大比例祝融模型与火星上的祝融号

作为一名乐高爱好者和太空爱好者，祝融号火星车模型是我不能错过的。所以我入手了我的第三套祝融号——由ONEBOT出品的积木祝融号火星车模型。而且令我非常兴奋的是，这套祝融带有动力组件，可以连手机遥控甚至编程。

这套祝融号与之前我已经写过文章的启蒙的和森宝出品的祝融号相比，没有着陆平台，但是比例明显大很多，拥有更精确的细节。正是因为大体型，为实现遥控带来了可能性。

整个拼搭过程断断续续的持续了三天，真的是很大的一盒。电子版的拼搭手册有一千多页，这是比较有意思的，ONEBOT电子版带来了很大的好处就是每一步都有动画演示，还可以自由放大缩小调整3D模型的视角。这种带给我的体验，当年的JPL也有过之无不及了。总体上拼搭过程还算顺利。值得一提的是，ONEBOT零件的手感很好，我记得以前玩某些国产乐高式积木的时候，时间长了手指按得疼。这次的手感和乐高原厂的没有多大差别，拼插的阻尼不大不小刚好。另外，包装盒上画了一个“苦味零件”的标志，零件含有了对人体无害的苦味剂，我猜可能是为了防止小孩吞食。但是就像Switch的游戏卡一样，反而激发了我尝一尝的兴趣。我找了几片零件品了品，有些零件确实是有明显的苦味的。尤其是长蓝销或着短黑销这种小零件，尝过之后那种强烈的苦味令人印象深刻。那是一种苦得发辣的味道，让你不想多含那个零件半秒钟。大人尚且如此，更别提小朋友了。

搭建完成后的ONEBOT积木板祝融号火星车可以用巨大形容。它的尺寸比启蒙和森宝的祝融号要大的多。ONEBOT积木板祝融号火星车可以很好的折叠起来，可以用来演示除了悬挂系统以外的所有展开动作。另一个好处就是在模型在家进行收纳的时候，比较节省空间。得益于巨大的尺寸，ONEBOT积木板祝融号火星车的细节要精确得多。用来展示祝融号真车的各大科学探测设备再合适不过。

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然后就可以介绍祝融号上搭载了六大科学载荷：

首先介绍的是，安装在桅杆顶部的导航与地形相机（Navigation and TerrAIn Camera, NaTeCam），这套相机由两台一样的相机组成，每台都可以拍摄2048×2048的410万像素的彩色方形画面，两台协同可以形成立体视觉。还可以通过桅杆顶云台旋转拍摄360度环形接片。ONEBOT积木板祝融号火星车的导航与地形相机和启蒙祝融号、森宝祝融号一样，都设计成了两侧不一样的“异瞳”。不过总体来说，整个桅杆顶部的表现，ONEBOT是做的最好的。只需要简单改造就可以让它更贴近实车了。改造的事情咱们以后再聊。

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然后介绍的是，同样安装在桅杆顶部的，在两台导航与地形相机之间的多光谱相机（Multispectral Camera, MSCam）。这台相机也可以拍摄2048×2048的410万像素的方形画面，但是它是全色相机，内含9种不同波段的滤镜片，通过不同物质反射不同波段的电磁波的原理，获得画面里的矿物成分的空间分布。9个成像谱段分别是：480、525、650、700、800、900、950、1000 纳米和全色波段，涵盖可见光到近红外波段范围。主要用于探测火星表面的铁氧化物、含铁硅酸盐等与火星水环境和地质演化紧密相关的矿物。值得一提的是，祝融号真车在多光谱相机上面印有祝融号的印章，是个火字的篆文，出自南宋官印。ONEBOT积木板祝融号火星车与启蒙的和森宝的相比，是唯一直接表现出了多光谱相机的模型。

