浮迹浪踪 终须相逢 —— 天问一号探索荧惑 设计祝融号火星车LEGO模型 详解行驶系统

火星荧荧，浮迹浪踪，古称“荧惑”。 In English, Mars carries the name of the Roman god of war and is often referred to as the"Red Planet". Mars (Ares in Greece) was the god of war and also an agricultural guardian, a combination characteristic of early Rome. He was the son of Jupiter and Juno. Most of his festivals were held in March, the month named for him. 火星主要由岩石构成，由于含有大量的铁元素，被氧化后，表面呈铁锈般红色。 火星的体积大约只有地球的15%。火星上的一年大约有687个地球日，火星的一天比地球日大约多半个小时。当然，站在火星上，太阳看上去变小了。 火星北半球表面相对平坦，南半球则遍布大量高耸的火山（volcano）和较深的撞击坑（crater）。 星球表面的温度除了受到太阳的影响，还同时受到自身大气环境的影响。火星的平均温度大约为-63°C，最高才有20°C，最低可以达到-140°C。 火星上，由于硫化物的存在，如果可以敞开呼吸，我们将闻到臭鸡蛋的气味，而二氧化碳的气味也将令我们感到刺鼻。 稀薄的空气影响了声音的传递，火星上似乎更加安静。 火星较小的引力，使我们变轻了，轻身一跃，就可以跳得很高。 在火星的夜晚，抬头仰望星空，我们将看到2个火星月亮 Phobos 和 Deimos ，它们不像地球月亮那样圆，也没有地球月亮那么大，它们像土豆一样臃肿笨重。 The moons are named after the sons of Mars. Phobos means “fear” or “panic,” and Deimos means “dread,” or “fleeing from battle.” 积跬步，至千里，每一次对火星探索的成功都是建立在前一次的基础上的。 探索火星的前四个步骤包括： 第1步：飞越定点区域（ Flyby ）：飞行器飞越火星某个区域的上空，并保持足够近的距离，观察火星该区域的表面及大气层。 第2步：轨道器（ Orbiter ）：围绕火星旋转，长期采集更多的信息，还可以作为火星上火星车和地球间信息传递的中继通讯站。 第3步：登陆器（ Lander ）。 第4步：巡视器（ Rover ）。   我国这次的火星探测一次实现“绕、登、巡”三步走。天问一号火星探测器由轨道器、登陆器和巡视器组成。 《天问》是战国时期诗人屈原创作的长诗，从天地离分、阴阳变化、日月星辰等自然现象，追问到神话传说、治乱兴衰等历史故事，表现了追求真理的探索精神，这也正是中华民族的伟大精神。 2020年7月23日，天问一号成功发射入轨，2021年2月10日顺利进入火星环绕轨道。 巡视器就是祝融号火星车，其功能强大，是一台机器人。“祝”指男巫，“融”表示明亮。“祝融“在我国传统文化中，被尊为最早的火神，象征着中华民族的祖先用火照耀大地，带来光明。夏季是四季中光明最多的季节，三皇五帝时，祝融用作夏官火正的官名。历史上有炎帝族祝融氏和颛顼族祝融氏之分。 祝融号火星车的相机桅杆顶部，有一个红色篆文“火”字，来自南宋官印。   Utopia Planitia is a large plain within Utopia, the largest recognized impact basin on Mars and in the Solar System with an estimated diameter of 3300 km. 祝融号在火星上行驶，将遇到很多挑战： 祝融号火星车（机器人）的行动特点如下： 摇臂转向 驶越障碍 祝融号火星车安装了6个车轮，6个车轮各自都有独立的驱动电机提供行进动力。 火星车采用摇臂转向（rocker-Bogie）机构作为悬挂系统，这种悬挂（ Suspension ）系统的主要特点是可以保证火星在绝大数路况下，6个车轮都与地表保持接触，把每个车轮的驱动力都充分发挥出来，增大跨越障碍物或脱困的能力。 The term bogie comes from old railroad systems. A bogie is a train undercarriage with six wheels that can swivel to curve along a track. The term rocker comes from the design of the differential, which keeps the rover body balanced, enabling it to rock up or down depending on the various positions of the multiple wheels. 