2022年05月11日 10:00
【科學快訊】
龍樓鎮外紫貝東，
不是將軍是書生。
百尺箭，萬鈞弓，
雲霄欲上第五重。
賈陽 · 中國空間技術研究院總體部研究員
格致論道第71期 | 2021年8月28日 北京
大家好，我是賈陽，一名航天工程師，也是科普書《月球車與火星車》的作者。今天想和大家聊一聊如何做一輛漂亮的火星車。
實際上我們不是第一個去火星的國家。在更早的時候，就已經有一些國家的航天器在火星的軌道上環繞和在火星的表面上降落，傳回來了很多圖片。
這張是我最喜歡的。通過把不同譜段的圖像處理成偽彩，然後就形成了這樣一張火星地貌的圖片。
到了冬季，火星上的二氧化碳也覺得冷，不願意在空中飛舞，就會凝結到火星的表面上。我的老家在東北吉林，那裏有一種景致叫做霧凇，我們當地人稱為樹掛。火星上沒有樹，所以幹冰就只能掛在地上。
火星上有時會有比較嚴重的沙塵暴，那麼就會形成各種各樣的風蝕地貌。
火星也是有四季的。隕石坑裏的溫度有時候高一些，有時候低一些，這就會導致隕石坑裏二氧化碳和水冰的冷凝物時大時小，反映出火星季節的變化。
在火星的表面上，還有疑似過去的河穀。我在想，如果有一天我們能夠改造火星，是不是可以把這裏規劃為一個景點，用來做漂流。
做一輛漂亮的火星車
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火星這麼美，那我們也要做一輛漂亮的火星車才能和它匹配。
實現了火星環繞的國家有很多，包括蘇聯、美國、日本、印度等國家，所以下圖所展示的圍繞火星的外圈相對來說就比較大。中國的「天問一號」環繞器就在圖片上方偏左一點的位置上。
圖片中火星的表面上有若幹個探測器，有些是落到表面之後靜止不動的，也有些是能夠在火星表面上行駛的火星車。這些都是美國的，只有正上方的「祝融號」是例外。
我們是第二個實現在火星表面巡視探測的國家。「祝融號」火星車行駛的時候還有一個意義，也就是我們現在是世界上唯一一個同時開展月球和火星巡視探測的國家，我們親曆和見證了中國航天快速發展的曆程。
那麼，這個探測器包括火星車是怎麼設計的，設計成什麼樣子了呢？
「天問一號」探測器分為上下兩層樓。下層叫做環繞探測器，只在火星的軌道上飛，不會落到火星的表面上去；像飛碟一樣的上層才會真正進入到火星的大氣層，然後著陸到火星的表面上。
在降落的過程中，探測器下方呈弧形的大底和上方的背罩都被拋掉了。到了火星表面上，真正穩穩落下來的就是中間的著陸平台和火星車。
2020年7月，長征五號系列運載火箭，又稱「胖五」，從海南文昌出發，把「天問一號」送入了奔火的軌道。
▲探測器的運動軌道——霍曼轉移軌道
飛行的過程實際上就是繞著太陽轉，探測器的運行軌道是一個橢圓的軌道，與地球和火星都有相交的對應點。這個軌道有個很著名的名字，叫做霍曼轉移軌道，它是最省能量的軌道。
到了火星附近，探測器又繞著火星飛了三個月。這是在做什麼呢？我們有兩個目的：一是看看我們要去的地方選的對不對，做進一步的確認；二是要等一下時間。如果馬上降落，落完之後恰好接近黃昏，我們來不及給火星車充電就進入火星的夜晚了。
我們等了三個月，每個月對應著一個小時。最終落火的時候對應下午兩點鐘，相對來說後面陽光照射的時間比較充足，保證火星車是滿電狀態進入火星的夜晚。
降落的過程一共是9分鐘左右，分成四個階段。最開始的降落速度是每秒4公裏到5公裏之間，接近5公裏。第一階段是氣動減速段，空氣的阻力基本會減掉它90%的速度或者說99%的能量。
第二階段是降落傘減速段，它會進一步減速，最後速度就會變為勻速，也就是每秒60米。
第三階段是動力減速段，發動機開始工作，在火星表面上空選擇更精細的著陸位置。如果這個點合適，那就直接降落。如果不合適，它可以做有限的位置改變，橫向地機動到另外一個相對更安全的位置，再落下去。
