“祝融”“冬眠”，期待下一个春暖花开
2021年5月15日，我国首次火星探测任务天问一号探测器成功着陆于火星乌托邦平原；5月22日，其搭载的祝融号火星车开始探索火星。300多个日夜，基于天问一号和祝融号取得的科研数据，科学家们正在产出一系列原创性科研成果。现在，火星的冬天到了，祝融号开始“冬眠”了。
探索火星的中国印迹
人类对宇宙的探索永无止境，强烈的求知欲和好奇心是推动人类进步的强大动力，其中太空探索更是对研究太阳系起源及演化、生命起源及演化等重大科学问题具有重要意义。正是在这种强大动力的驱动下，人类开启了对火星的探索。火星是离太阳第四近的行星，为太阳系四颗类地行星之一，由于它荧荧如火，位置与亮度时常变动，让人无法捉摸，中国古代也称之为“荧惑”。
随着航天技术的发展和探测手段的多样化、探测精度的不断提高，以及人类对火星认识程度的逐步加深，各航天大国开展火星探测的热情和频率也逐步提升。探测火星、探寻火星的水和生命信息、探索火星宜居性已逐渐成为国际深空探测的主流。
但奔“火”之路步步惊心——截至目前，各国实施火星探测40余次，成功率约为50%，火星因此也被称为“航天器坟场”。
我国首次火星探测任务天问一号探测器首战告捷，它通过一次任务实现火星环绕、着陆和巡视。天问一号探测器于2020年7月23日发射，2021年5月15日着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原( Utopia planitia) 南部预定着陆点（109.9°E，25.1°N）。5月22日，祝融号火星车驶离与之陪伴303天的着陆平台，在火星大地上迈出0.522米的第一步。5月26日，火星车拍摄并传回着陆平台的照片，着陆平台上的五星红旗鲜艳夺目，清晰闪耀在火星表面，在火星上留下“中国印迹”。
天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器组成。环绕器配置中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、火星矿物光谱探测仪、火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪共7台载荷。通过环绕探测，开展火星全球性和综合性遥感探测。着陆巡视器由进入舱和火星车组成，进入舱完成火星进入、下降、着陆（EDL）任务，祝融号火星车配置多光谱相机、次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪、火星气象测量仪、地形相机共6台科学载荷，通过巡视探测，开展火星表面重点地区高精度、高分辨的精细巡视探测。
截至2022年5月15日，天问一号着陆巡视器成功着陆火星满一年，环绕器在轨运行651天，距离地球2.4亿千米；祝融号火星车在火星表面工作347个火星日，累计行驶1921米，完成了既定的90个火星日的巡视探测任务，持续对火星表面形貌、构造、物质组分、磁场等开展科学探测，累计获取原始科学数据940GB。
“祝融”为何要“冬眠”
冬去春回，寒来暑往。和地球一样，火星也有公转和自转，存在黄赤交角。火星的一天是24小时37分，与地球有着几乎相同的昼夜轮替时间，在火星上看到的太阳也是东升西落。火星公转的轨道面与火星的赤道面倾斜角度（自转轴倾角）为25.19°，与地球的倾斜角度23.5°非常接近，这使得它们同样拥有昼夜交替和春夏秋冬四季轮换。
火星与太阳的平均距离大约是1.5个天文单位，大约是2.3亿公里，绕太阳公转的椭圆轨道比地球的偏心率更大，为0.093（地球只有0.017），这导致火星各季节长度颇不一致。火星的一年相当于687个地球日，其季节长度约为地球的两倍；又因为其远日点接近北半球夏至，因此火星北半球的春夏比秋冬各长约40天。同样，由于火星偏心率更大，所以在近日点和远日点处火星表面的温差可达近160℃，这对火星的气候产生了巨大影响，火星南北半球的四季差异更加显著。火星的四季基本上都是寒冷干燥的，火星表面的平均温度大约为-55℃左右，温度跨度大，夏季白天平均温度约+27℃，冬季白天平均温度低至约-133℃。
天问一号探测器的着陆点位于乌托邦平原南部，纬度25.1°，大致相当于我国贵阳市、福州市在地球的纬度范围。当前，我国祝融号火星车所在区域已进入冬季。与地球相似，火星北半球进入冬季后，光照高度角下降，太阳光照倾斜热量较少、光照时长也缩短。同时，火星存在沙尘暴天气，冬季会更为频繁，致使光照强度进一步减弱。相对于真空环境、火星表面的大气环境也将增加对火星车电能的消耗，由于火星表面存在不可预知的尘暴，会阻挡太阳辐射，同样也影响着火星的大气温度、表面温度，使得火星的平均气温降低。工程师们还给祝融号穿了一件用气凝胶作的特殊“棉服”，当火星冬季到来时，这件“棉服”会起到给祝融号保温的作用。