这种悬挂系统同时需要配备差速机构（ Differential）：左、右两侧车轮组分别安装在左右两个摇臂组上。前车轮分别直接连接到左、右前摇臂（ rocker ）；中车轮分别安装在左、右中转向臂（ Bogie ），后车轮分别安装在左、右后转向臂（ Bogie ）；中转向臂和后转向臂又连接到后摇臂（ rocker ）上，并且可以围绕后摇臂的中心转动。左右两个摇臂组通过差速器连接，顶部通过一个水平连杆进行悬挂，该连杆中心固定在车身顶部的中心，并可以围绕该中心点旋转。 整套差速机构避免了车身的上、下摇摆，还实现了：一侧摇臂位置的变化引起另一侧摇臂位置的反向变化。因此这种悬挂系统是非独立悬挂方式。 具体说说火星车如何跨越障碍物。由于火星地表情况未知，行驶中，左、右两侧车轮很大程度上不在同一水平面，即很可能出现单侧车轮跨越障碍物（岩石），或是两侧车轮跨越高度不同的障碍物。 摇臂转向（rocker-Bogie）机构，采用后摇臂（有转向臂侧）作为前驱动力时，动力效果较好。因此行驶时，往往采用前摇臂（无转向臂侧）作为正向，这可以保证正向行驶时，一旦遇到难以克服的障碍物或发生陷落时，便于发挥后摇臂（有转向臂侧）的驱动优势，及时倒车，快速脱困。 螃蟹横行 大气霸道 祝融号火星车的6个车轮不但各自都有独立的驱动电机（用于行驶），还各有1部额外的转向电机用来调整车轮的方向，因此6个车轮都可以-90°至90°转向。 这种方式便于火星车避开前进道路上的大型障碍物，或是在陷落沙地时，可以便利地调整方向，便于脱困。 尺蠖之屈 以求信也 祝融号火星车，在摇臂转向（rocker-Bogie）机构的基础上，增加主动悬架模式，调整前摇臂和后摇臂之间的夹角度，抬高或降低火星车的车身，跨越障碍物。 如果车轮沉陷沙地，依靠车轮自身的驱动力矩无法克服前进阻力时，可以利用主动悬架抬升或降低车身，并改变轮间距，由摇臂结构提供推动车轮前进的动力，从而脱离沉陷区域。 此时，祝融号火星车像可以尺蠖一样蠕动： 火星表面沙丘地形，内聚力和内摩擦角特别小，蠕动脱困过程中，固定车轮不转动，在摇臂的弯矩作用下仍然存在车轮克服土壤内聚力而产生局部错动的情况，转动车轮的抬升力较小，在车轮驱动力、抬升力、摇臂弯矩的共同作用下，可能仍然难以有效克服车轮承载力而脱困，此时可以考虑采用前摇臂转动实现车轮抬升并结合车轮转动，进而实现爬行方法来实现脱困。 蝴蝶展翅 蓄势待发 火星车依靠太阳能电池板获取电能，当天气条件不佳时，可以收起太阳能板。 通常认为较长时间后，火星的沙尘会覆盖满太阳能电池板，导致能量过低而无法继续工作。然而，火星上剧烈的沙尘暴和天气却帮了忙，大风可以吹去盖在太阳能电池板表面的尘土，让太阳能电池板重新暴露在太阳光的照射之中而获得新生。 祝融号火星车带有导航地形相机、多光谱相机、次表层探测雷达、表面成分探测仪、表面磁场探测仪、气象测量仪等，将对火星表面形貌、地质构造特征、物质类型分布、地质分层结构与组成类型、表面物质化学元素、表面矿物分析、岩石识别、局部气象、火星磁场、火星声音等多个课题展开针对性的专业探测。 由于技术、能量、火星地表等因素，我们每发射的一个火星车（机器人）仅能探测火星有限的区域，因此无论是我们，还是世界其他国家都将继续努力，发射更多的火星车，陆续登陆火星的不同地点，把火星的奥秘不断挖掘。 历史上登录火星的火星车有： 1971年5月，前苏联连续发射两颗飞往火星的探测器，“火星2号”和“火星3号”，都携带了迷你火星车 PrOP-M 火星通行性评估装置。然而，“火星2号”的登陆器在1971年11月登陆火星时坠毁。“火星3号”于1971年12月在火星完成软着陆，但由于遭遇沙尘暴，它在开始向地球传输数据14.5秒后失去联系。这是人类的火星车第一次在火星着陆。 PrOP-M 装备有1台动态射线机及1台放射性密度计，计划用于探测火星土壤密度。PrOP-M 设计采用其两侧的可旋转滑板行进。 1997年7月，National Aeronautics and Space Administration 的 Sojourner 旅居者号，是真正意义上的人类第一辆成功着陆的火星车。Sojourner 有异常灵活的6个车轮，适合在火星崎岖不平的表面行走，由锗基片上的太阳能电池阵列供电的，并装有一个备用的锂电池。Sojourner 装有一个由3台照相机构成的成像系统，一个阿尔法质子X射线光谱仪以及一个用于分析火星岩石的设备。Sojourner 共行驶了90多米，工作了3个多月，是原设计时间的12倍多，向地球发回了数以千计的火星图像并对火星的天气情况进行了大量直接测量。 2004年1月， NASA 的 Spirit （Mars Exploration Rover A） 勇气号和 Opportunity （Mars Exploration Rover B）机遇号这两个孪生姐妹先后登陆火星。 