祝融号：帮我传张图回地球可好？

2021-12-06 06:24 大字

祝融号：帮我传张图回地球可好？原创 Phil Leaf 果壳

12月1日，中国探月工程官方公众号透露——

2021年11月，我国“天问一号”与欧空局“火星快车”任务团队合作，开展了“祝融号”火星车与“火星快车”轨道器在轨中继通信试验，取得圆满成功。“祝融号”和“火星快车”中继通信示意图 | CNSA/ESA

“祝融号”作为我国成功着陆火星的首辆火星车，为什么会跟欧空局的“火星快车”合作，进行在轨中继通信试验呢？

这还要从上个月“天问一号”环绕器进入新的工作轨道说起。

遥感使命轨道

2021年11月8日傍晚，“天问一号”环绕器的四台120N发动机工作近260秒，速度增量约78米/秒，顺利降低了远火点和近火点高度，成功完成第五次近火制动，准确进入近火点约265千米，远火点约1.07万千米，倾角约87°，轨道周期约7.08小时（每个火星日绕行约3.47圈）的遥感使命轨道。火星轨道上的天问一号环绕器CG图 | 航天八院

在本次近火制动前，“祝融号”火星车着陆后，“天问一号”环绕器曾长期处在中继通信轨道，该轨道的近火点也为250~400千米，但远火点约1.6万千米，比遥感使命轨道的高出约6000千米。相对的，轨道周期也更长，约8.2小时，即1/3个火星日。

这一特性使环绕器在每个火星日内，正好绕飞3圈，其中一圈的近火点，必在“祝融号”火星车所在的乌托邦平原上空，从而可为“祝融号”提供中继通信服务。处在中继通信轨道的“天问一号”环绕器星下点轨迹如图。当时，轨道器每天绕火星三圈，必从“祝融号”火星车上空经过 | 微博@Vony7

可能有人会问了，“祝融号”与地面的通信非得靠环绕器这个信号中转站，就不能直接和地面联系吗？

答案是，能，又不完全能。

“祝融号”具备直接对地通信能力，但由于地火距离最远有4亿千米，最近也有5500万千米，直接对地通信链路的传输速率极慢，只有16bps。也就是说，“祝融号”每秒钟仅能发两个数字给地面，所以直接对地通信模式只用于传输拿来判断火星车状态的工程遥测数据，而数据量大的图像和其他科学数据只能依赖中继通信传回地面。“祝融号”火星车与“天问一号”环绕器中继通信动画示意 | 航天八院

既然如此，为什么“天问一号”环绕器要弃“祝融号”而去，转去一条新的轨道呢？

因为，环绕器不甘只当“信号中转站”，人家有着更重要的使命：火星全球遥感探测！“天问一号”环绕器遥感使命探测任务阶段概念图 | 航天八院

遥感使命工作中，环绕器上的中分辨率相机（分辨率100米，幅宽400千米）、高分辨率相机（分辨率最高0.5米，幅宽9千米）、次表层探测雷达、矿物光谱分析仪、磁强计、离子与中性粒子分析仪、能量粒子分析仪等7台科学载荷，将获取火星形貌与地质构造、表面物质成分与土壤类型分布、大气电离层、火星空间环境等科学数据，重点关注陨石坑、火山、峡谷、干涸河床等典型地貌和地质单元，实施高分辨率探测。天问一号探测器结构解析图 | 微博@WLR2768

火星全球高分辨率探测，要求环绕器相机在轨道高度低处（近火点附近）“拍照”，这样的“拍照”还必须覆盖火星全球，而不能一直只呆在“祝融号”上空。

这也是它此次变轨的原因——降低远火点高度，加快飞行速度，利用火星重力场特性（轨道摄动）实现近火点漂移（改变近火点所在的经纬度），这样就能实现不同区域的探测，覆盖火星全球不是梦！

一般来说，近火点漂移的规律为从南到北、再由北向南，如此循环往复，约200天能够实现对火星一次全球覆盖探测。按此推算，明年6月，我们应该就能见到国产的火星全球高清高精影像图了！天问一号环绕器对火星表面成像示意 | 航天八院