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接下来介绍的是，安装在祝融号左胸前的激光诱导击穿光谱探测仪（Laser-induced Breakdown Spectroscopy Spectrometer, LIBS），它是祝融号表面成分探测仪（Mars Surface Composition Detector, MarSCoDe）的重要组成部分。它的显著特征是拥有一片显眼的两轴可调的激光反射镜，在外壳上印有鲜艳的五星红旗。这个装置通过向目标物发射波长约为1064纳米的近红外高能激光脉冲，探测烧蚀激发出的等离子体冷却过程中的特征发射光谱，进而远程探测出目标物的元素成分组成信息，可以探测10多种元素。属于是一种“哪里不会点哪里”的光棱塔。激光诱导击穿光谱探测仪和之前提到的多光谱相机通过固定在车尾定向天线立柱上的定标板进行校准。在定标板上安装了12种已知成分的样本。在ONEBOT积木板祝融号火星车上，激光诱导击穿光谱探测仪的反射镜造型表现的十分相像，是我三种祝融模型里面表现的最好的一个。即使是经过我改造过的前两款祝融模型，都赶不上ONEBOT积木板祝融号火星车的原厂设计。

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第四种要介绍的是次表层探测雷达（Mars Rover Penetrating Radar, PoPeR）。在祝融号上有两种次表层探测雷达。一种是高频次表层探测雷达，它有两个金色的盒子一样的天线，安装在车体前部下方，比较显眼。叫高频是因为它工作在450兆赫到2150兆赫的特高频UHF波段，比另一种的雷达频率高，并不是说它工作在高频HF波段。这个频率的电磁波波长很短，可以实现厘米级的分辨率，对土壤的探测深度在3米以上，对水冰的探测深度在10米以上。ONEBOT积木板祝融号火星车的高频次表层探测雷达的总体外形还算说得过去。ONEBOT过去是没有金色零件的，这次是为了祝融号全新开模了新的金色零件。这种零件金色的表现要比乐高金色零件表现的还要闪耀。不知道会不会有人专为金色零件而杀肉呢？w

另一种是低频次表层探测雷达，它有两根鞭状天线，安装在车体前部两侧。低频次表层探测雷达工作在15兆赫到95兆赫的高频HF、甚高频VHF波段。更长的波长让它有更深的探测深度，对土壤的探测深度在10米以上，对水冰的探测深度在百米以上。同样是因为更长的波长，导致它的分辨率不如高频雷达，可以实现米级的分辨率。ONEBOT积木板祝融号火星车与我之前的两款祝融号模型相比，是唯一一款表现出了两根低频次表层探测雷达的鞭状天线的，并且可以很好的进行折叠。

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第五种要介绍的是表面磁场探测仪（Mars Rover Magnetometer, MoMAG），这是两只相同的三轴磁通门探头，分别安装在桅杆的顶端和底端，用来探测火星近地表的磁场强度。研究火星磁场的意义是非常重要的。目前的理论认为，火星失去了大气和水，变得与地球大相径庭，很重要的因素是因为火星没有覆盖全球的强大磁场，抵抗不了太阳风的剥离作用。祝融号的直接测量结果既能帮助我们了解火星壳层剩磁的信息，也能与天问一号环绕器携带的磁强计探测结果相结合，帮助我们更全面地了解太阳风与火星高层大气/电离层的相互作用。而且，在祝融号之前，人类还没有在火星表面可移动的磁场探测仪。只是在火星环绕器和洞察号固定式着陆器上有。祝融号携带了人类第一台火星表面可以动的磁场探测仪。不过因为它太小了，很不起眼，我如果不指出来，你根本注意不到它在哪。

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第六种要介绍的是火星气象站（Mars Climate Station, MCS），这是两套小组件，用来测量风速、风向、声音、温度、压力等等火星气象数据。用来测量风向、风速和声音的传感器安装在桅杆顶部相机云台组件下方一侧，就是那个圆盘型的装置，可以测量最大70米每秒的风速。说起火星的声音，之前NASA毅力号传回了火星表面的录音，让全世界航天爱好者为之振奋。没想到我们国家第一辆火星车在着陆后的第一阶段就传回了火星表面的声音，这真的是让国内的航天爱好者非常激动的。火星气象站另外的一个组件，用来测量气温、气压的传感器安装在了车身前部那个圆柱形的天线的下面，是个不起眼的小盒子形状的组件，可以测量零下130到零上70摄氏度之间的气温，以及1到2000帕之间的气压。火星上的平均气压只有700帕，不到地球的1%(地球标准气压是101.3千帕)。虽然95%是温室气体二氧化碳，但是气压很低，温室现象很弱，气温也很低。ONEBOT积木板祝融号火星车和我的另外两款祝融号也均没有表现出来火星气象站组件。