第四階段是著陸緩沖段，靠著陸平台下面四條腿，緩沖最後一點點能量，穩穩地落在火星表面上。
整個進入、下降和著陸（EDL）過程比較複雜，所以我們要在地面進行充分的試驗。
這就是試驗的設備。曾經有很多記者和外國使節到這裏來參觀，絕大多數人都是從正面照一張照片。我想有點創意，於是等這些記者和使節走了之後，我晚上來到這個架子的下面，對著正上方拍了200多張照片。然後選擇其中的一部分，大概是89張，湊成了這張圖片。
大家有沒有喜歡星野，或者是拍攝星軌的？如果有的話，可能會質疑這個星軌為什麼不是連續的。但其實我是故意的，留下來的星軌是：劃、點劃劃、劃點點點劃（應為劃點點點點劃）、點劃劃劃劃對應的摩爾斯密碼，翻譯後的意思是「天問一號」。
我給這張照片起了兩個名字，比較俗的名字是《天上的星星會說話》，比較雅的名字是《星辰密語》，算是表達啟程之前的祝福吧。
最終，我們的探測器順利地落到了火星的表面，這就是一段對應的錄像。
這是我們的火星車工作的一個想象圖。它最開始被設計為3天走7米，但由於能源比較充足，通信條件也比較好，實際的情況是一天走了20米。目前大概走了超過1000米，已經運行了100天。
火星車「祝融號」是怎麼設計的呢？最開始我們的想法是，要有一個相對比較大的太陽翼，因為火星距離太陽比月球更遠。於是，我們就把電池板做成了一個像屋頂一樣的形狀。
分析之後發現不行，因為在火箭發射的時候會有劇烈的振動，太陽翼承受不了。那我們就把它壓緊，壓緊之後發現面積不夠了，所以就把它變成了4片，向後展開。
如果火星車到了火星表面後，向前駛離著陸平台，這是沒有問題的。但如果要向後走，那後面的兩個太陽翼就會觸地了。所以，我們又做了進一步的調整，就是把後面的兩個太陽翼向側後方調了一定的角度。
▲太陽翼的各種設計方案
在整個設計過程中，我們設計過很多太陽翼的方案，包括一個圓盤形狀的，或者兩個圓盤形狀的，甚至還曾經設計過類似於蝙蝠翅膀的樣子。
整個演化過程到了最後收官的時候，我們發現我們設計的火星車很像一只蝴蝶，而且是一只藍色的閃蝶。為了證明我們的靈感來自於蝴蝶，我特意去網上買了一個蝴蝶標本，放在我的辦公桌上。
火星車的五大法寶
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那麼，火星車有什麼本領？火星上有什麼樣的困難在等待著我們呢？至少是有四個方面的困難，我們准備了五個法寶來應對。
第一個困難就是火星表面的石塊比較多，地形比較複雜，容易把火星車的車輪紮破。為了應對這個困難，我們為「祝融號」准備了主動懸架。這就好比一般家裏的小轎車底盤是不能夠升高的，但有一些越野車輛在遇到特定地形的時候可以把底盤抬高，這就叫做主動懸架。
主動懸架示意（右）
其實 「祝融號」的本領還不止這些。如果它遇到了沉陷，即整個車輪大部分都已經陷在沙子裏，那麼火星車有一個本領可以用來應對。
它的前輪向前行駛，中輪和後輪先不動，整個過程中車身降低；接下來前輪不動，中輪和後輪再向前行駛，過程中車身再抬高。這個過程就像一只小蟲子在蠕動。這樣做的好處就是它能夠輕松地從沉陷的沙土地裏走出來，因為火星車在火星上工作的時候沒有4S店，也沒有救援車輛。
第二個要關注的困難就是沙塵暴。火星上有時候會有遮天蔽日的沙塵，導致太陽電池片發不出電，電池片上積累了很多沙土之後，這個火星車也許就不能繼續工作了。
為了應對這一難題，剛開始我們曾經想到過雨刷，就是汽車前面的雨刷。後來又想到了一個簡單一點的辦法，重量也能夠輕一點，就是給電池片上鋪五層保鮮膜。當塵土積累到一定程度的時候，我們在第一層和第二層膜之間充氣，讓第一層膜帶著灰塵掀掉，露出來新鮮的第二層再接著工作。後來發現也不行，如果第一層膜掀完之後，灰塵落到另一個電池版上，這件事情就變成災難了。