那么，其他国家的火星车也需要“冬眠”吗？截至目前，成功落火并开展巡视探测的火星车共6辆，分别是美国索杰纳号（Sojourner）、机遇号（Spirit）、勇气号（Opportunity）、好奇号（Curiosity）、毅力号（Perseverance）和我国的祝融号。除好奇号和毅力号采用放射性同位素热源（RHU）发电外，其余四台火星车都是通过太阳翼发电提供能源供应，能源受太阳光照强度影响，需要在火星冬季到来时进行“冬眠”。
根据第一代火星车——索杰纳号火星车实测数据显示，其太阳翼由于被火星尘覆盖导致太阳电池每天损失0.3%的效率。而勇气号火星车就曾因火星寒冷的冬季存在的尘暴和不理想的光照强度，导致能源不足而永久失联——2011年5月24日，美国国家航空航天局（NASA）正式宣布勇气号火星车任务结束。勇气号和它的姊妹火星车机遇号于2004年先后抵达火星表面，在之后的数年时间中，采集了大量科学数据，发回无数精美壮观的火星风景照。然而2010年3月，勇气号发回最后一次信号后便再无音讯。美国国家航空航天局并没有放弃，坚持每天都呼叫，但毫无结果，一年多后不得不宣布任务结束。
科学家们判断，勇气号的失联，正是因为火星冬季的到来，导致表面缺少阳光，勇气号的太阳能电池无法采集到足够电力。在缺乏电力的情况下，勇气号“体内”温度迅速下降，电子设备极有可能被损坏而无法工作。即使到了第二年春天温度回升，勇气号也再也没有“醒来”，自此永远“安眠”在火星的漫天风沙之中。
“祝融”何时醒来
地球距太阳的平均距离约为1.5亿公里，平均太阳常数约1378W/m2，火星距太阳的平均距离约为2.3亿公里，平均辐照强度约为589W/m2，只有地球的43%，复杂、恶劣的环境条件对火星车的设计有重要影响。
火星车上的太阳翼将太阳光热能转化为电能是火星车唯一的能源来源, 同时火星距离太阳较远且受大气的影响，到达火星表面的太阳辐射强度仅为0.2个太阳常数，约为月球表面的20%，光照强度较弱，导致火星车的发电功率低，为火星车的能源带来了极大挑战。
依据火星表面低温、低气压、弱光照及大风沙尘的环境特点，综合考虑工程约束等条件，祝融号的设计师们以控制能量传递为目标，提出了“开源节流”的基本设计思路——他们在火星车顶部设计了两个像望远镜一样的窗口，窗口上绑着一层膜，在光照条件良好时阳光可以照进去。这层膜的原理类似于蔬菜大棚，能让能量只进不出，即以太阳能原位收集、存储与利用技术解决火星车舱内设备保温的能源供给难题，实现能量“开源”。那怎么“节流”呢？设计师们在这层膜下放了十个“酒瓶子”，里面放上一种相变材料——光照条件好时，“酒瓶子”里的相变材料由固态变成液态，到了晚上，相变材料又会由液态变为固态，在凝固的过程中放出热量，以此来保证火星车内部在晚上时温度不下降。
在祝融号火星车休眠后，车上的电子设备将关机。之前火昼时高效采集到的太阳能，将转化为热能并存储下来，为舱内电子设备统一保温，以此解决火星车遭遇恶劣天气后的能源安全问题，保证祝融号火星车有足够的能量完成自主唤醒。
那么，火星的冬天有多长呢？祝融号火星车刚着陆时，火星运行至远日点附近，太阳直射点在北半球，恰逢北半球进入夏季，南半球进入冬季，北半球火星表面温度相对较高。如今祝融号已在火星上工作了一年的时间，火星当前运行在近日点附近，太阳直射点在南半球，火星北半球正在走向冬季。未来两个月，太阳直射点还将继续向火星南部移动，大约在7月中下旬到达火星南回归线附近，届时火星北半球将进入一年中最冷的时节，之后太阳直射点开始向北移动，大约再历经两个多月才能回到目前的纬度上。所以，要经过4～5个月的时间，大约在地球10月左右的秋冬季节，火星的北半球将迎来春天。
目前，祝融号火星车已经在火星表面工作了347个火星日，远远超过了既定的90个火星日的寿命设计，目前正在“超期服役”。预计今年12月前后，祝融号巡视区将进入初春季节，环境条件好转后，将恢复正常工作。祝融号火星车已经给我们带来了无数惊喜，我们有理由期待着在火星春天到来的时候再次收到祝融号的消息。
在浩渺的异星大陆，孑然前行的祝融号作为先驱者已足够伟大，从海南文昌起飞到着陆火星乌托邦平原，我国天问一号探测器已经越过太空中无数的艰难险阻。国内科学家正在利用它在巡视期间，在火星大陆和地球之间往复穿梭的电磁波，用一幅幅全新的图片、用宝贵的科学探测数据开展相关研究，相信在不久的将来，一大批的重大科学成果也将给我们带来新的认识。
星河长明。我们的征途是星尘大海，人类对太空的探索将永不停歇。我国首次火星探测任务开启了我国月球以远深空探测的步伐，起步虽晚，但起点较高——通过一次任务实现了火星环绕、着陆和巡视，实现我国航天事业自主创新、跨越发展的标志性成就。期待祝融号获取更多的科学数据，为我们带来新认识、新认知！
（作者：吕博瀚，系中科院月球与深空探测总体部项目主管； 贾瑛卓，系高级工程师）