这样祝融号的六大科学载荷就介绍完了。

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在祝融号上有两套天线，一套是位于火星车右胸前的圆柱形全向天线，另一套是位于车尾正中的定向天线。关于祝融号的天线系统，我能找到的资料非常少。首先说说全向天线，我感觉从外观上看这个圆筒形的结构包含了一套螺旋天线或者四臂螺旋天线。这样的天线的圆极化、全向的属性让它特别适合进行卫星通信，可以用来与环绕器通信，继而可以中继到地球。但是也正是因为它全向而没有增益，所以全向天线没有深空通信能力，不能直接联系到地球。祝融号的全向天线工作在UHF波段。特别值得一提的是，刚刚过去的2021年11月，欧空局火星快车探测器与祝融号进行了五次通信测试，就是通过祝融全向天线实现的。祝融并不能接收火星快车的发射频率，但是火星快车可以接收祝融的UHF频率。于是乎欧空局控制火星快车指向祝融号。中国国家航天局通过环绕器转发上行指令控制祝融号发送数据，祝融号便开始在约定时间盲发数据。火星快车监听特定UHF频率上的信号，再把收到的信号发回地球上的欧空局深空测控站。最后欧方把信号转发给中方，就实现了这次历史性的中欧深空试验项目，为人类的科技发展和国际合作做出了贡献。ONEBOT积木板祝融号火星车的全向天线是由一系列金色圆形零件摞起来的，总体感觉还是比较相近的。这种金色零件和低频次表层探测雷达是同样的颜色的，金光闪闪。

祝融号的定向天线工作在X波段，在没有环绕器过顶的情况下可直接对地球通信，但传输速率较低，主要用于传递火星车状态数据。与前边的全向天线相比，定向天线具有特定的波瓣，需要对准目标才能获得天线的最大增益。一旦对准目标，定向天线与全向天线相比具有更大的增益，所以这种天线又叫高增益天线。最早的设计中这个定向天线是类似于NASA火星车的那种板状天线，后来实际的产品上改成了现在的抛物面天线。总体上说，祝融通过环绕器中继可以达到比直接与地球通信更大的通信速率。根据轨道特点，祝融号在环绕器近火的时候主要用全向天线与UHF频段通信，远火时主要用定向天线与X频段通信。ONEBOT的定向天线设计的给人感觉就是，努力的通过很多零件实现了定向天线造型的复杂度，概括的处理了一些细节。

在ONEBOT积木板祝融号火星车上，桅杆和高增益天线杆的折叠机构采用了一种阻尼十足的球形关节设计。它既可以保证足够的阻尼防止震动之类的事情导致结构倒伏，也不会太硬而对折叠动作造成阻碍，我非常喜欢这个设计。

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祝融号后背上有两个明显的圆形的有十字形支撑的装置，那就是火星车集热器。火星上太冷了，低温对于火星车设备有致命的伤害。由于祝融号没有RTG这样的核动力热源，用电热的效率也太低了，火星集热器就可以利用太阳能，把热能保存下来，能量效率可以达到80%。圆形十字形是火星集热器的外壳，外面覆盖了轻薄的聚酰亚胺薄膜，用十字形骨架支撑成一个穹顶（这样火星尘就不会积累在弧面上），里面填充了熔点是零下26度的正十一烷，白天的阳光之下正十一烷吸热融化，晚上冷的时候凝固放热，配合火星车的轻量化气凝胶保温层，就可以保持住火星车核心温度，原理简单高效。真是不得不佩服中国航天设计师的智慧啊！ONEBOT的祝融号的火星集热器利用软管和科技件组成了类似的圆形十字形的图案。