环绕器进入遥感探测轨道后，与“祝融号”中继通信的机会必然相对变少。为此，中国航天局早前就与欧空局建立了合作共识，“祝融号”将在欧洲“火星快车”轨道器的帮助下，增加中继通信的机会，提高通信速率和科研效率。有22个成员国、11个合作国的欧洲空间局的LOGO | ESA

火星上的国际合作

“火星快车”是欧洲空间局2003年发射升空的火星探测器，于当年年底进入环绕火星的轨道，至今已运行了18年。欧洲“火星快车”轨道器模拟图 | ESA

一般情况下，在建立中继通信前，轨道器会先向火星车发送一个“发起”信号，随后火星车回复“确认”信号，然后双方建立稳定的双向中继通信链路——就像朋友打电话需先拨通电话一样。

然而，“火星快车”发射频率与“祝融号”接收频率不匹配，不能通过“拨通电话”的方式建立通信链路。

好在“祝融号”发射频率与“火星快车”接收频率匹配，因此需要事先约定好通信时间，由“祝融号”直接发送数据，“火星快车”进行“盲收”。一旦检测到“祝融号”发出的信号，“火星快车”就会锁定并开始记录数据。火星快车号的MELACOM通信系统 | ESA

“火星快车”搭载的MELACOM通信系统在设计之初时就具备盲收功能。这原本是给跟“火星快车”一同奔火的“小猎犬2号”着陆器准备的。随“火星快车”一同奔赴火星的着陆器“小猎犬2号”的模拟图 | ESA

可惜，2003年圣诞节那天，“小猎犬2号”在着陆火星后失联，“火星快车”的这项功能一直没有机会启用过。

这次与“祝融号”的中继通信测试，是“火星快车”18年来首次在地外实测这一功能。

两个探测器协商后，安排了5个用于本次测试的器间通信窗口（以下均为北京时间）：

11月07日 20:07 – 20:17

11月17日 03:34 – 03:44

11月19日 04:27 – 04:37

11月21日 05:20 – 05:27

11月23日 06:13 – 06:22

在约定时刻，由“祝融号”向“火星快车”发送测试数据，通信距离约4000千米，通信时长10分钟。

“火星快车”接收数据后转发给欧空局所属深空测控站，测控站接收后发送给欧洲空间操作中心（ESOC），ESOC再转发至北京航天飞行控制中心，由中方技术团队解译后，判读数据的正确性。

根据数据判读分析结果，双方任务团队确认“祝融号”和“火星快车”配置的中继通信设备接口匹配，符合国际标准，传输数据内容完整正确，试验取得成功。发射天问一号的长五遥五火箭整流罩上有欧空局等国际合作方LOGO

此次中欧双方的火星探测合作，对我国而言，有助于提高祝融号的科学探测效率与地面所接收的数据量；对欧空局而言，既能共享祝融号科学数据，又能测试火星快车号的数据盲收功能。这可以说是一次“双赢”的太空合作典范。

后续，在本阶段试验的基础上，我国和欧空局进一步开展科学数据中继通信合作。中国火星探测LOGO | CNSA

在此，我们不妨再来回顾一下“天问一号”火星探测任务的历程和亮点。

“天问一号”漫漫火星路

2020年7月23日12时41分05秒，“天问一号”在海南文昌航天发射场101工位由长征五号遥四火箭发射升空，踏上奔火之路，笔者有幸在现场见证了这一历史性时刻。长征五号遥五托举天问一号发射升空 | 新华社胡喆

历时6个半月的航行，“天问一号”完成4次轨道中途修正和1次深空机动，于2021年2月10日通过第一次近火制动，顺利被火星捕获，开始环绕火星飞行。

有趣的是，在奔火途中，“天问一号”通过分离一台特制的WIFI相机，在深空中拍下了自拍照（下图），这在国际上尚属首次。“天问一号”在奔火途中的深空自拍 | CNSA

进入环火捕获轨道后，“天问一号”又在半个月内，通过远火点平面机动、第二次和第三次近火制动，进入环火停泊轨道。“天问一号”近火制动示意动画 | 航天八院

此时的轨道倾角由起初的10°变为约87°，即近乎垂直着火星赤道飞行，这是后续遥感探测所必需的条件；远火点高度由约18万千米降低至约6万千米，轨道周期变为2个火星日，可确保每次飞到近火点附近都在预定着陆区域乌托邦平原上空，使探测器能不断勘察着陆区域，为落火做准备。“天问一号”飞行轨迹 | 张荣桥

