揭秘“天問一號”火星車

南山 百超 旺軍

主動懸架

火星地形復(fù)雜，既有松軟的沙地，又有密集分布的石塊，設(shè)計(jì)火星車要最先考慮提高火星車的通過能力。因此，設(shè)計(jì)師們在主、副搖臂懸架的基礎(chǔ)上進(jìn)行了設(shè)計(jì)創(chuàng)新，增加了夾角調(diào)整裝置和離合器，使火星懸架從被動懸架變?yōu)橹鲃討壹堋Ｔ谄囶I(lǐng)域，普通小汽車采用的是被動懸架，但是也有一些高級的越野車應(yīng)用了主動懸架技術(shù)，在遇到復(fù)雜地形時(shí)可以把整車底盤提高，便于越過障礙。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合高校，生產(chǎn)了原理樣機(jī)進(jìn)行測試。測試發(fā)現(xiàn)主動懸架對越過障礙地形很有好處：在松軟沙地環(huán)境下最擔(dān)心的是整車沉陷，主動懸架可以通過尺蠖運(yùn)動的方式迅速脫困。

使用六輪轉(zhuǎn)向之后，火星車可以蟹行運(yùn)動，就是說可以實(shí)現(xiàn)橫著走。由于土壤松軟，一般來講，火星車很難爬上大于20°的坡。但是，蟹行爬坡方式把兩道車轍變成六道車轍，后面的車輪壓實(shí)的是新的土壤表面，而不是前面車輪通過后本構(gòu)關(guān)系已經(jīng)被破壞的土壤，爬20°的坡變得很輕松。

發(fā)射的時(shí)候還有一個(gè)重要的因素，火星車必須腹部著地，降低身段，原因是落火之前進(jìn)入艙有嚴(yán)格的包絡(luò)限制，火星車在到達(dá)火星之后才能站直腰身，這個(gè)需求也可以通過主動懸架實(shí)現(xiàn)。遇到車輪出現(xiàn)問題時(shí)，主動懸架還可以把故障車輪抬起，繼續(xù)前進(jìn)。在確認(rèn)主動懸架的優(yōu)勢后，設(shè)計(jì)師們決心把人類第一輛主動懸架火星車送到火星。

太陽翼構(gòu)型

在火星表面，太陽光變?nèi)?，這樣火星車就需要更大的太陽能電池板。最早的設(shè)計(jì)中，火星車的太陽翼只有左右兩只翅膀，考慮盡可能擴(kuò)大太陽電池片的面積，發(fā)射時(shí)太陽翼被安排成屋頂結(jié)構(gòu)?？墒橇W(xué)分析表明，發(fā)射時(shí)太陽翼振動響應(yīng)很大，太陽翼必須設(shè)計(jì)得很笨重，才能承受惡劣的力學(xué)環(huán)境。

為了解決面積不足的問題，設(shè)計(jì)師們最先想到的方案就是折展。把一側(cè)的太陽翼展開之后進(jìn)行第二次展開，技術(shù)相對成熟。但是，這個(gè)方案遇到的最大問題是太陽翼向前展開容易遮擋視線，向后展開容易觸地。所謂觸地，不是指火星車在火星表面正常工作的時(shí)候，而是從著陸平臺上駛離時(shí)。由于擔(dān)心著陸之后平臺傾斜，設(shè)計(jì)師們保留了火星車前向駛離和后向駛離兩種選擇，在向后駛離的時(shí)候，過長的后展太陽翼容易觸地。

為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)師們提了多種方案，但是都有明顯的缺點(diǎn)。

蝙蝠翅膀方案

首先提出的是蝙蝠翅膀方案，兩側(cè)太陽翼垂直收攏于火星車的側(cè)面，然后經(jīng)過兩次展開，先是從垂直翻轉(zhuǎn)到水平，然后再水平展開。但是這個(gè)方案太復(fù)雜，可靠性不高。

接著又提出的補(bǔ)救辦法就是：收攏在火星車的頂面可以減少翻折，面積也可以進(jìn)一步擴(kuò)大。但是，對于這個(gè)方案，多層太陽板之間的間隙保持問題不好解決，展開過程可能會把太陽電池片碰碎。

太陽毯方案

太陽毯方案就是把太陽能電池板取消，電池片粘貼在聚酰亞胺薄膜上，變成柔性太陽翼。這個(gè)方案優(yōu)點(diǎn)很多，最大的優(yōu)勢是重量。但最讓人擔(dān)心的是技術(shù)不成熟，收攏、展開后的平面控制，需要解決的問題很多，特別是還期望控制太陽翼對日定向，讓陽光垂直照射太陽能電池片，盡可能地多發(fā)電，這個(gè)方案實(shí)現(xiàn)起來困難很大。

后來，設(shè)計(jì)師們又提出把不利于布片的三角形改為矩形柔性太陽翼。柔性太陽毯收攏狀態(tài)下壓緊在車頂板邊緣，當(dāng)火星車著陸后，壓緊釋放裝置解鎖，在折疊撐桿的根部和桿件鉸鏈的作用下，撐桿側(cè)向打開，帶動撐桿上太陽毯展開。

四展方案

關(guān)鍵時(shí)刻，火星車的總體主任設(shè)計(jì)師把各種方案的優(yōu)點(diǎn)集成起來，形成了四展方案。太陽翼上下兩層收攏在火星車的頂板上，分兩次展開。最上層通過一次性展開裝置向側(cè)后方展開，可以解決后展容易觸地的問題，展開之后鎖定不動。第二層利用機(jī)構(gòu)向兩側(cè)左右展開，可以根據(jù)太陽的方向調(diào)節(jié)這兩個(gè)太陽翼的角度，對日定向。收攏狀態(tài)可以簡單可靠壓緊在車體上;展開后的狀態(tài)可以獲得足夠大的太陽能電池片布片面積。

這個(gè)方案得到一致認(rèn)可?；鹦擒嚨奶柲茈姵仄巧钏{(lán)色的，展開后太陽翼像是蝴蝶的4片翅膀;兩根天線向前展開，就像是蝴蝶的觸角;車體前方的兩臺圓柱形設(shè)備，模擬的是蝴蝶的復(fù)眼，不過六足被6個(gè)車輪代替了。

就這樣，火星車的最終造型確定了！在設(shè)計(jì)火星車的過程中，設(shè)計(jì)師們開展了多輪頭腦風(fēng)暴，借鑒各種設(shè)計(jì)思路的有益之處，不但要設(shè)計(jì)一輛能夠在火星表面正常工作的、功能強(qiáng)大的火星車，而且要設(shè)計(jì)出一輛代表中國航天人設(shè)計(jì)水平的漂亮的火星車。

“天問一號”將帶著火星車在明年春節(jié)左右到達(dá)火星，讓我們一起期待它們的精彩亮相吧！

（本文摘編自“國際太空”微信公眾號）