月亮上的“玉兔”晚上要睡覺，火星上的“祝融”也要睡覺嗎？

2021年5月15日，天問一號成功著陸火星，開啟科學(xué)探索之旅。5月22日，中國首輛火星車“祝融號”行駛到火星表面，開展了環(huán)境感知、移動、科學(xué)探測等工作。昨日（6月11日），天問一號探測器著陸火星首批科學(xué)影像圖已經(jīng)發(fā)布。在此前的月球探測任務(wù)中，月球車玉兔一號和玉兔二號每個月都會從月夜的休眠狀態(tài)蘇醒——它在寒冷的月夜無法工作，每次要睡上相當(dāng)于地球日約15天。而為了保障玉兔二號可以正常喚醒，探月工程團隊做了很多努力，積累了不少經(jīng)驗。如今，祝融號已經(jīng)登上火星，那么祝融號在火星的晚上也要睡眠嗎？火星探測團隊又是如何看待這些問題？這篇文章將告訴你，“睡覺”真不是件輕松事兒。

撰文 | 南山

火星車也需要睡覺嗎？如果你想直接得到結(jié)論，答案是：可能也需要。如果想知道個中緣由，需要一點耐心。

祝融號實拍圖

“著巡合影”圖?；鹦擒囆旭傊林懫脚_南向約10米處，釋放安裝在車底部的分離相機，之后火星車退至著陸平臺附近，由分離相機拍攝了火星車移動過程和火星車與著陸平臺的合影。

從月球聊起

故事從17年前講起，那時候我們月球車研制團隊開始考慮設(shè)計中國的第一輛月面巡視探測器——其實就是月球車，計劃把它送到月球去。遇到的問題有很多，其中一個難題就是月夜如何度過。

在我們之前，蘇聯(lián)發(fā)射過兩輛月球車，分別工作了10個月和4個月。他們的方法是利用同位素釙210衰變產(chǎn)生的熱量，幫助月球車度過寒冷而漫長的月球夜晚。

這一句話需要加上三個注解。首先，月球的夜晚到底有多冷？其實蘇聯(lián)人當(dāng)時也不知道月球夜晚的溫度，經(jīng)過分析，估計大約是零下150攝氏度。這樣的溫度，月球車上的設(shè)備肯定受不了，需要采取熱控制措施，讓設(shè)備在月夜能夠舒服點兒。等到中國的嫦娥四號著陸器使用溫差發(fā)電技術(shù)直接測量，得出月夜溫度達到零下190攝氏度以下，那已經(jīng)是五十年以后的事情了。

其次，月球的夜晚到底多漫長？地球表面夜晚一般持續(xù)12小時左右（不一般的主要指地球的兩極地區(qū)），而月球的自轉(zhuǎn)要慢得多。大家都有個概念，農(nóng)歷一個月或者是29天，或者是30天，這就是月球的一天。也就是說，月球的夜晚對應(yīng)大約15個地球日。如果時間短，人們可以采用蓄電池在夜晚為設(shè)備加熱，例如繞地球飛的人造衛(wèi)星也會短暫進入到地球的陰影中，就是用蓄電池解決這個問題?？墒窃虑蛞雇頃r間這么長，如果采用蓄電池，那所需容量的電池的重量差不多要占到月球車總重的一半，這顯然不是一個好辦法。

第三點要說明的是，同位素衰變是一種相對溫和的核反應(yīng)，原子核放射出射線轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子核。月球車?yán)玫木褪呛朔磻?yīng)過程中物質(zhì)緩慢釋放出的熱量。釙210的半衰期是138天，也就是說，它經(jīng)過138天后，其中一半已經(jīng)衰變成別的元素；再過138天，只剩下四分之一。衰變過程中會產(chǎn)生熱量，隨著時間的推移，產(chǎn)生的熱量會變得越來越少。蘇聯(lián)的第一輛月球車，工作了十個月，最后就是因為同位素衰變釋放出的熱能衰減到不足以維持月球車晚上所需要的溫度條件了。蘇聯(lián)的第二輛月球車只工作了四個月，這次倒不是因為熱能衰減，而是由于車輛移動時太陽電池蓋碰到地面，晚上蓋子收攏時，就勢把月壤灑在了車身上，影響車體散熱，最終導(dǎo)致月球車因高溫失效了。