最後我們真正采用的辦法是仿照荷葉。如果下雨了，水珠會在荷葉上聚集，但並不會把荷葉打濕，微風吹來，搖搖晃晃，水珠就會掉落下去。
▲仿制荷葉設置電池片
我們在電池片上也放了一種類似的工藝材料。從微觀上看，我們把電池片的玻璃變成了一個有很多尖的針床，灰塵不是很踏實地落到表面上，而是落在針床上。在太陽翼運動的過程中，灰塵很容易滑落，電池片的表面就會比較幹淨和清潔。右圖就是做實驗時的效果展示。我們能夠看到，有了這個工藝之後，只要把電池片立起來，它就會變得比較幹淨。
第三個困難就是火星的溫度比地球要低，因為火星離太陽更遠。為了解決這個問題，我們用了兩個法寶：一是開源，二是節流。
所謂開源，就是我們設計了火星車頂部的兩個像望遠鏡一樣的窗口。窗口上繃著一層膜，白天陽光可以照進去，晚上這個膜對紅外線來說是不透的，也就是能量只進不出。其實這和蔬菜大棚的原理是相似的。
那怎麼儲存能量呢？如果只是陽光進去之後加熱了設備，到晚上不就又涼了嗎？所以，它還有一個儲存的能力。我們在這層膜的下面放了十個「酒瓶子」，白天吸收陽光，「酒瓶子」裏的固體就會變成液體。到了晚上，為了保證設備的溫度不降低，「酒瓶子」裏的工質就從液體又變回固體，在凝固的過程中放出熱量，保證火星車的溫度不會下降。
還有一個手段就是用了一個特殊的棉服，我們給火星車穿了一層氣凝膠做的棉襖。這個材料有兩大特點：一是輕，二是隔熱效果好。
火星車上實際使用的氣凝膠（右）
為了證明它輕，經常把它放在花的上面。為了證明它隔熱效果好，又會在另一個方向用乙炔槍去燒它，鮮花不會枯萎。
現在正值火星的夏天，是溫度最高的時候，天氣還比較晴朗，「祝融號」火星車會感覺到稍稍有點熱。不過沒關系，再過一段時間就是秋季，然後到冬季，到那個時候，就能顯出來我們這些手段的作用了。
最後一個困難就是距離遠。現在火星與地球之間的距離是將近4億公裏。繞地球赤道一圈是4萬公裏，4億公裏也就正好是繞地球赤道轉上1萬圈的距離。無線電的信號從火星傳到地球上來需要22分鐘的時間，那麼地面上的師傅管理火星車就不可能那麼及時。我們的工作方式是，每天地面上的師傅和火星車說一次話、收一次數。也就是告訴火星車未來24小時要幹什麼工作，也把昨天24小時的工作成果匯報到地面。
在這個過程中，做什麼工作、或是遇到困難需要終止正在做的工作、或需要進入到休眠睡覺等等，這些全都要靠火星車自己根據能量的使用情況做判斷，這是一個自主的航天器。
來到文昌的100天
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等我們把火星車做好之後，就送到了海南文昌，因為那裏能夠發射比較大的火箭。2020年4月，還是疫情期間，我們乘坐專機飛往文昌。這架飛機並不是直接奔著海口去的，而是往西邊拐了一個彎。發現這個情況之後，我就拍攝了飛機的顯示器。
這個點有什麼特殊之處呢？我能背下來這次「天問一號」要去的地方的經緯度坐標，如果把這個經緯度的坐標換算到地球上，對應的位置就是中國廣西桂林陽朔。國航的飛機在送我們的時候，恰好到陽朔的上空繞了一下，我覺得冥冥之中是在祝福我們此行使命必達。
到了文昌之後，我們要有5天的隔離期，不能出房間。為了表達我們未來100天要在這兒幹活的決心，我寫了一首詞《南海北·北海南》：
龍樓鎮外紫貝東，
不是將軍是書生。
百尺箭，萬鈞弓，
雲霄欲上第五重。
為什麼要去第五重呢？因為我寫的是古典詩詞，所以沒有用現代科學的說法，而用的古代地心說。地球位於宇宙的中心，外面是水星、金星、月亮、太陽和火星。火星位於第五重天，所以我說「雲霄欲上第五重」。
