揭秘“天问一号”火星车

2020-09-16南山百超旺军

军事文摘·科学少年 2020年9期

南山百超旺军

主动悬架

火星地形復杂，既有松软的沙地，又有密集分布的石块，设计火星车要最先考虑提高火星车的通过能力。因此，设计师们在主、副摇臂悬架的基础上进行了设计创新，增加了夹角调整装置和离合器，使火星悬架从被动悬架变为主动悬架。在汽车领域，普通小汽车采用的是被动悬架，但是也有一些高级的越野车应用了主动悬架技术，在遇到复杂地形时可以把整车底盘提高，便于越过障碍。

设计团队联合高校，生产了原理样机进行测试。测试发现主动悬架对越过障碍地形很有好处：在松软沙地环境下最担心的是整车沉陷，主动悬架可以通过尺蠖运动的方式迅速脱困。

使用六轮转向之后，火星车可以蟹行运动，就是说可以实现横着走。由于土壤松软，一般来讲，火星车很难爬上大于20°的坡。但是，蟹行爬坡方式把两道车辙变成六道车辙，后面的车轮压实的是新的土壤表面，而不是前面车轮通过后本构关系已经被破坏的土壤，爬20°的坡变得很轻松。

发射的时候还有一个重要的因素，火星车必须腹部着地，降低身段，原因是落火之前进入舱有严格的包络限制，火星车在到达火星之后才能站直腰身，这个需求也可以通过主动悬架实现。遇到车轮出现问题时，主动悬架还可以把故障车轮抬起，继续前进。在确认主动悬架的优势后，设计师们决心把人类第一辆主动悬架火星车送到火星。

太阳翼构型

在火星表面，太阳光变弱，这样火星车就需要更大的太阳能电池板。最早的设计中，火星车的太阳翼只有左右两只翅膀，考虑尽可能扩大太阳电池片的面积，发射时太阳翼被安排成屋顶结构。可是力学分析表明，发射时太阳翼振动响应很大，太阳翼必须设计得很笨重，才能承受恶劣的力学环境。

为了解决面积不足的问题，设计师们最先想到的方案就是折展。把一侧的太阳翼展开之后进行第二次展开，技术相对成熟。但是，这个方案遇到的最大问题是太阳翼向前展开容易遮挡视线，向后展开容易触地。所谓触地，不是指火星车在火星表面正常工作的时候，而是从着陆平台上驶离时。由于担心着陆之后平台倾斜，设计师们保留了火星车前向驶离和后向驶离两种选择，在向后驶离的时候，过长的后展太阳翼容易触地。

为了解决这个问题，设计师们提了多种方案，但是都有明显的缺点。

蝙蝠翅膀方案

首先提出的是蝙蝠翅膀方案，两侧太阳翼垂直收拢于火星车的侧面，然后经过两次展开，先是从垂直翻转到水平，然后再水平展开。但是这个方案太复杂，可靠性不高。

接着又提出的补救办法就是：收拢在火星车的顶面可以减少翻折，面积也可以进一步扩大。但是，对于这个方案，多层太阳板之间的间隙保持问题不好解决，展开过程可能会把太阳电池片碰碎。

太阳毯方案

太阳毯方案就是把太阳能电池板取消，电池片粘贴在聚酰亚胺薄膜上，变成柔性太阳翼。这个方案优点很多，最大的优势是重量。但最让人担心的是技术不成熟，收拢、展开后的平面控制，需要解决的问题很多，特别是还期望控制太阳翼对日定向，让阳光垂直照射太阳能电池片，尽可能地多发电，这个方案实现起来困难很大。

后来，设计师们又提出把不利于布片的三角形改为矩形柔性太阳翼。柔性太阳毯收拢状态下压紧在车顶板边缘，当火星车着陆后，压紧释放装置解锁，在折叠撑杆的根部和杆件铰链的作用下，撑杆侧向打开，带动撑杆上太阳毯展开。

四展方案

关键时刻，火星车的总体主任设计师把各种方案的优点集成起来，形成了四展方案。太阳翼上下两层收拢在火星车的顶板上，分两次展开。最上层通过一次性展开装置向侧后方展开，可以解决后展容易触地的问题，展开之后锁定不动。第二层利用机构向两侧左右展开，可以根据太阳的方向调节这两个太阳翼的角度，对日定向。收拢状态可以简单可靠压紧在车体上;展开后的状态可以获得足够大的太阳能电池片布片面积。

这个方案得到一致认可。火星车的太阳能电池片是深蓝色的，展开后太阳翼像是蝴蝶的4片翅膀;两根天线向前展开，就像是蝴蝶的触角;车体前方的两台圆柱形设备，模拟的是蝴蝶的复眼，不过六足被6个车轮代替了。