在我們之前，美國人還有過三輛宇航員乘坐的月球車，但是只在月晝短暫工作，不需要過夜，和本文話題無關(guān)，不再贅述。

如果不解決過月夜的問題，我們的月球車只能在月球表面工作7~10天時間?；诉@么多心思，只能工作一周，太可惜了，所以我們在月球車設(shè)計之初就把如何度過月球的夜晚當(dāng)作必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

方案形成

我們最開始的想法，就是利用一個大蓄電池。可是計算下來月夜15天，月球車晚上需要的能量不會低于50瓦，這樣電池的重量達到50公斤，接近車總重量的一半。

這個方法不行，看來還是要用同位素。蘇聯(lián)人使用的釙210單位質(zhì)量釋放熱量多，但是衰減太快，要想讓月球車長時間工作，還要尋找其他的同位素放射源。

钚238的半衰期是約88年，在月球車的壽命期內(nèi)，熱量減少的幅度可以不用考慮，顯然是更好的技術(shù)路線。

從下圖中可以看到，釙210熱源從生產(chǎn)出來，到10個月后釋放的熱量已經(jīng)衰減到初值22%，而钚238熱源在48個月后，只是衰減到最初的97%，變化很小。考慮到熱源生產(chǎn)出來到發(fā)射，再到在月面工作，钚238熱源顯然是一個更合適的選擇。玉兔二號月球車已經(jīng)在月球背面工作了兩年多了，現(xiàn)在還測不到月夜提供到車內(nèi)的熱量有變小的現(xiàn)象。

熱源選多大合適又是一個需要斟酌的問題。理論上在車內(nèi)放個合適的熱源問題就解決了，但是這部分熱量在月球的白天也會源源不斷地放出來。而月晝著陸點的溫度很高，會接近100攝氏度，再加上陽光普照，考慮到設(shè)備工作產(chǎn)生的熱量如何散出已經(jīng)很困難，還要再加上白天同位素釋放的熱能，都要從車體內(nèi)散出，我們實在是找不到解決的辦法。

因此，我們提出把熱源放在車體之外，只有晚上需要的時候才將熱量引入車體內(nèi)部。沿著這個思路，設(shè)計師研究開發(fā)了一種兩相流體回路。白天回路截止，熱量在車體外通過輻射的方式散熱，盡管熱源溫度會比較高，但是與月球車車體內(nèi)部的設(shè)備關(guān)系不大；晚上閥門打開，流體回路開始工作，熱源把工質(zhì)氨從液態(tài)加熱到氣態(tài)，氨氣順著管路進入月球車車體內(nèi)部，加熱設(shè)備后重新變成液態(tài)，如此循環(huán)。巧妙的是，這樣的工質(zhì)流動并不需要泵等驅(qū)動設(shè)備，只需要利用月球的重力，即可驅(qū)動回路的運行，保證回路在月夜可以可靠地工作。

玉兔號月球車

其實這部分熱能也可以利用溫差發(fā)電技術(shù)部分轉(zhuǎn)換為電能，只是轉(zhuǎn)換效率不高，大約5%。這樣月球車晚上就可以一直有一個小功率的設(shè)備加電工作。傳統(tǒng)上，衛(wèi)星入軌工作后一直處于加電狀態(tài)，斷電意味衛(wèi)星失效，沿著這樣的思維定勢，最初設(shè)計師也考慮月夜時候月球車一直處于工作狀態(tài)，進行最簡單的狀態(tài)監(jiān)測。