我們在海南文昌這100天都幹了什麼呢？我們要對火星車做最後的測試，把相關的機構都動一下，確認它們是正常的，然後再把它壓緊。此外，我們還要對類似於相機的設備做清潔，確保到那兒之後不會由於灰塵的原因導致我們看不清火星的表面。
▲准備就緒的火星車
還有一個很重要的工作是殺菌，因為至少現在，我們還沒有完全否認火星上存在生命的可能，我們不能把地球上的微生物帶到火星表面上去，所以要對它進行消毒，尤其是車輪。
這樣，火星車的准備工作就結束了。到了晚上，本來應該可以休息一下了，結果我睡不著，就對著窗台外面拍了一張照片。
照片中的馬路其實就是我們每天晚上散步的地方，那盞藍色的燈是農民養鵝和鴨子留下的一盞燈，我覺得它代表著我們心中的一種盈盈的希望。那天晚上留了一首不算太嚴格的詩，來表達我們心中的祝福：
火星岩上火星風，
地凍天寒卻有情。
但等鐷傘淩日落，
更盼神器巡遊行。
2020年7月23日，火箭發射了，我們肯定要表達一下喜悅的心情。但我們沒用新華社拍的那種標准的火箭發射圖片，而是和世界500強的企業合作，制成了上圖，也算是一個攝影作品吧。
火星，我們來了
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經過10個月的飛行，火星車到達了火星的表面。其中有7個月是在奔火的路上，有3個月是環繞火星的飛行。
左圖證明的是火星車降落在火星的表面上，右圖證明的是車已經行駛到了火星的表面上，這對我們來說是一個標志點。
我們還拍了一下著陸平台。就像是我們旅遊也會拍攝紀念照，有到此一遊的說法。拍這張照片也費了我一點心思，因為這張照片裏不同景物的亮度差別很大。
最後是我來定的參數。一是用相機的自動曝光，把天空拍成合適的樣子，火星的表面也是比較合適的。還有一個選擇的曝光參數是10毫秒，把國旗拍的比較明亮和鮮豔。最後還用了一個15毫秒的曝光參數，把著陸平台下陰影的部分，即最暗的部分也拍到合適的亮度。然後再用一個HDR高動態的技術合成這張照片，起的名字叫作《火星印記》。
在展示的時候，有的網友比較細心，看到了我們藏在火星車車輪上的一個小秘密。仔細看會發現，下面這張照片的車轍印能夠看到「中」字。
左圖是我們在地面上做實驗時留下的照片，中間這張圖就是車輪上「中」字的樣子。我們在車輪上放了兩個「中」字，有人會問我是放在前面放在後面，當然是放在後面，否則在車輪往前走的過程中印記就看不到了。
這個創意是為了宣傳嗎？還真不是。我原來是做月球車的，我們比較關心這個車在星球表面上走的時候，是正常行駛還是發生了沉陷？但是過去看車轍不是特別清晰，於是就想了這個辦法。
如果我們發現兩個「中」字之間的距離是1米，就證明火星車正常行駛在火星比較堅硬的地面上；如果兩個字之間的距離只有0.5米，那就說明火星車在打滑，很可能伴隨著一個比較大的沉陷，就比較危險了。最主要的目的實際上是測量車的滑移率。
我曾經把這個心思寫了一篇小文章發表在公開的網站上，底下有很多網友誇贊。我仔細地看了看，點贊最多的來自於河南，接下來是成都和揚州。
在火星車的設計過程中，這樣的小心思還不止這一處，還有一處花費了更多的心思。
當我們的火星車在地面上做了嚴格的試驗之後，我們發現這個車不夠漂亮，尤其是桅杆上像是人額頭的這個位置。這裏有一張A4紙的大小，有3個相機的孔洞，看起來有點像七月十五出來散步的感覺。於是，我們就想設計一些美化方案。
剛開始我們想放一個中國結，後來覺得把中國結放腦門上好像也不太對。還有個小朋友說：「要不我們畫個王字？」後來我一想，還是用書法比較好，寫個火星的「火」字。我們寫了很多，大概有幾千張，我們選了其中的幾款投票。
最開始我們的目光聚焦在第一排的第三個，是甲骨文的「火」字。這代表了文字起源之初，有五千年的文明曆史，寓意很充沛。