Spirit 着陆在 Gusev Crater （古瑟夫陨石撞击坑）。之后由于太阳能电池板的蒙尘， Spirit 的电力供应一直在持续下降，幸运的是，2005年3月12日和2009年2月6日的两次大风吹散了尘埃，使得其电力得到恢复。2006年， Spirit 的6只车轮中的右前轮失灵。2009年5月， Spirit 车轮陷入软土，无法动弹，之后一直在原地执行观测任务。2011年3月22日， NASA 最后一次联络上 Spirit 。2011年5月25日，NASA在最后一次尝试联络后，结束了 Spirit 的任务。 Opportunity 着陆在 Meridiani Planum（子午线高原）。Opportunity 是一个6车轮太阳能动力车，并采用摇臂转向（rocket-Bogie）机构来适应地形，每个轮子都有自己的驱动马达。Opportunity 完成了 90个火星日的计划任务，在火星的子午线高原发现了第一个陨石隔热罩岩，并在超过两年的时间里研究了 Victoria Crater （维多利亚撞击坑）。Opportunity 以平均1厘米/秒速度运动创造了在太空中最远行驶里程的记录，它已经在火星表面行进了45千米以上。它曾经陷进过一片碎石沙地中，后来依靠地球上这两个火星车的复制模型来模拟各种动作，最终花了一个半月时间成功脱陷。2018年火星巨大沙尘暴，Opportunity 由于能源问题再次陷入沉睡，沙尘暴消退后，NASA尝试了800多次联系都未能将其唤醒，最后宣布放弃。 Spirit 共计工作了2269天，Opportunity 工作了5000多天，都远远超过90天的设计工作时间，两姐妹为人类带来了海量科研成果，她们虽然移动速度极慢，但超长服役的结果却展示了她们的优秀。 2012年8月， NASA 的 Curiosity 好奇者号成功着陆火星 Gale Crater （盖尔撞击坑）的 Aeolis Palus（伊奥利亚坑），这是世界上第一辆采用的火星车，2012年8月27日， Curiosity 成功收到来自地球的音频，然后将其回传地球，这是人类首次在地球上传并从另一颗行星下载音频。到现在为止 Curiosity 已经在火星表面行驶了22多公里，其每天执行高耗电量的任务预计在2026年之前能维持全功率运行，但机械故障或火星极端天气完全有可能使 Curiosity 在耗尽电力之前终止探索任务。 2021年2月， NASA 的 Perseverance 毅力号，以壮观的空中吊车技术成功着陆 Jezero Crater （杰泽罗陨石坑）。Perseverance 配备放射同位素核电池，拥有更多更强大的探索、验证和采集的功能。相比 Curiosity 专注于分析火星土壤和岩石的物质组成， Perseverance 则专注于寻找生命的痕迹，它携带的X射线光化学荧光光谱仪，可以更加精细测定土壤和岩石的精细元素构成，所携带的新型地下雷达成像仪则直接可以探测地下十米以内的水冰和盐水含量，并辅助监测有机物的含量。 4月， Perseverance 携带的 Ingenuity 机智号直升机在火星表面起飞，由于火星空气稀薄，这大概相当于在地球 3 万米海拔上起飞，因此直升机的旋翼并不能产生类似地球的风压，并且螺旋桨不能越转越快，因为其尖端会接近音速，而达到音速时加剧湍流效应，但是火星引力只有地球的37%，只需要提供少量推力，就可以让直升机升空。 4月， Perseverance 还，创下了一个新的历史 。 Camellia Mini 控制器采用物联网及伺服电机控制技术，采用物联网技术，控制22部伺服电机，模拟祝融号火星车。 至今，在地球上发现的火星陨石数量有130多颗，在其中一颗陨石上，科学家们发现了微生物活动的痕迹。因此推测，火星在很久以前的可能有生命存在。 由于火星所处的位置是一个非常容易受到小行星撞击的区域，当小行星撞击火星之后，巨大的冲击力可能会让一些撞击碎片脱离火星，它们向着地球而来，而这些星体碎片中可能带着火星上的微生物。地球的生态环境又非常适宜生命的孕育，微生物顽强的生命力遇到地球海洋的温床，开始焕发新的生机，或许，早期的地球生命就诞生了。 火星的某些地方，例如火星地下，可能还存在着重要的生命线索和痕迹。现在的火星车可以对火星表面和较浅的地下进行探索，也能够发现诸如古老河床，有机物的一些证据线索，但是真正想要有重大的生命发现，可能还需要我们真正登上火星。 只有我们在火星建立基地，能够将一些重型的先进设备送上火星，我们才能够真正对火星进行全面的探索，我们也才能够在火星开创新的生活空间。 祝融之后，将有更多的中国造机器人漫步火星。 www.camellia.xin www.camelliacafe.cn Copyright © Camellia Café 2016-2021 Camellia Café and its LOGO are registered trademarks.