在技術(shù)討論的時候，一位老專家思路更開闊，提出了不同意見。他表示有了熱能，月球車不會凍壞，發(fā)電不是必需的，完全可以讓月球車根據(jù)陽光的變化自己喚醒，繼續(xù)工作。

仔細細化光照喚醒思路，確實這樣做系統(tǒng)更加簡單可靠。雖然不能實現(xiàn)測量月夜溫度等目標(biāo)，但是在重量資源如此緊張的局面下，光照喚醒的思路確實是有優(yōu)勢的。

于是，月球車的兩個太陽翼被賦予了更多的功能。右側(cè)的太陽翼是可動的，最主要的功能是發(fā)電，晚上不需要發(fā)電的時候，變成月球車的被子，蓋在車身上。如果在月球中午設(shè)備溫度太高，這個太陽翼可以豎起變成遮陽傘，簡稱“右翼三用”。

左側(cè)太陽翼到月球后一次性展開到位，就不能再動了。除了發(fā)電的功能，這個太陽翼特意設(shè)計成下傾10度，目的是為了在月球的早晨，早早接受東方升起的陽光。太陽翼發(fā)出電流上升的過程中，一旦到了特定的電流值，會驅(qū)動車上繼電器動作，使月球車蘇醒過來，開始新一天的工作。這時左側(cè)太陽翼會用于發(fā)電，簡稱“左傾兩用”。

第一次喚醒

2013年12月27日，在月面陽光高度角降到10度以下之后，地面團隊執(zhí)行一系列動作，開始控制玉兔休眠。

首先是找到合適的休眠地點。航向角要求是161~169度，也就是說，車頭對著南偏東方向（正東對應(yīng)90度，正南對應(yīng)180度），這樣左側(cè)的太陽翼基本對著東方，等著清晨的陽光。車頭向東偏一點，是為了避免早上陽光從車尾照到同位素?zé)嵩?。車頭航向完全可以通過車體原地轉(zhuǎn)向進行控制，控制目標(biāo)范圍也比較寬，比較容易實現(xiàn)。

車體俯仰角度要求也比較寬（1~14度），要求車頭高、車尾低，便于流體回路在月球重力驅(qū)動下工質(zhì)循環(huán)起來，找到這樣的地形也相對容易。

最困難的是側(cè)傾角要求-2~1度，允許范圍只有3度，而且月球車沒有調(diào)整側(cè)傾角的能力，需要找到符合要求的地形，再把車開過去。要求這么嚴(yán)格，是因為左側(cè)向下傾斜10度的太陽翼將在太陽高度角為5度時，也就是在陽光相對電池片15度角時發(fā)出合適大小的電流，月球車喚醒。如果車體左傾超限，意味著更早喚醒，周圍環(huán)境太冷，還不適合繼續(xù)工作，蓄電池的溫度可能還沒有升高到可以正常放電的程度；反之右傾超限，意味著喚醒太晚，在陽光和同位素?zé)嵩吹墓餐昂婵尽毕拢噧?nèi)設(shè)備溫度會變得太高。

在月球車計劃休眠前一天，我們就開始在月球車周圍尋找最可能符合要求的月夜停泊點。工程師們控制月球車開過去，結(jié)果測量側(cè)傾角為-4.0度，還不符合要求。時間流逝，逼我們用出最后的手段——刨土。通過右側(cè)車輪前后旋轉(zhuǎn)，月球車把土壤排開，讓車輪下沉，估算右側(cè)車輪下沉4.5厘米，車體側(cè)傾角將改變3.2度，變成了-0.75度，這時才符合了休眠的姿態(tài)要求。最后，我們發(fā)出了控制月球車休眠的一系列指令，玉兔進入夢鄉(xiāng)。

預(yù)計2014年1月11日凌晨4時，月球車才會被喚醒，玉兔這一覺要睡上半個月。到了11日那天，凌晨3點整，我們幾個設(shè)計師坐電梯來到操作大廳，沒想到大廳門口圍著好多人，我們心里納悶，領(lǐng)導(dǎo)怎么來得這么早？