但是我的同事總問我：「賈總你寫個‘山’是什麼意思？」在甲骨文裏，「山」的底下是一條橫線，「火」的底下是一條弧線，差別確實比較小。大家又不都是古文字的學者，後來我幹脆說算了，這解釋起來太困難，於是我們就用了第二排的第一個。
這個創意取自於一枚印章，它是在黑龍江省海林縣、現在的海林市出土的一枚印章。這枚印章叫做桓術火倉之記，是一個不太大的官的印章，裏面有一個火字。我們把它提出來做了處理，形成了火星車的車標，精心地安在了火星車的額頭位置。
我們做航天工作其實都是要考慮備份的，所以真正做的時候多做了一枚。這一枚放在了照片框裏，由相關的設計師簽名，現在放在我的辦公桌上。所以，這個車標有兩枚，一枚在火星，一枚在我辦公桌上。
這是從火星傳來的火星車的自拍照。怎麼拍自拍照呢？我們在火星車上放了一個相機，它向前走大概5米多，把相機釋放掉到地上，然後它再往後退，退到5米多的時候，就形成了這張火星車的自拍照。
然後再接著往後退，退到更遠的一個位置的時候，火星車就和著陸平台又拍了一張合影。為了這點事，我們費了好多心思。下圖就是這張合影。
當然，也有淘氣的網友對這些照片做了進一步的處理，做下面左圖的網友應該是一個吃貨，右圖這個應該也是一個吃貨。相對來說我比較喜歡右邊的這一張，把它放在了朋友圈，配文是「華夏農耕文明的最遠抵達」。
現在火星車已經工作了100天，走了1000米。在火星車走過的路的中間位置，我們還去看了一下落在火星上的背罩和降落傘。
到了90天，火星車就完成了3個月的壽命要求。那天晚上我寫了一首算是打油級別的詩：
三月三千尺，
天天添裏程。
懸心終落地，
談笑始高聲。
我也是在表達我們設計師在比較大的壓力之下，釋放完了之後的那種感觸。
我們為什麼要去火星？
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最後講一講，我們為什麼要去火星？不同的人會給出不同的答案。
比如印度政府發言人在回答西方記者提問的時候，曾經說過一句話：如果我們沒有偉大的夢想，那麼我們永遠是伐木人和挑水工。
齊奧爾科夫斯基曾經講過一句著名的話：地球是人類的搖籃，但是人不能永遠生活在搖籃裏。
科學家們更關注的是：這顆紅色的行星上是不是曾經有過生命，人類在宇宙中是孤獨的嗎？
科幻作家劉慈欣曾經講過一段話：火星是人類進行太空移民的第一選擇。最有可能的情況是，當危機到來時，人類才投入全部力量到地外世界的探索和開拓中去。而其實人類移民到火星需要漫長的時間來實現。
還有個哲學家講過一句話：你要問去火星有什麼意義，那麼請問若幹億年前海洋生物第一次爬上陸地有什麼意義？
我們為什麼要去火星？今天我也試圖給出我的答案。火星自轉一圈是24小時40分鐘，地球自轉一圈是24個小時。那麼每隔37天，「祝融號」火星車和我們地面上的北京就會經曆同一個時刻。
我把它做成了一張圖片，起了一個名字叫做「天涯共此時」。在我們過去的三個月裏，祝融號有三個時刻和我們是共此時的。
到了日落的時候，火星的表面上不是紅彤彤的，而是淡藍色的。
火星也是有月亮的，不過有點小，所以它不可能把太陽全都擋住，形成不了地球上的日食景觀。但是火衛一淩日，幾十秒鐘過去，也很壯觀。
還有一個百年一遇的天文奇景。相對於火星而言，地球屬於內行星，所以難得一見的奇景就是看地月系統淩日。兩個小點從太陽表面上緩緩滑過，大概三個小時左右的時間。有的時候比較遠，會橫跨整個太陽的表面（上圖），也有的時候相對來說距離比較近（下圖）。
圖上那個藍色的暗點是我們的家園，灰色的暗點是月球。我忍不住念一首古詩：人言落日即天涯，又見天涯又見家。
通過這幾張圖片，我想要表達的意思就是，探索火星的意義在於為人類增加一個視角，從這個視角看火星、看地球、看太陽系甚至看整個宇宙，也包括審視人類自身。
謝謝大家！
來源：格致論道講壇