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祝融号有四片太阳能电池板，应用了高光电转换效率的三结砷化镓电池板。中国在三结砷化镓电池板的研发上比较有经验，相传现在的光电转化效率已经超过30%，神舟飞船和中国空间站也都采用了砷化镓电池板。作为我们的第一台火星车，我们没有采用NASA好奇号、毅力号那样的核动力，而是采用了勇气号、机遇号那样的太阳能动力。我猜原因可能是因为，一方面祝融号的尺寸比较小，和勇气号、机遇号比较接近，另一方面可能是因为RTG核电池比较贵，核材料源自于核反应堆，比较难于制取。在降落的时候，四片太阳能板是折叠在火星车背部的，打开以后像一只蝴蝶，所以祝融号有个绰号叫蓝色闪蝶。而ONEBOT积木板祝融号火星车的设计可以让你完美的还原这个展开的动作。

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在祝融号实车上，行走系统有六个可以独立驱动独立转向的金属轮，每只车轮是外侧单臂悬挂的。在车体两侧有两对摇臂，前摇臂直接连接前轮，后摇臂连接副摇臂，副摇臂连接了中轮和后轮。祝融号靠摇臂运动配合前轮后轮不同时前进来实现尺蠖运动，靠所有轮转到横向来实现蟹行运动，靠前轮内摆、后轮外摆，再左右轮组相向转动来实现原地转向。

在天问一号任务早期流出的CG视频中，火星车摇臂的前轮与中后轮组画反了，早先出的那几款祝融号模型都受到了误导，也出现了同样的错误。这一点在我之前的祝融号模型的测评中就有所阐述了。但是ONEBOT积木板祝融号火星车就没有出现上述问题。

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接下来就由介绍，ONEBOT积木板祝融号火星车最大的亮点——带有动力组件的行走系统。在ONEBOT积木板祝融号火星车上，为了保证强度，真车车轮的外侧单臂悬挂被改成了每轮两侧都有的双臂悬挂。六轮独立驱动独立转向是显然不可能在模型上实现的。于是改成了车体内双电机集中动力，每台电机驱动同侧的中轮和后轮。动力由一组齿轮和轴输出到后摇臂上，再通过链条传递到轮子上。这是一种非常有趣的绝妙设计。

遥控可以通过与3D搭建手册相同的那个APP来实现，左手的虚拟摇杆可以对车辆进行遥控，所以说操作非常简单。界面全景模拟了火星场景，仿佛身临其境进行火星探险。右手的两个滑块可以控制画面的俯仰和变焦。

ONEBOT积木板祝融号火星车在遥控之下跑的还是很快的，实际上真车祝融号的行驶速度是比较慢的，最大行驶速度也就是大约5厘米每秒，导航速度大约是1厘米每秒。

ONEBOT积木板祝融号火星车巨大的体积带来了足够的改造空间，让你自由地根据自己的理解对火星车模型进行优化。这个过程甚至让我想起来早年间制作田宫模型时候的那种改造自由度，而且乐高式的积木的改造难度要远低于田宫模型，这绝对是一种乐趣所在。

从原理上说，无论是真实的祝融号火星车还是ONEBOT积木板祝融号火星车模型，在编程上载后让它自主运动的时候，车辆是靠电机转数来控制距离和方向的，电机转数、轮子转数和地面上经过的距离是成比例对应的。ONEBOT积木板祝融号火星车是可以用手机APP“蜻蜓编程”来编程的，也是用类似的方法，通过控制两台电机的转数实现移动、转向、甚至沿指定路线移动。可以体验一把真实火星车的操作感受。我在此推荐一本书，叫《月背征途》，里面详细的记述了玉兔号月球车如何做路径规划、如何避障、如何上载程序。只不过使用蜻蜓编程给ONEBOT积木板祝融号火星车编程时候用的路径规划信息的来源不是导航地形相机和避障相机的照片，而是抬头看一眼就可以了~ w

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本文简略视频版：

ONEBOT大比例祝融模型与火星上的祝融号 – lulinimages的视频 – 知乎 https://www.zhihu.com/zvideo/1452780400356089856

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前文所述均为本祝融号模型的原厂状态。关于本祝融号模型改造、修正和Debug：

祝融模型后续：细节决定成败 – lulinimages的文章 – 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/444595995

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彩蛋：火星巨兽