悄悄一問，好多人2點就到了，剛才還在議論設(shè)計師怎么還沒來，這么沉得住氣？！我們趕緊解釋，月面上陽光斜照在左側(cè)的太陽電池板上，太陽每升高一度需要2小時，必須要到規(guī)定的5度太陽高度角，太陽翼發(fā)出的電流才夠喚醒條件，不可能提前2小時的。“怎么不早說”，有人一邊散去，一邊抱怨了一句。

時間過得很快，四點到了，設(shè)計師正襟危坐，等待著38萬公里之外的消息，可還沒有動靜。十分鐘之后，在特定的頻率上收到了載波信號，大廳里一片歡呼，月球車第一次自主喚醒！

后來玉兔一號月球車又工作了兩年半，但是由于機構(gòu)控制出現(xiàn)問題，太陽翼不能運動，車的喚醒變成根據(jù)兩個太陽翼上的功率，滿足平臺設(shè)備工作需要后醒來，比最初設(shè)計的自主喚醒時間要晚上幾個小時。

玉兔二號的休眠與喚醒

決定嫦娥四號要執(zhí)行人類首次月球背面軟著陸及巡視勘察任務(wù)之后，設(shè)計師們就在想月球車要進行哪些改進。在休眠喚醒方面，第一輛月球車休眠是靠地面指令控制實施的，到月球背面之后，地面和月球背面的探測器無法直接聯(lián)系，只能依靠鵲橋號中繼星幫助傳遞消息。這里就有一點隱患，萬一在月球車要休眠的時候，信號被遮擋，或者中繼星因為某種原因當(dāng)時不能提供中繼服務(wù)怎么辦？

因此設(shè)計師考慮玉兔二號不但要自主喚醒，還要升級具備自主休眠功能。在陽光西斜時，不斷監(jiān)測太陽翼發(fā)出的電流，到了特定的電流數(shù)值，月球車會自己控制右側(cè)太陽翼收攏，相當(dāng)于自己蓋上被子，準(zhǔn)備過夜。

月球的背面，山地相對比較多，本來玉兔一號設(shè)計的是在太陽高度角大于5度時候喚醒。在背面落點，如果東方的山高于5度仰角，意味著月球車從黑夜中一出來，車體溫度還沒有升高，特別是蓄電池中的電解液溫度還太低，此時太陽翼電流卻已經(jīng)符合要求，車就會喚醒，需要蓄電池立即輸出電能配合喚醒，可這時電池還被凍得輸不出電來，最后將會導(dǎo)致月球車喚醒失敗，甚至永久失效。

聰明的設(shè)計師想出來一個辦法，調(diào)整月球車睡覺時候的航向。在休眠之前，就需要根據(jù)東方山的高度，調(diào)整車體朝向，保證不管山的高度多少，等到太陽再升高2度，已經(jīng)把月球車和周圍土壤的溫度提高了，照射到左側(cè)太陽翼上的陽光光強才滿足喚醒要求，這時月球車醒來，就沒有困難了。

方案不錯，新的問題來了，必須在休眠之前知道東方山的高度，才能知道車頭朝著哪個方向睡覺合適。因此，剛到月面，工程師就組織了對地平線的高度角進行拍照，結(jié)果傳來，東方山的高度只有不到3度，大家松了一口氣。

對地平線高度角拍照

如今玉兔二號已經(jīng)在月球背面工作了兩年多，成為在月球表面工作時間最長的月球車，行駛超過了700米，休眠、喚醒過程已經(jīng)進行了30多次，這個設(shè)計被證明是可靠的。

火星車的休眠與喚醒

最開始設(shè)計“祝融號”火星車的時候，我們感覺并不需要特別為它設(shè)計休眠喚醒功能，因為火星的一天為24小時40分鐘（與地球的一天很接近，不聊極區(qū)的極晝、極夜現(xiàn)象）——使用蓄電池供電，度過火星的夜晚沒有問題。