经过3个月的精心筹谋，2021年5月15日凌晨，“天问一号”完美执行了降轨制动、两器分离、环绕器升轨等一系列复杂动作。“天问一号”环绕器在两器分离时拍到的逐渐远离的着陆巡视器 | CNSA

当天7时左右，着陆巡视器以4.5千米/秒的速度冲入了火星大气当中，开始了进入、下降和着陆（EDL）火星的关键而恐怖的9分钟。贾阳讲座里的“天问一号”EDL火星过程 | 张荣桥

在这9分钟的前一半时间内，着陆巡视器处在气动减速段，通过与火星大气的高速摩擦，减掉了约90%的速度。之后，在近2马赫的情况下超音速开伞，进入降落伞减速段。“天问一号”着陆巡视器开伞过程 | CNSA

开伞后一段时间，在8.5km高度处抛掉大底。当速度降至100m/s，高度达1.2km时，背罩抛离，7500N变推力发动机开机，进入动力减速段。“天问一号”着陆巡视器抛背罩及降落伞 | CNSA

在高度降低至约100米时，着陆巡视器开始悬停避障，通过“空中漂移”到合适的着陆位置上空，再缓速下降。

最终，在5月15日7时18分，水平和垂直速度都降低到0，并且4支着陆腿在着陆瞬间进一步缓冲着陆速度，使着陆巡视器稳稳地落在了火星乌托邦平原上（25.066°N, 109.925°E）！“天问一号”着陆巡视器着陆动画 | 航天八院“天问一号”着陆火星成功大红屏 | BACC“天问一号”工程总师张荣桥、探测器系统总师孙泽洲、探测器系统总指挥赫荣伟激动拥抱 | 央视

5月17日，环绕器于完成了第四次近火制动，远火点由6万千米降低到1.6万千米，轨道周期变为1/3个火星日，顺利进入中继通信轨道。

此后，环绕器在每个火星日都有4~6小时的时间开展中继通信，既能将地面指令发给“祝融号”，也能把“祝融号”的科学数据传回地面。以6月3日-4日为例，一个火星日内的“天问一号”中继通信机会分布情况（蓝线、黄线为祝融号上空的环绕器高度角/两器距离，高度角越高越好，两器距离越小越好） | AMSAT-DL/Daniel Estévez

“祝融号”漫游红色大地

2021年5月22日10时40分，“祝融号”火星车“走下”了着陆平台，踏上火星大地，迈出了0.522米的第一步，以纪念5·22这一特殊日子。着陆平台上的“祝融号”对着陆点区域的环拍成像 | CNSA

在“祝融号”最初工作的90天内，为我们贡献了许多惊艳照片！诸如“中国印迹”、“着巡合影”、背罩和降落伞照片，以及多次环拍成像与火星地形地貌成像。最著名的“着巡合影”（ “祝融号”分离的WIFI相机所摄）/CNSA“祝融号”抵近拍摄背罩与降落伞 | CNSA

有趣的是，“天问一号”/“祝融号”还准备几个小彩蛋：

着陆平台上藏有2022北京冬奥吉祥物“冰墩墩”和 “雪容融”（黄圈处）。《中国印迹》——“祝融号”拍摄的“天问一号”着陆平台 | CNSA

“祝融号”火星车表面和“天问一号”着陆平台上，各有一面国旗，都采用轻量化的特殊材料设计，后者更是设计了类似中国传统文化中书画/画轴的展开方式，利用形状记忆复合材料实现国旗的锁定和释放。“天问一号”着陆平台（上）和“祝融号”火星车（下）上的国旗 | 航天五院510所

“天问一号”的主降落伞上带有两个“火”字。这顶主伞是锯齿形盘缝带伞，展开面积达200平方米，共有48根伞绳牵引。着陆火星最难的步骤便是2倍声速的超音速开伞，以往国外不少探测器折戟于此，而“天问一号”第一次就能获得成功，离不开4次超音速高空开伞试验的坚实保障。“天问一号”监视相机拍摄的开伞后的主降落伞 | CNSA

