短的时间里,祝融只能传输10帧数据,而地面根据这些信息在第一时间判断其生存和工作状态。计算机无线通讯里最小的帧值是64字节,而最大的帧值是1518字节。祝融直传地球一帧最多用时2分钟,这样每帧的大小为240个字节不到。一般情况下,前面几帧数据都是用于同步、校验等工作,并不是有效数据。但落火的10帧数据太宝贵了,中电科十所研发团队创造性地提出了“数据慢帧优化处理机制”,能做到信息首帧即完成同步/校验及有效数据解调输出上报。这样就实现了落火阶段极低码率数传信号的接收,1比特不浪费地为飞行控制中心提供了全部可获得的祝融落火工况信息。如此,我们才能在新闻里听到根据遥测信息,祝融成功落火,导轨放下、太阳能电池板展开、解锁机构开启等等操作顺利完成了。下面就是根据遥测信息所指示的祝融状态图。
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祝融可以用X频段定向天线每天向地球汇报一下身体状况和火星天气等,但是要用它来传图片就勉为其难了。要传图片就必须通过运行在火星极轨(86.9度倾角)的天问一号轨道器中继。5月15日7时许,祝融落火,此后天问一号在265×65000km的停泊轨道上又飞了1圈,用时两个火星日(约49小时)。到5月17日8时许,天问一号在靠近祝融号的近火点,制动进入265×15000km的中继通信轨道,周期为1/3个火星日。所以首次可以进行几百公里近距通讯的时间是5月18日9时许。这种通讯是双向的,祝融号可以接受地球给它发送的指令。同时祝融应该已向天问一号发送了所拍摄的一些照片,但要等天问一号把比较多的照片收完后找一个合适的时间,将这些照片打包一次性传往地球。
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近距通讯一次可以传送20Mbit,转化为字节只有2.5MB,压缩的图片最多传几张。所以天问一号需要在远火点附近通过X频段接收祝融发送的信息作补充。那时候天问一号速度最慢,祝融的X频段定向天线只须指向天问一号的轨道远火点,就可以有大致25分钟的通信时间。而且,祝融上X频段的定向天线似乎是单向的,即只能发送不能接收。所有的50Mbit信息都是上传的,转化为字节有6个多MB。 由于受太阳能供电约束(这点上,核电池有优势),祝融必须在阳光较强、电量较充足的时候才能用X频段定向天线较长时间发送信息。这样,每隔3个火星日,祝融和天问一号才能进行一次器间X频段通信。在三个火星日的周期里,祝融共可向天问一号发送约100多Mbit,差不多15MB的信息。假设首次远距X频段通信不须等到首次近距特高频UHF通信后的第三天、而是第二天甚至第一天就可进行,并且在远距X频段通信后不久天问一号就向地球发送,那么我们最早在5月20日左右,可以看到最多约十张(10MB)的照片。当然,真正的时间可能更长,酒陈更醇吗。
祝融来信20
来自火星的一封信:祝融号火星车首次通过环绕器传回遥测数据
- 中国探月工程
5月17日8时,天问一号环绕器
已实施第四次近火制动,
顺利进入周期为8.2小时中继通信轨道。
在这一阶段,环绕器的主要工作是
做地球和火星之间的“信使”,
进行“地火传书”。
目前,祝融号火星车正在按计划
开展周围环境感知和状态检查,
各系统工作正常。
就在昨天,两器已建立器间通信链路,
第一次通过环绕器传回火星车遥测数据。
天问已至,
求索无疆。
原创】祝融透视
最后聊一聊祝融的透视能力:次表层探测雷达和磁场探测仪。两种仪器的传感器都是成双成对,但却是有不同分工。次表层探测雷达有低频(55 MHz)和高频(1300 MHz)两个通道。低频通道探测火星地下100米的深度,分辨率米级。高频通道探测火星地下10米内的结构,分辨率厘米级。两者配合,用于研究火星表面和地下的土壤、冰层厚度和结构。每个通道有两个天线,一个发射电磁波,一个接受反射的电磁波。低频通道的天线为鞭状,而高频通道的天线为盒状。下图祝融在实验室中展示的时候,为了避免不小心的触碰,在祝融“辫子”上系上了红头绳。
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祝融在火星巡游时,次表层探测雷达将雷达电磁波向火星地面发射。由于火星土壤非常干燥,电导率很低,大部分电磁波会透射进去。电磁波沿着这样的土壤一路向下,直到遭遇与火星土壤电导率显著有区别的界面时(水冰、金属等)被反射回来,被接收天线拾取到。这样,祝融就可以观察到火星地表下100米深度之内的次表层的地层特征,比如雷达波反射率很高的含水层、沉积层和矿物层。这些地层特征,可以帮助人类了解火星的地质历史,也为将来移民火星提供自然资源方面的资料。
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祝融的桅杆上还安装了两个火星表面磁场探测仪的探头。之所以安装两枚探头,是因为祝融本来就是一个强的磁场源。两个探头位置不同,各自受到火星车造成的不同磁场干扰。但二者受环境磁场的影响是相同的,因此通过差分,可以提取环境磁场信息。如果想要测量火星相对很弱的环境磁场,必须要用电脑实时处理差分的算法,将祝融本身的磁场筛除掉。
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通过火星表面磁场探测仪,祝融可以探测着陆和巡视区域的磁场,确定火星磁指数。还可以与天问一号环绕器上的火星磁强计一起,探测火星天然磁场跃变,了解火星内部局部构造。火星的核心虽冷却,不再制造强劲的偶极磁场,但岩石圈仍留下一些剩磁。这些岩石圈的剩磁大多来自于火星全盛时期的地质活动。祝融通过发现的磁场信息,兴许能够破解这些发生在地下深处数百千公里深直达火星内核的秘密。
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祝融的磁场探测仪不仅对火星的地下可以进行深度透视,还可仰望天空。祝融头顶的太阳风在不断与火星的电离层发生着作用,不仅带动着电离层起起伏伏,同时也产生出各种磁场波动。对火星大气电离层的空间磁场和电流进行分析,可以帮助研究火星电离层电导率等特性。
美国在火星轨道上有多颗中继卫星
所以每次发射火星车都不带环绕器,不刹车直接往火星大气层里冲。由于速度快,从进入大气到着陆的那段时间被称为“死亡7分钟”。
“天问一号”首次踏上火星之旅,环绕器兼具探测器和中继卫星的功能。由于组合体首先需减速被火星捕获,所以,祝融进入火星大气时的速度较慢,闯过“恐怖9分钟”。
由于美国在火星轨道上有多颗中继卫星,所以着陆器几乎一打开天线就可以传图像,地面上很快就能看到第一幅照片。下面的黑白小照片就是最新的核电池动力火星车坚毅号所摄的第一张火星图。希望这次祝融给我们首秀的就是精美大彩照。
所以,通信速率方面应该没有太大的差别,但是在通信次数和时长上,中继卫星多的当然有优势。