有趣的是，火星繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道不像地球軌道那么圓，嚴(yán)格地分析火星一天的時長，會有幾分鐘的差別，這也是在火星車設(shè)計時必須要考慮的。

隨著分析更加深入，我們又發(fā)現(xiàn)了新問題?；鹦巧鲜怯锌赡馨l(fā)生沙塵暴的，這時候火星車的能源供應(yīng)會出現(xiàn)問題，這種塵暴的時間有長有短，蓄電池不足以支撐火星車一直工作。

塵暴是火星車可能休眠的一個原因，另一個原因則是火星的冬季。由于自轉(zhuǎn)軸與軌道面方向呈25.2度的交角（地球是23.5度，又很相近），火星也有四季，不過每個季節(jié)的長度接近6個月，是地球一個季度時間長度的2倍。

火星車著陸點的緯度位于北回歸線附近，原因是在3個月的壽命期內(nèi)這里光照條件比較好。但是如果到了一年之后，陽光直射點慢慢南移到赤道以南，火星車工作地點將漸漸迎來北半球的冬天，太陽再也不會從車頂經(jīng)過，在南方升高到高度角約40度時就開始下降了，光照條件變差，火星表面的最高溫度逐漸降低，這時火星車的能源也會不足。

火星車距離地球遙遠，如果發(fā)生情況由地面判斷進行休眠處置肯定來不及，因此，在玉兔號上使用的自主休眠喚醒技術(shù)再次被派上用場，不過這次方法變得更復(fù)雜了。因為休眠時間事先無法預(yù)知，火星車不會直接感覺到塵暴刮來，也不會直接知道火星的冬天到了。

應(yīng)對的方法是，每天太陽快要落山的時候，火星車在蓄電池開始放電時就要判斷一下蓄電池是不是處于接近滿充狀態(tài)。如果當(dāng)前蓄電池電量不理想，無法度過今夜，那就要決定休眠，盡可能保存蓄電池電量了。

什么時候喚醒合適呢？一個條件是太陽翼發(fā)電足夠，足夠的意思是，既滿足喚醒后火星車工作的需要，還要保證有一部分富余的能量給蓄電池充電，保證火夜的需要。另外一個條件是蓄電池的溫度，因為蓄電池溫度太低，有電也充不進去。技術(shù)實現(xiàn)的手段就是把電流判斷和溫度判斷都做成了硬件電路，只有兩個條件都滿足后，火星車才會自主喚醒。

喚醒之后還有一件重要的事情就是讓地面盡快知道，但是能源這時候還是很緊張，為了節(jié)省電能，火星車不能一直對外發(fā)布已經(jīng)喚醒的消息，這可怎么辦呢？火星車的設(shè)計師們想到了一個古老的辦法，看太陽估計時間。醒來之后的火星車，如果發(fā)現(xiàn)長時間沒人理，就會看看太陽，確定一下火星時間，然后只在特定的時段發(fā)送“我醒了”，地面的工程師就知道什么時候和火星車聯(lián)系概率最大了。

就像是兩個人去探險，約定萬一失去聯(lián)系，都在特定的時段發(fā)送聯(lián)系信號，這樣找到對方的可能性就大大提高了。

“中國印跡”圖?！白Ｈ谔枴被鹦擒囆旭偟街懫脚_東偏南60°方向約6米處，拍攝的著陸平臺影像圖，可清晰地看到著陸平臺上的五星紅旗和火星地表細節(jié)。

最后回到開篇提到的問題：火星車也需要睡覺嗎？答：可能也需要。不過，設(shè)計師們還是希望在火星車開始工作的前三個月，火星表面不要刮起塵暴，陽光充足，用不到休眠喚醒功能，這樣火星車才能在火星表面盡可能走的更遠，獲得更多的探測數(shù)據(jù)。