“祝融号”火星车“脑门”上的“火”字车标，其设计源于出土于黑龙江海林县的一枚800年前北方金朝印章“恒术火仓之记”。这是一个不太大的官的印章，该“火”字是用九叠篆的手法将字形抽象处理得到的。“火”字车标“恒术火仓之记” | 格致论道讲座：贾阳《如何设计一辆漂亮的火星车》

“祝融号”火星车行驶留下的车辙印上带有“中”字，不但具有中国特色，而且蕴涵着一定的科学道理：正常在行驶比较坚硬的地面上的话，两个“中”字之间的距离是1米；若两个字之间距离较小，如0.5米，则说明火星车在打滑，很可能出现沉陷，就比较危险了。所以，这个“中”字可辅助测量车行驶的滑移率，是判断火星车是否行驶正常的视觉依据。车辙印的“中”字设计 | 格致论道讲座：贾阳《如何设计一辆漂亮的火星车》

“祝融号”火星车在巡视探测期间，按照“七日一周期，一日一规划，每日有探测”的高效探测模式运行，6台科学仪器各显神威：

导航地形相机获取沿途地形地貌数据，支持火星车路径规划和探测目标选择，并用于开展形貌特征与地质构造研究；

次表层探测雷达获取地表以下分层结构数据，用于浅表层结构分析，探寻可能存在的地下水冰；

气象测量仪获取气温、气压、风速、风向等气象数据，用于开展大气物理特征的研究，并能记录火星表面的声音；

表面磁场探测仪获取局部磁场数据，与环绕器磁强计配合，探索火星磁场演变过程；

表面成分探测仪、多光谱相机获取特定岩石、土壤等典型目标的光谱数据，用于元素和矿物组成等分析研究。地面上的“祝融号”火星车正样构造解读 | 人民画报

2021年9月13日至10月18日，“祝融号”进入日凌阶段，开始了一个多月的休假。

所谓日凌，即地球与火星公转到一定位置时，地-日-火几乎连成一条直线，太阳横亘在地火之间，并干扰地火之间的通信联系。

如此一来，就无法保证火星车能收到正确的地面指令了，所以为安全起见，需暂停“祝融号”巡视探测工作，原地待命。“天问一号”日凌条件 | 张荣桥

日凌期间的“祝融号”，虽然不再移动，但控制系统和各电子设备仍保持正常运转，“大脑”还是清醒的。

环绕器则与地面持续保持功率较低的低增益天线通信，科学家从中获取了日凌状态下深空测控通信受干扰情况的实测数据，为后续任务应对日凌积累了一手数据和工程经验。德国波鸿20m天线在日凌期内的9月23日接收到了“天问一号”的低增益天线通信信号 | AMSAT-DL

出日凌后的“祝融号”火星车，至今的工作时间已超90天设计寿命的2倍，成为我国又一个超期服役的深空探测器。“祝融号”行进路径及沿途影像合集 | 微博@WLR2678

截至12月1日，“祝融号”火星车在火星表面工作196个火星日，累计行驶1297米，获取巡视探测原始科学数据约10GB，能源充足、状态良好。

后续拓展任务阶段的“祝融号”火星车，计划向南行驶，探测距其2千米处的沿陡坎分布的沉积状沙堆，以研究沙堆的物质组成和区域地形抬升的原因；远景探测目标则为距其20千米处的疑似泥火山区域。“祝融号”以南20千米处的疑似泥火山区域是科学家感兴趣的地方 | 央视

如无意外，“祝融号”大概率将在火星这颗孤寂的红色星球上，进行长达数年至十数年的科考探索，相信最终行驶里程也会达到数十千米。

我国首个火星探测任务的“天问一号”所取得的巨大成功，使我们成为继美国之后，第二个在火星表面实现巡视探测的国家，并且是当今世界上唯一一个同时开展月球和火星巡视探测的国家。

值得一提的是，它还开创性地一次性实现了绕、着、巡三大目标，在这看似大胆的背后，是10年前的筹划，千军万马为之奋斗6年挥洒的无数汗水。“天问一号”探测器系统总指挥赫荣伟（左）、工程总师张荣桥（中）和探测器系统总师孙泽洲（右） | BACC

现在，“天问一号”已然踏上新征途，我们或将看到更多国产的高清火星表面照片！科学家也有望获得更多新的线索，用于揭示火星地质地貌成因、地下水冰分布、远古海洋发展与消失、火星气候演化等问题。